книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

V. Направления работ в области магнетронных усилителей с распределенной эмиссией

инезамкнутым электронным потоком

Внастоящее время ведется разработка магнетронного усилителя 5-сантиметрового диапазона с выходной мощ­ ностью 1 Мет. По своей общей конструкции и типу з а ­ медляющей системы этот прибор является вариантом опи­ санного выше прибора 3-сантиметрового диапазона. Вне­

сены лишь некоторые изменения с целью увеличить к. п. д. и усиление, отнесенные к длине замедленной волны. На первых экспериментальных образцах получе­ на мощность более 1 М ет, другие характеристики качест­ венно остались такими же, как и у усилителя 3-санти- метрового диапазона. Полный к. п. д. этих образцов превышает 35%, и, как ожидается, его удастся повысить до 45—50%.

Значительные усилия сейчас направлены на разработ­ ку вариантов спиральных замедляющих систем с таким закреплением, которое позволяет получать очень боль­ шие средние мощности. Вполне вероятно, что в ближай­ шем будущем удастся реализовать приборы, работающие со средней мощностью до 50 кет в 10-сантиметровом диапа­ зоне. Достижимый уровень импульсной мощности в ос­ новном зависит от частоты и величины пробивного на­ пряжения. Так, например, в 10-сантиметровом диапазоне путем масштабного моделирования существующих кон­

в скрещенных полях в сочетании с простотой конструк­ ции и свойством автомодуляции магнетронных усилителей с холодным катодом, распределенной эмиссией и незамк­ нутым потоком открывают перед приборами этого нового типа широкую область применений.

2.4. ШУМОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ПРИБОРАХ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ

М а к - Д а у э л л , Ф а р ни

I. Введение

Шумовые генераторы со скрещенными полями (М-ти- па) появились в связи с потребностью в генераторах мощного некогерентного шума для применения в систе­ мах создания помех радиолокаторам противника. Вполне вероятно, однако, что использование некогерентного мощ­ ного шума даст определенные преимущества в энергети­ ческих применениях колебаний сверхвысоких частот. В некоторых случаях СВЧ-нагрев лучше вести энергией некогерентного шума, чем энергией от когерентного источника. В частности, это справедливо, когда нагрузка не обладает резонансными свойствами. При работе на такие нагрузки относительная нечувствительность источ­ ника шумов к к. с. в. н. нагрузки может дать определен­ ные выгоды по сравнению с такими резонансными гене­ раторами, как магнетроны или клистроны, обычно имею­ щими более высокую чувствительность к нагрузке.

Шумовые генераторы по существу представляют собой магнетронные усилители с инжектированным потоком или эмиттирующим отрицательным электродом. Входной шумовой сигнал вводится в усилитель в виде нестабиль­ ностей пространственного заряда, которые в свою оче­ редь усиливают дробовой шум катода. После возбужде­ ния шумовой волны в замедляющей системе происходит ее усиление в результате обычного процесса взаимодейст­ вия в скрещенных полях. Следовательно, шумовые гене­ раторы М-типа будут обладать многими свойствами магне­ тронного усилителя, если его возбуждать широкополос­ ным шумовым сигналом. Поскольку механизм генерации в пространственном заряде характеризуется весьма ши­ рокой полосой, ширина полосы шумового сигнала на вы­ ходе прибора определяется в основном свойствами анод­ ной системы и сравнима с полосой, которую может иметь магнетронный усилитель. Выходная мощность шумовых

усиления в потоке со скользящими слоями, известный под названием диокотронного эффекта. Второй механизм обусловлен обратным влиянием (обратной связью) шума пространственного заряда на электроны в области мини­ мума потенциала у катода. Сначала мы рассмотрим диокотроиный эффект, а затем сделаем некоторые замечания относительно обратной связи.

Диокотроииый эффект теоретически исследовался в ряде работ [1—31. Исследовавшаяся система была в зна­ чительной степени идеализирована, но тем не менее она дала важные результаты, которые показывают как диокотронное усиление зависит от параметров пространства взаимодействия и по которым можно сравнительно хо­ рошо рассчитать действующую величину диокотронного усиления. Эта идеализированная система (фиг. 1а) пред­ ставляет собой луч, расположенный в скрещенных элек­ трическом и магнитном полях между двумя гладкими пластинами —- анодом и отрицательным электродом. Пред­ полагается, что луч начинается на катоде, величина по­ тенциала которого находится между потенциалами анода и отрицательного электрода. Луч, показанный на фиг. 1а, считается идеальным и известен под названием потока Бриллюэна. В этом потоке каждый электрон движется по прямолинейной траектории в условиях, когда сила электрического поля, направленная к аноду, точно урав­ новешена силой магнитного поля, действующей на элек­ трон и направленной к отрицательному электроду. Ско­ рость дрейфа электронов определяется, как обычно, отно­ шением электрического и магнитного полей. Так как часть линий электрического поля, начинающихся на ано­ де, заканчивается на зарядах в области потока, электри­ ческое поле в сечении потока не остается постоянным. Не­ постоянство электрического поля в сечении потока вле­ чет за собой изменение скорости электронов внутри потока. Легко можно показать, что изменение электрического по­ ля и скорости электронов в сечении потока согласуется с эквипотенциальностыо катода, с которого начинается поток. Таким образом, поток, показанный на фиг. 1а, теоретически может существовать. Чтобы создать такой поток, возможно потребуется применить идеальную систе­ му инжекции электронного луча. Реальные системы ин-

жекции дают лучи, в которых траектории электронов колеб­ лются относительно идеальной. Следовательно, электро­ ны в потоке интенсивно перемешиваются, а сам поток может быть в несколько раз более толстым, а значит, и менее плотным, чем идеальный бриллюэновский поток. Несмотря на все сказанное, анализ системы, изображен­ ной на фиг. 1а, дает полезные сведения относительно диокотронного эффекта.

Отрицательный электрод

Эквипотенциальный уровень катода

Фи г . 1а. Бриллюэновский поток в приборах со скрещен­ ными полями.

Магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. Внутри потока йу/<1у = ©ц = еВ/т, где V — скорость электрона, й> — цикло­

тронная частота.

Из рассмотрения этой системы вытекает, что нарастаю­ щая волна появляется в результате небольшого различия в скоростях на верхней и нижней границах потока. Если исходить из концепции связанных волн, то усиление можно объяснить связью поверхностных волн в нижнем и верхнем слоях потока. Чтобы изложить физический подход к механизму усиления, обратимся к фиг. 1а—в. Итак, на фиг. 1а изображен идеальный бриллюэновский поток между двумя заземленными плоскостями. Допустим теперь, что на поток наложено периодически отклоняю­ щее возмущение, как показано на фиг. 16. Тогда можно доказать, что по отношению к такому отклонению поток неустойчив, т. е. действуют силы, которые стремятся увеличить возмущение вместо того, чтобы вернуть поток к его исходному состоянию. На фиг. 16 показано направ­

ление сил пространственного заряда, действующих в воз­ мущенном потоке. Видно, что эти силы действуют в на­ правлении дальнейшего увеличения возмущения. Когда увеличиваются скорости движения электронов к аноду или отрицательному электроду, их траектории отклоняют­ ся магнитным полем, как показано на фиг. 1в. Результи­ рующие силы пространственного заряда теперь стремятся замедлить электроны в области А и ускорить в области В.

Равнодействующая сил пространственного заряда

. вмаксимумах возмущения

Анод

^ Ч ч \Ч \\Ч Ч Ч \\\\Ч \4

Отрицательный электрод

^Направление сил пространственного заряда

ввозмущенном потоке

Фи г. 16. Схема сил, действующих на электроны инжек­ тированного потока в скрещенных полях при синусоидаль­

ном возмущении.

Силы пространственного заряда направлены так, что первоначальное возмущение увеличивается.

Это приводит к уменьшению действующей силы магнит­ ного поля в области Л и к увеличению в области В , что вызывает дальнейшее увеличение возмущения. Таким образом, мы видим, что электронный поток в скрещенных полях принципиально неустойчив и усиливает возмуще­ ния, которые в него вводятся. Эта неустойчивость границ потока является фундаментальным различием между при­ борами магнетронного типа и линейными приборами, к ко­ торым относятся и клистроны и ЛБВ. Несмотря на не­ устойчивость потока, магнетронные усилители работают удовлетворительно благодаря тому, что для фокусировки пространственного заряда нужной конфигурации в них

используются достаточно сильные ВЧ-поля замедляющей системы.

Поток, показанный на фиг. 1, можно ввести в шумовой генератор М-типа с инжектированным потоком, схемати­ чески изображенный на фиг. 2. Шумовой генератор состоит из пушки со скрещенными полями и про­ странства взаимодействия. Замедляющая система при­ бора выполнена в анодном блоке. Уровень шумов на вы-

Направлвний результирующих сил пространственного заряда

\\ч \< \ч ^ ^ ^ ^ ^ Ч ч ч ч ч ч ч \ч ч ч ^

Электроны в этих участках замедляютсясилами пространственного заряда

Фиг . 1в. Схема распределения пространственного заряда в процессе дальнейшего развития неустойчивости.

Возмущенные участки потока отклоняются наверху вправо и внизу влево, где магнитное поле отклоняет электроны, имеющие увеличен­ ную радиальную скорость. Возникающие силы пространственного за­ ряда имеют тенденцию замедлить электроны, располагающиеся слева от основного сгустка. Таким образом, на эти электроны действует нап­ равленная наружу результирующая сила, формирующая периодически

сгруппированное облако пространственного заряда.

ходе п\-шек со скрещенными полями — особенно тех, кото­ рые имели сравнительно длинные катоды в направлении электронного потока, — оказался значительно выше, чем можно было объяснить одним диокотронным усилением дробового шума в минимуме потенциала. Пришлось согла­ ситься с тем, что в пушке должен существовать допол­ нительно еще какой-то механизм усиления шумов [4]. По-видимому, этим механизмом является обратная связь, благодаря которой шумовая модуляция пространствен­ ного заряда, полученная в результате диокотронного усиления дробового шума, в свою очередь модулирует

от катода модулируют минимум потенциала и повышают уровень шумов на входе системы.

4.Возбуждение шумовых токов в замедляющей си­ стеме шумами электронного потока в входной области замедляющей системы.

5.Обычный процесс усиления в скрещенных полях шумовой волны, возбужденной в замедляющей системе.

III.Шумовые генераторы с инжектированным потоком

Шумовой генератор с инжектированным потоком схема­ тически изображен на фиг. 2. По существу это магнетрон­ ный усилитель с инжектированным потоком, у которого

Ф и г. 2. Схематическое изображение шумового генератора с инжектированным потоком.

на входе ВЧ-системы включена нагрузка, а пушка рассчи­ тана на усиление шумов. Последнее достигается тем, что длина катода берется равной нескольким циклоидам. Отношение величины магнитного поля в области пушки к его критическому значению (поле отсечки) в типичном случае приблизительно равно двум. Сильное магнитное поле необходимо для того, чтобы избежать эффекта высо­ кочастотной отсечки в механизме генерации шумов. По

этой причине шумовые генераторы могут иметь несколько большие размеры, чем магнетронные усилители сравни­ мой мощности.

В шумовых генераторах с инжектированным потоком обычно используются замедляющие системы прямой вол­ ны. (Системы обратной волны привели бы к возникнове­ нию генерации на обратной волне, как в ЛОВ М-типа.) Ширина полосы шумов зависит от дисперсии замедляющей системы. В приборах, замедляющие системы которых об­ ладают значительной дисперсией, удается перестраивать шумовую выходную мощность в широком диапазоне частот путем регулировки скорости потока. Такая регулировка достигается, например, модуляцией напряжения между катодом и замедляющей системой. Чтобы сохранить при этом сравнительно постоянный уровень мощности на выходе прибора, можно регулировать соответствующим образом ток луча, модулируя напряжение на ускоряю­ щем электроде. Сконструированные шумовые генераторы непрерывного действия работали с выходной мощностью 200—1000 в т в дециметровом диапазоне. Мгновенная полоса генерируемых частот составляла 10—20%, а полоса перестройки достигала октавы. К. п. д. этих приборов был около 20%, но при некоторых, условиях, по-видимому, достижимы к. п. д. до 40%. Описанные приборы проектировались с учетом требований минималь­ ности габаритных размеров и работоспособности в небла­ гоприятной окружающей среде, и поэтому можно считать, что в разработках данного направления достигнута ста­ дия получения промышленного образца.

Особенность шумовых генераторов, представляющих интерес для энергетических применений СВЧ-колебаний,— это относительная нечувствительность к изменению на­ грузки. Как видно на схеме фиг. 2, шумовой генератор является прибором бегущей волны, а не прибором резо­ нансного типа. Отражения от нагрузки в шумовом гене­ раторе проходят по замедляющей системе и поглощаются нагрузкой, подключенной на ее входе. Если эта входная нагрузка хорошо согласована с замедляющей системой, то даже значительные отражения от выходной нагрузки не вызовут ухудшения основных параметров шумового генератора.