10. Приборы с квазистатическим управлением. Причины ограничения частотного диапазона приборов данного класса. Характерные конструкции.

В приборах с квазистатическим управлением, как следует из их названия, электронный поток взаимодействует с квазистатическим переменным электрическим полем, т. е. полем, в котором вихревой составляющей электрического поля можно пренебречь. Такое поле может существовать в промежутке между металлическими электродами, расстояние между которыми много меньше длины волны колебаний.

Квазистатический принцип управления используется в электронных лампах.

Рисунок 2. Схема электровакуумного прибора с квазистатическим управлением.

Электронные лампы содержат вакуум-плотную оболочку Б, внутри этой оболочки создаётся высокий вакуум. Также в этой лампе есть источник электронов – катод К и анод А – электрод, на который подаётся постоянное положительное напряжение относительно катода. , прозрачные для электронов сетки под постоянными потенциалами относительно катода.

В зависимости от количества сеток лампы подразделяются на:

• Диоды (сетки отсутствуют)

• Триоды (одна управляющая сетка)

• Тетроды (две управляющих сетки)

• Пентоды (две управляющих сетки)

Также есть многоэлектродные лампы – гексоды и гептоды.

Принцип действия: (не уверен в надобности, копируйте на свое усмотрение)

Как правило в электронных лампах используется термокатод с прямым или косвенным подогревом. В конструкцию подогревательного катода входит подогреватель, нагревающий катод до нужной температуры за счёт протекания тока по подогревателю. Поверхность подогревного катода эквипотенциальна, что обеспечивает равномерную плотность катодного тока.

Любой прибор с сетками можно свести к диоду с анодом вместо первой сетки (анод находится под действующим потенциалом):

Где коэффициент, зависящий от конфигурации электродов и расстояний между ними.

В этой формуле – расстояния от катода до первой и второй сеток, соответственно.

Потенциалы в формуле для действующего потенциала отсчитываются от катода, потенциал которого принято считать равным 0.

Катод в электронных лампах обычно работает в режиме ограничения тока пространственным зарядом. В этом режиме катодный ток определяется законом степени трёх вторых:

Где:

– площадь эквивалентного анода

– расстояние от эквивалентного анода до катода

– коэффициент, зависящий от формы электродов (для плоских равен 1).

Из этой формулы видно, что ток в лампе может протекать, только если действующий потенциал больше 0.

Группировка электронного потока в лампах осуществляется за счет электрического поля в промежутке катод-управляющая сетка, воздействующего на объемный заряд вблизи катода. Если это поле направлено от сетки к катоду, электроны проходят плоскость сетки, в противном случае катодный ток отсутствует. Прошедшие управляющую сетку электроны ускоряются постоянным электрическим полем анода (или экранирующей сетки) и взаимодействуют с переменным электрическим полем анода, передавая ему часть своей кинетической энергии. Этот процесс можно рассматривать как индуцированное переходное излучение электронов.

Электронно-оптическая система в приборах с электростатическим управлением в явном виде отсутствует, анод служит одновременно и для отбора энергии от электронов и для сбора отработавших электронов. Электродинамическая система ЭВП с сеточным управлением, как правило, внешняя.

(причины ограничения частотного диапазона)

Особенностью электростатического (сеточного) управления на низких частотах является практически нулевое потребление мощности от источника управляющего напряжения, если напряжение на управляющей сетке отрицательно по отношению к катоду и электроны на ней не оседают. Однако, при сверхвысоких частотах управление с помощью отрицательной сетки требует затраты конечной мощности, быстро возрастающей с ростом частоты. Этот фактор, наряду с влиянием собственных реактивностей приборов (таких как междуэлектродные ёмкости и индуктивности вводов) и с конечностью времени пролёта электронов в междуэлектродных промежутках, затрудняет создание усилителей генераторов СВЧ для частот превышающих 1 ГГц.

При определённых условиях немодулированный электронный поток, проходящий через междуэлектродный зазор, может отдавать полю этого зазора часть своей кинетической энергии (это называется монотроннный эффект). Если зазор соединён с колебательным контуром и если потери энергии в этом контуре меньше, чем мощность, отдаваемая потоком, в контуре могут возникнуть автоколебания.

Прибор, реализующий этот способ генерации электромагнитных колебаний, называют монотроном.

Рисунок 3. Схема монотрона

Электроны, выходящие из катода, ускоряются полем первой сетки и поступают в зазор между сетками. Этот зазор входит в состав колебательного контура (объемного резонатора). Расстояние между сетками, ускоряющее напряжение и собственная частота резонатора выбираются так, чтобы угол пролета в пространстве между сетками был близок к 2.5π. В этом случае активная составляющая проводимости оказывается отрицательной. Если она больше по абсолютной величине, чем проводимость потерь резонатора, в приборе возникают автоколебания, частота которых близка к собственной частоте резонатора. Создан экспериментальный образец моноторона, генерирующий мощность до 100 кВт на длине волны 5,5 см.

Скоростная модуляция в высокочастотном зазоре.

В простом случае дискретного взаимодействия электроны под действием СВЧ поля резонатора получают так называемую скоростную модуляцию. Она заключается в том, что часть электронов, проходящих СВЧ поле в ускоряющий полупериод, получает увеличение скорости, а часть электронов, проходящих то же поле в тормозящий полупериод, - уменьшение её по сравнению с постоянной, достигнутой за счет ускоряющего поля, создаваемого напряжением источника питания. Для расчёта скорости можно воспользоваться следующей формулой:

,

Где - амплитуда переменной скорости электронов.

Дальнейшее движение скоростно-модулированного электронного потока в пространстве без поля СВЧ-так называемый дрейф потока - ведет к смещению одних зарядов по отношению к другим. Замедленные электроны отстают, а ускоренные их догоняют. В результате между указанными группами электронов образуется электронное уплотнение, т. е. постоянный по плотности электронный поток получает переменную составляющую.

Коэффициент взаимодействия, электронная нагрузка.

Амплитуда переменной скорости электронов прямо пропорциональна амплитуде переменного напряжения и зависит от угла пролета электронов в зазоре. Эта зависимость определяется коэффициентом, характеризующим связь электронного пучка с резонатором, носящим название коэффициента взаимодействия.

12. Приборы с динамическим управлением о-типа: лампы бегущей и обратной волны. Скоростная модуляция в замедляющей системе, сопротивление связи.

Лампы бегущей и обратной волны относятся к приборам с непрерывным взаимодействием электронного потока с полем (полем бегущей или обратной волны). В приборах бегущей волны направление движения электронного потока совпадает с направление фазовой скорости волны. Такие приборы используют как усилители. В приборах обратной волны взаимодействие электронного потока происходит с волной, распространяющейся в обратном направлении. Приборы обратной волны используют в качестве генераторов.

Рисунок 5. Взаимодействие электронного потока полем бегущей волны

При своем распространении электромагнитная волна в ЗС создает продольное (вдоль направления дрейфа электронного потока) электрическое поле Е_Z, имеющее фазовый сдвиг. Пространственное распределение этого поля вдоль оси z существенно неоднородно. Электронный поток со скоростью Ve, попадая в такое пространственно-периодическое поле, будет испытывать на себе воздействие этого поля подобно колебательной системе, на которую воздействуют серией импульсов. Электронный поток «почувствует» только ту пространственную Фурье-компоненту поля, которая находится в синхронизме с его собственной скоростью. Фазовая и групповая скорости гармоник могут иметь не только разную величину, но и разный знак. Если Vгр>0 направление распространения энергии волны и скорости потока Ve будут совпадать, что характерно для лампы бегущей волны. Если Vгр<0, то направления будут противоположны, что характерно для ламп обратной волны.

При синхронизме электронного потока с одной из пространственных гармоник происходит явление группировки, т.е. в потоке появляется переменная компонента конвекционного тока. Естественно, что эта компонента будет возбуждать в электродинамической системе волну, воздействующую на поток. При противоположном направлении скорости электронов (в лампах обратной волны) и направлении распространения энергии волны электронный поток выступает как своеобразный элемент обратной связи. При некоторых значениях тока луча (достаточного для компенсации потерь в системе) (I_0ПУСК), возможно возникновение генерации СВЧ-колебаний.

11. Приборы с динамическим управлением о-типа с кратковременным взаимодействием: клистроны. Скоростная модуляция в высокочастотном зазоре. Коэффициент взаимодействия, электронная нагрузка.

(просто про приборы О-типа)

Электровакуумными микроволновыми приборами типа «О» называют приборы с динамическим управлением, имеющие прямолинейный электронный поток (луч). Этот поток взаимодействует со стоячими или бегущими электромагнитными волнами. Постоянное магнитное поле в этих приборах если и используется, то только для транспортировки потока и не участвует в процессе взаимодействия. К числу приборов этого типа относятся клистроны, лампы бегущей волны, лампы обратной волны и гибридные приборы.

По характеру взаимодействия пучка и поля различают приборы с дискретным (кратковременным) взаимодействием и приборы с непрерывным (длительным) взаимодействием. К первому типу приборов относятся клистроны, в которых в качестве электродинамической системы применяются резонаторы. Взаимодействие пучка и поля происходит дискретно в узких зазорах взаимодействия резонаторов. Непрерывное взаимодействие реализуется в лампах бегущей и обратной волны, где электронный пучок непрерывно и длительно взаимодействует с полем, имеющим вид бегущей волны. Существуют также гибридные приборы, в которых используются оба типа взаимодействия.

Клистроны

Для усиления СВЧ колебаний средней и большой мощность в сравнительно узкой полосе частот в настоящее время широко используются многорезонаторные усилительные клистроны. Клистроны содержат в своей конструкции следующие основные элементы: устройство управления, состоящее из входного резонатора с элементом связи и промежуточных резонаторов; устройство отбора мощности, представляющее собой выходной резонатор с элементом связи, вспомогательные устройства – магнитная или электростатическая фокусирующая система, коллектор электронов, вакуумная оболочка. На практике устройство формирования электронного потока вместе с фокусирующей системой называют электронно-оптической системой (ЭОС), а систему резонаторов с элементами связи – электродинамической системой (ЭДС) клистрона.

Принцип действия и схема клистрона:

Рассмотрим устройство и принцип действия на примере двухрезонаторного пролетного клистрона:

Рисунок 4. Схема двухрезонаторного клистрона

Входной резонатор прибора возбуждается от внешнего источника, и на его зазоре взаимодействия возникает переменное электрическое поле. Электронный луч, формируемый электронной пушкой, состоящей из катода и анода, поступает в зазор первого резонатора, где он подвергается воздействию переменного электрического поля, что приводит к модуляции скорости электронов. Модулированный по скорости пучок входит в пространство дрейфа, где происходит процесс группирования электронов. Электронный пучок становится неоднородным по плотности, и возникает переменный конвекционный ток в виде последовательности сгустков. Последние, проходя зазор выходного резонатора, возбуждают в нем колебания. Электрическое поле этих колебаний в зазоре резонатора тормозит сгустки электронов, часть кинетической энергии которых передается электромагнитному полю резонатора. С точки зрения теории излучения, под воздействием поля резонатора возникает индуцированное тормозное излучение электронов. Отработавшие электроны улавливаются коллектором.