Материал: konspekt_vpe

36

–ці два процеси розділені не лише в часі, а і в просторі.

Незважаючи на широке застосування генераторів з електростатичним способом керування електронним потоком, їх використання в діапазоні НВЧ неефективно. Це пояснюється тим, що час прольоту електронів в просторі сітка – анод стає більшим за період хвилі НВЧ коливань і це приводить до того, що електрони можуть не лише віддавати свою енергію полю, а, при зміні гальмуючої фази на прискорювальну, віднімати її у нього.

Для оцінки впливу часу прольоту електронів на ефективність використання електровакуумного приладу зазвичай використовують кут прольоту електрона

2 f e .

Якщо кут прольоту не перевищує 0,1 , обмеженням швидкості електронів можна знехтувати. В протилежному випадку ефективність роботи приладу швидко падає із зростанням частоти. Так, швидкість електрона наприкінці його траєкторії біля аноду, при нульовій початковій швидкості визначається як

швидкість електрона складе приблизно 3*105 м/с, а час прольоту електрона e - 10-9 с. Для низьких частот цей час

неістотний, проте на частоті 1 ГГц він дорівнює періоду коливань.

У відмінності від електростатичного способу модуляції по щільності потоку електронів, в динамічному способі НВЧ поле модуляції впливає не на при катодний об‗ємний заряд, збільшуючи або зменшуючи глибину потенційного бар'єру, а тільки на швидкість електронів потоку. При цьому способі відсутні електрони, що повертаються на катод і в більшості випадків знімається принципове обмеження на співвідношення періоду хвилі електромагнітних коливань та часу прольоту електронів в області енергообміну.

Різноманіття типів динамічних способів обумовлене варіаціями напрямів модуляції електронного потоку, тобто напрямком дії електричної і магнітної компонент полів модуляції і напрямку руху електронного потоку (подовжній, поперечний тип і т. д.). Власне кажучи, механізм групування електронів визначає класифікацію приладів. Прилади М- типу мають механізми групування подібний до магнетрона, в якому напрямок вектора електричного поля, що задає початкову швидкість електронів, перпендикулярна напрямку вектора магнітного поля. В приладах О- типу (ЛБВ, клістрон, ЛОВ) електричне та магнітне поля паралельні одне одному.

Важливим в процесі відбору енергії електронів є фазове фокусування, виконання якого забезпечує перенаселеність електронів в гальмуючій фазі поля, яке посилюється – умова передачі кінетичної енергії електронного потоку полю за рахунок гальмування електронів цим же полем . Для цього необхідне виконання ефективного групування електронів по щільності, що і забезпечується пристроями модуляції електронного потоку по швидкості та по щільності.

Існує класифікація типів модуляції за часом дії на електронний потік: модуляція із короткочасною (нетривалою) взаємодією і модуляція із розподіленою (тривалою) взаємодією електронного потоку з НВЧ полем.

Приклад реалізації модуляції електронного потоку при короткочасній взаємодії представлений на рис.1.1. Цей спосіб модуляції застосовується в таких приладах як пролітний клістрон [17, 18].

EНВЧ

ЕП

ve

катод

d

U0

Рисунок 1.1 – Схема реалізації модуляції електронного потоку НВЧ полем при короткочасній взаємодії.

Узагальному випадку, функціонально схему, представлену на рис.1.1, можна розбити на три області.

Перша область – це електронна гармата з електронно-оптичною системою, що забезпечує емісію, формування і прискорення електронного пучка в електростатичному полі, енергія якого перетворюється в кінетичну енергію електронів.

37

Друга область – зазор-модулятор шириною d, в якому відбувається зміна швидкості електронів. Причому необхідне обмеження d< де – довжина хвилі сигналу модуляції.

Третя область – простір групування, в якому відбувається ущільнення згустків електронів по щільності, завдяки модуляції по швидкості залежно від фази поля модуляції (позитивний або негативний приріст швидкостей) Згустки формуються навколо нульових електронів, які проходять модулятор в нульову фазу НВЧ коливань поля. Довжину простору групування вибирають згідно умови максимальної глибини модуляції електронного потоку по щільності.

Хоча при короткочасній модуляції умова d< реалізується легше, ніж в пристроях електростатичного керування, але при зменшенні довжини хвилі модуляції виникають труднощі із точністю виготовлення і юстируванням таких модуляторів. Крім того із зменшенням довжини зазору, або збільшенні початкової швидкості, зменшується час дії поля на електрони, що погіршує глибину модуляції. Ці недоліки знімаються при використанні пристроїв формуючих електронний потік з тривалою взаємодією електронів і НВЧ поля .

Схема модуляції електронного потоку з тривалою взаємодією поля і електронів представлена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Схема модуляції ЕП при тривалій взаємодії поля і електронного потоку

Рівномірний електронний потік рухається спільно з електромагнітною хвилею, що біжить. Важливим є досягнення умови фокусування по швидкості - рівності фазової швидкості хвилі, що біжить (vф) і швидкості електронного потоку (vе). Ця умова досягається при використанні уповільнюючих систем. При виконанні фокусування по швидкості електромагнітну хвилю і електрони можна представити взаємно нерухомими і в системі відліку електрона на нього діє майже постійне електростатичне поле. Електрони, що знаходяться в гальмівній фазі електромагнітного поля отримують негативний приріст швидкості, а електрони, які знаходяться в фазі прискорення, – отримують позитивний приріст швидкості. Як і в способі групування з короткочасною взаємодією, максимальна щільність електронів в пучку формується довкола електронів, що знаходяться в нульовій фазі хвилі. Відмінність і переваги в порівнянні з нетривалою взаємодією є те, що простір взаємодії і простір модуляції поєднані, знімаються складнощі довжиною зазору і збільшується час модуляції електронного пучка.

Відбір енергії від модульованого по щільності ЕП до поля хвилі, що посилюється здійснюється аналогічними, а інколи і тими пристроями (відбивні клістрони, ЛЗХ, ЛБХ), якими і проводилася модуляція. Виняток становлять гібридні прилади, в яких для підвищення ККД і збільшення ширини робочої смуги частот поєднуються два способи перетворення енергії: короткочасний і тривалий. Прикладом такого приладу може служити твістрон – поєднання пролітного мультирезонаторного клістрона і лампи хвилі, що біжить .

Уприладах із короткочасною взаємодією передача кінетичної енергії електронів в енергію змінного електромагнітного поля відбувається при проходженні зазору резонатора, в якому збуджуються коливання потрібної частоти (клістрон).

Убільшості приладів із тривалою взаємодією хвиля модуляції є хвилею, що посилюється. Для виконання умови фазової умови фокусування в приладах з розподіленою взаємодією швидкість електронного потоку роблять ненабагато більшою за фазову швидкість хвилі взаємодії.

38

У випадку використання релятивістських потоків електронів, ефективність подовжнього групування електронів по швидкості зменшується бо на зміну швидкості релятивістських електронів потрібно затратити значно більшу енергію, ніж нерелятивістських. Тому доцільним стає використання не подовжнього, а поперечного групування по швидкості та по щільності електронів, відносно руху всього електронного потоку. Зразком приладу з такою взаємодією може бути мазер на циклотронному резонансі (МЦР) або гіротрон , в якому електрони обертаються в постійному магнітному полі разом із циркулярно-поляризованою електромагнітною хвилею. На рис 1.3 показана схема енергообміну в МЦР.

В

А

Рисунок 1.3– Схема енергообміну в МЦР Напрям руху спіралеподібного, рівномірного по щільності електронного потоку і електромагнітної хвилі

збігаються з силовими лініями магнітного поля, а – циклічна частота обертання вектора поляризації електромагнітної хвилі. Циклотронна частота обертання електронів визначається як

де е і m -заряд і маса електрона; В- циклотронна частота обертання електрона; В - модуль вектора

магнітної індукції; - релятивістський чинник; с - швидкість світла.

Над електронами ділянки АвВ хвиля здійснює позитивну роботу, а на ділянці АаВ – негативну. У результаті згустки електронів формуються в районі точки А, за умови що В / = . Сумарна робота поля в цьому випадку дорівнює 0. Енергообмін можливий у разі коли циклотронна частота не дорівнює частоті електромагнітного поля. При В / ≥ згусток поступово зміщується в гальмівну фазу поля, виконується умова фазового фокусування і електрони передадуть хвилі частку своєї кінетичної енергії. Електромагнітна хвиля посилиться, або виникне вимушене циклотронне випромінювання (магнітно-гальмівне, яке лежить в основі роботи гиротрона).

1.2. Основні параметри приладів НВЧ

До основних параметрів відносять коефіцієнт посилення, вихідну потужність, ККД, смугу пропускання, шумові характеристики вихідну потужність, ККД, діапазон перебудови частоти, характеристики стабільності генерації.

Коефіцієнт посилення визначається відношенням вихідної потужності Рвих до вхідної Рвх. Зазвичай цю величину визначають в децибелах:

Ширина смуги пропускання ∆f визначається добротністю резонаторів для резонансних підсилювачів і смугою пропускання систем уповільнення хвилі, узгодженої із зовнішніми лініями передачі, для нерезонансних підсилювачів. Зазвичай ширина смуги пропускання вимірюється по рівню половинного значення вихідної потужності від максимального значення в смузі пропускання. Вона може бути вказана також у відсотках, тобто

40

Між резонаторами розташовується труба дрейфу, в якій відбувається групування і модуляція по щільності промодульованого за швидкістю електронного пучка. Металева труба дрейфу екранує простір дрейфу від зовнішніх електричних полів. На робочій частоті труба дрейфу має властивості позамежного хвилеводу і перешкоджає встановленню зворотного зв'язку між виходом і входом клістрона.

Максимально досяжна глибина модуляції в дворезонаторному клістроні обмежена явищем електростатичного розштовхування електронів в пучці. Використовуючи три і більше резонаторів з незначним роз‗юстуванням можна добитися значного збільшення глибини модуляції пучка по щільності і тим самим збільшити посилення, ККД і смугу робочих частот клістрона.

Рисунок 2. Трирезонаторний пролітний клістрон великої потужності:

1- катод; 2, 3, 4 - вхідний, проміжний і вихідний резонатори; 5 - колектор; 6 - прольотні труби; 7 - вихідне вікно; 8 -

механізм налаштування; 9 - керамічна труба; 10 - вхідне вікно.

На рис.2 наведена загальна схема трирезонаторного пролітного клістрона. Вихідний резонатор завжди налаштовується на частоту вихідного сигналу. Якщо клістрон підсилювальний, то частоти налаштування вхідного і вихідного резонаторів однакові. У клістронах помножувачів частоти вихідний резонатор налаштовується на

частоту заданої гармоніки вхідного сигналу.

Щоб клістрон працював в режимі генератора із самозбудженням, створюється внутрішній або зовнішній ланцюг зворотного зв'язку. Зовнішній ланцюг зворотного зв'язку зазвичай складається із пристрою зміщення фази коливань для створення умов балансу фаз і атенюатора, для підбору балансу амплітуд. У ланцюг зворотного зв'язку часто включається резонатор, налаштований на робочу частоту клістрона, який сприяє підвищенню

стабільності частоти сигналу, що генерується.

Розглянемо основні параметри і характеристики пролітних клістронів.

Коефіцієнт посилення дворезонаторного клістрона порядку 10... 15 дБ. Приблизний максимальний коефіцієнт посилення (у децибелах) для N – резонаторного клістрона

Отримати коефіцієнт посилення багаторезонаторного клістрона більше 60 дБ важко із-за паразитних зворотних зв'язків і самозбудження коливань.

На рис.3а приведена амплітудна характеристика клістрона, з якої видно, що при малих сигналах (область

1), клістрон є лінійним пристроєм, в області II настає насичення, коефіцієнт посилення зменшується (рис. 3б), а

вихідна потужність продовжує зростати.