Лекция 1. Особенности электровакуумных приборов сверхвысоких частот, страница 2

Т.к. для повышения резонансной частоты колебательной цепинеобходимо уменьшать ее индуктивности и емкости, то уже в метровомдиапазоне они становятся соизмеримыми с индуктивностями вводов имежэлектродными емкостями электронных ламп, что приводит к искажениямсигналов.Одним из путей преодоления отмеченных затруднений являлисьминиатюризация и микроминиатюризация электронных ламп. Однако этотпуть не обеспечивает возможность получения достаточно большихмощностей в СВЧ диапазоне из-за ограничений, связанных с вероятностьювозникновения высоковольтных пробоев в межэлектродных промежуткахтаких электронных ламп и невозможности прикладывания к электродамзначительных напряжений, измеряемых в киловольтах, и пропусканиябольших токов, что приводило к разрушению приборов.В результате специфические особенности техники СВЧ привели ктому, что возник новый класс электровакуумных приборов —электровакуумные приборы СВЧ (ЭВП СВЧ), хотя еще длительное время ваппаратуре применялись специальные коротковолновые триоды и тетроды.Современный электровакуумный СВЧ прибор, как правило, включает всебя всю колебательную систему и другие элементы, функции которых ранееотносились к классической радиотехнике.

Поэтому раздельное рассмотрение«лампы» как таковой и «схемы»», существующей независимо отособенностей «лампы», на СВЧ оказывается совершенно неприемлемым, и,следовательно, при создании электровакуумных приборов СВЧ требуютсязнания не только в области физической электроники и электровакуумнойтехнологии, но и в области волноводов, резонаторов, замедляющих систем идругих элементов техники СВЧ.В создание ЭВП СВЧ были заложены ряд основных идей, которые витоге привели к появлению основных классов приборов:1. Модуляция электронов по скорости и группирование электронов впространстве дрейфа.Поскольку большое время пролета электронов, которое, как говорилосьвыше, во многих случаях значительно превышает период колебаний в СВЧдиапазоне, что сводило на нет преимущества «статического» способауправления электронным потоком, когда управляющий электродвоздействует непосредственно на пространственный заряд электронногооблака, создаваемого катодом, то для сведения к минимуму влиянияинерционности электронов было предложено использовать их скоростнуюмодуляцию.

Идея заключалась в том, что необходимо разделить процессскоростной модуляции потока электронов, которая осуществляласьэлектромагнитным полем в узком зазоре объемного резонатора, и процессагруппирования, который осуществлялся в пространстве дрейфа, свободнымот каких-либо высокочастотных полей. В результате группировки в потокевозникают электронные уплотнения, т. н. сгустки, с частотоймодулирующего напряжения.

Применение такого динамического способауправления электронным потоком привело к возникновению нового классаприборов — пролетных клистронов.2. Взаимодействие высокочастотных электромагнитных полей сэлектронами, движущимися в скрещенных статических электрических имагнитных полях.На этом принципе работает магнетрон, который является одним изпервых электровакуумных приборов СВЧ нашедших наиболее широкоепрактическое применение.

Во время второй мировой войны и после неемагнетрон стал основой радиолокационных станций.3. Взаимодействие электронного потока с бегущей прямойэлектромагнитной волной.Если в электровакуумных приборах, предназначенных для работы вСВЧ диапазоне, невозможно обеспечить малое время пролета электронов,чтобы поле за время его пролета не изменялось, тогда пусть «... поле,движется вместе с электронами». Если фазовая скорость электромагнитнойволны будет близка к скорости электронного потока, что можно добитьсяпутем замедления волны в замедляющих системах, то при определенныхусловиях можно получить усиление электромагнитной волны.Применение этого принципа позволило Рудольфу Компфнеру в 1943 г.создать новый СВЧ прибор — лампу бегущей волны или ЛБВ.4.

Взаимодействие электронного потока с бегущей обратнойэлектромагнитной волной.В этом случае электронный пучок, как и в предыдущем, находится всинхронизме с замедленной электромагнитной волной, котораяхарактеризуется фазовой и групповой скоростью, однако групповая скоростьволны направлена навстречу пучку.Этот принцип использован при создании ламп обратной волны илиЛОВ.Конечной целью работы подавляющего большинства ЭВП СВЧ, в том числевсех генераторных и усилительных приборов, является преобразованиеэнергии постоянного тока в высокочастотную энергию.

В общем случаепроцесс преобразования энергии в ЭВП СВЧ в отличие от низкочастотнойэлектроники можно представить следующим образом в соответствии супрощенной блок-схемой, приведенной на рис.8. Электронный поток,эмитируемый катодом К, ускоряется с помощью источника ускоряющегонапряжения, приложенного к электроду А и поступает в группирующееустройство. Назначение группирующего устройства – модуляцияконвекционного тока пучка по плотности, т.е.

создание периодическиследующих друг за другом электронных сгустков. Эти сгустки, проходя вдальнейшем через выходное устройство, наводят в немсверхвысокочастотный ток и, попадая в тормозящую фазу поля,создаваемого этим током, отдают ему часть своей энергии. Отработанныеэлектроны попадают на коллектор, где рассеивают в виде тепла оставшуюсяу них кинетическую энергию.

Модуляция электронного пучка и передачаэнергии от электронов СВЧ полю может проходить как в зазоре резонаторов,так и на большом протяжении замедляющей системы. Поэтому электронныеприборы, использующие отрезки замедляющих систем, относятся к классуприборов с длительным взаимодействием. Одним из типичныхпредставителем ЭВП СВЧ с длительным взаимодействием является лампабегущей волны (ЛБВ).Рис.8. Принципиальная схема усилительных и генераторных приборов,использующих длительное взаимодействие электронов с полем в выходномустройстве1 – управляющее (группирующее) устройство; 2 – выходная замедляющаясистема; 3 – коллектор; 4 – цепь обратной связи.Некоторые современные сверхвысокочастотные приборы, напримерпролетные клистроны, непосредственно воспроизводить своим устройствомприведенную схему.

Другие, как магнетрон, заметно отличаться от нее, но итам можно выделить все основные процессы – ускорение электронов,модуляция потока по плотности и отбор энергии за счет взаимодействияэлектронных сгустков с тормозящим полем СВЧ.Электровакуумные СВЧ приборы по принципу действия подразделяются надва типа:1. приборы О-типа, в которых магнитное поле, служащее только дляфокусировки электронного пучка, направлено вдоль оси прибора. Ктаким приборам относятся клистроны, лампы прямой и обратнойволны О-типа;2.

приборы М-типа, в которых постоянное магнитное поле направленоперпендикулярно электрическому полю, и электроны в них движутся вскрещенных постоянных магнитном и электрическом полях. К такимприборам в первую очередь относятся магнетроны, амплитроны.Электровакуумные приборы по режиму работы также подразделяются наприборы непрерывного и импульсного действия.

Приборы импульсногодействия, в которых происходит импульсное управление током с помощьюспециального электрода, обычно могут обеспечивать более высокуювыходную импульсную мощность, нежели приборы непрерывного действия.В дальнейшем мы на следующих лекциях этого курса мы подробнееразберем принцип работы, особенности и основные параметрывышеупомянутых электровакуумных приборов СВЧ..