Лекция 5. Отбор энергии от электронного потока

Лекция 5. Отбор энергии от электронного потокаКонечной целью работы электровакуумных приборов СВЧ являетсяпреобразование энергии постоянного тока в высокочастотную энергию.Поэтому на этой лекции рассмотрим механизм отбора высокочастотнойэнергии от электронного потока и условия, при которых может бытьдостигнуто наиболее полное превращение энергии.а. Отбор энергии от одиночного электронаРассмотрим снова двухсеточный зазор, в который поступает точечныйзаряд (электрон) или короткий электронный сгусток.Если две сетки зазора соединены между собой накоротко, как показанона рис.1, то мощность, выделяющаяся во внешней цепи, равна нулю. Иначеобстоит дело, если между электродами зазора включено активноесопротивление .

В этом сопротивлении рассеивается мощность,обусловленная протеканием наведенного тока.Рис.1. Отбор энергии от электронов в плоском зазоре. Знаками + и –обозначена полярность напряжения, созданного на сопротивлении R врезультате протекания наведенного токаПоскольку наведенный ток течет только во время движения электронав зазоре, рассеивание мощности во внешнем сопротивлении R. Происходитдо момента удара электрона о вторую сетку или до момента выходаэлектрона из зазора. Если электрон оседает на вторую сетку, то это неоказывает никакого влияния на отбор энергии, а только приводит к еенагреванию.Процесс отбора энергии объясняется следующим образом. Наведенныйток, проходя по внешнему сопротивлению , создает на нем падениенапряжения с полярностью противоположную движению электрона, т.е.электрод, к которому движется электрон, оказывается под отрицательнымпотенциалом.

В результате внутри зазора создается тормозящееэлектрическое поле.Скорость электрона по мере движения в тормозящем поле уменьшается, врезультате чего кинетическая энергия электрона на выходе из зазорастановится меньше, чем на входе. Разность между этими значениямикинетической энергии электрона равна энергии, отданной во внешнюю цепьи рассеянной на сопротивлении . Оставшаяся кинетическая энергияэлектрона рассеивается на другой сетке или другом электроде (коллекторе),находящемся позади зазора.Аналогичные процессы происходят и при прохождении короткогосгустка электронов.Наибольшая величина наведенного тока достигается приколлинеарности векторов и , и, следовательно, для полного отбораэнергии от электрона его следует пропускать вдоль силовых линийэлектрического поля.Таким образом, на основании проведенных рассуждений можносделать вывод, что энергия передается во внешнюю цепь в процесседвижения электронов в продольном тормозящем электрическом поле.В результате в приборах СВЧ возможно разделение функцийэлектродов ламп и создание электродов, служащих для отбора энергии отэлектронов и для передачи ее во внешнюю цепь, и электродов,приспособленных для собирания отработанных электронов и рассеиваниянеиспользованной части их энергии.В диапазоне СВЧ вместо сосредоточенного активного сопротивленияR, показанного на рисунке, может быть использован полый резонатор,обладающий чисто активным сопротивлением, равным обратной величинеактивной проводимости , только на дискретных частотах собственныхрезонансов.

Естественным решением является конструктивное объединениезазора, пересекаемого электронным потоком, с полым резонатором, который,в свою очередь, соединяется с нагрузкой.б. Отбор энергии от модулированного электронного потока.Идеальная форма кривой конвекционного тока.Если пропустить через зазор одиночный электрон или один короткийэлектронный сгусток, то колебания, возбуждающие ударом в резонаторе,будут затухающими. Подавая в резонатор модулированный по плотностиэлектронный поток, т.

е. периодически следующие друг за другом сгусткиэлектронов, можно компенсировать потери в резонаторе и получить вустановившемся режиме незатухающие колебания. Условием отдачи энергииздесь также будет прохождение каждого сгустка через зазор при тормозящемэлектрическом поле.При рассмотрении с качественной точки зрения оптимальной формыэлектронных сгустков, т.е. при каком законе изменения конвекционного токаво времени будет достигнута максимальная мощность в нагрузке,ограничимся случаем, когда время пролета электрона много меньше периодаколебаний. Постоянное электрическое поле в зазоре при этом положимравным нулю, а начальная скорость электронов будет одинаковой и равной.На рис. (2.12) построены графики высокочастотного напряжения назазоре резонатора синусоидальной формы и произвольной формыпериодической функции конвекционного тока электронного пучка приравенстве частоты следования сгустков и частоты колебаний в резонаторе.Форма волны напряжения принята синусоидальной, что соответствуетколебаниям в высокодобротном полом резонаторе на одном из видовколебаний.Рис.2.

Отбор энергии от модулированного электронного потока. Идеальнаяформа кривой конвекционного тока (∆ ≪ /2)Амплитуда напряженияне может превышать постоянногонапряжения , соответствующего скорости электронов при входе в зазор,т.к. та часть электронов, которая поступает в зазор при наибольшемтормозящем поле, не сможет пройти зазор и будет отброшена обратно. Впредельном случае, при= , электроны, проходящие зазор примаксимальном тормозящем поле, полностью отдают свою энергию иостанавливаются как раз в плоскости второй сетки.Для достижения высокого КПД необходимо, чтобы количествоэлектронов, проходящих через зазор в моменты ускоряющего электрическогополя, было значительно меньше, чем в моменты тормозящего поля.

Такжежелательно, чтобы электроны проходили зазор при возможно сильномтормозящем поле. Отсюда можно заключить, что наиболее полный отборэнергии обеспечивается при пропускании электронов через зазор оченькороткими прямоугольными сгустками в моменты максимальноготормозящего электрического поля.При длительности импульсов конвекционного тока много меньшеполовины периода колебаний, т.е. ∆ ≪ /2, электрическое поле в зазореостается практически неизменным за время прохождения сгустка. Этоозначает, что при=вся кинетическая энергия электронных сгустковбудет полностью преобразована в энергию СВЧ колебаний, и КПДэлектронного прибора без учета потерь в колебательной системе будетприближаться к 100%.Период ВЧ напряжения на зазоре может не только равняться периодуследования электронных сгустков, но и быть кратным этому периоду. Чтоозначает, что импульсы конвекционного тока могут поступать не в каждыйтормозящий полупериод, но каждый раз полностью отдавать своюкинетическую энергию.

В этом случае будет соответствовать работеэлектронного умножителя частоты, в отличие от рассмотренного вышережима генератора или усилителя.На практике обычно не удается осуществить идеальную формуконвекционного тока. Также не трудно видеть, что для выполнения условия∆ ≪ /2 необходимо, чтобы протяженность каждого сгустка была многоменьше протяженности половины рабочей длины волны в свободномпространстве , что ограничивает возможности создания генераторов иусилителей для наиболее коротковолновой части СВЧ диапазона.в.

Применение резонансных колебательных систем для отбораэнергии от электроновУсилители и генераторы СВЧ должны иметь устройство, через котороеосуществляется связь лампы с внешней нагрузкой и обеспечивается отбор ВЧэнергии от электронного потока. Такое устройство можно назвать выходным.В электронных приборах, работающих на сравнительно низкихчастотах, отбор колебательной энергии и рассеивание в виде теплаизбыточной кинетической энергии электронов осуществляется прииспользовании одного и того же электрода – анода.На СВЧ функции выходного устройства могут успешно выполнятьсятремя электродами: рассматривавшимся выше двухсеточным зазором,входящим в состав полого резонатора, и коллектором, расположеннымпозади зазора.Эквивалентная схема зазора с полым резонатором, возбужденным наодном из видов колебаний, показана рис.3.Рис.3. Полый резонатор, служащий для отбора энергии от модулированногоэлектронного потока, и его эквивалентная схемаАктивная проводимость полн включает в себя эквивалентную активнуюпроводимость собственно резонатора и эквивалентную активнуюпроводимость нагрузки.

Реактивная проводимость резонаторавблизирезонанса линейно связана с частотой и определяется через нагруженнуюдобротность нагр следующим образом:нагр==22полннагр полн! − 1$,(5.1)где – резонансная частота, ачастоте наведенного тока.– частота вынужденных колебаний, равнаяНаведенный ток, поступающий в резонатор из зазора, определяетсяконвекционным током пучка. В общем случае конвекционный и наведенныйтоки могут иметь резко несинусоидальный характер. Тем не менее, прииспользовании полого резонатора достаточно рассматривать лишь однугармонику наведенного тока, имеющую частоту , близкую к резонанснойчастоте , т.к.

для токов всех других гармоник полый резонаторпредставляет собой короткое замыкание. Отбор энергии происходит толькона одной частоте.Высокочастотная мощность &, поступающая в активную проводимостьполн , может быть определена из соотношения&=12полн ,'– амплитуда высокочастотного напряжения рассматриваемойгдечастоты.≤Приже частоты )величинасвязана с амплитудой наведенного тока той=*)'полн+'Таким образом, мощность, отбираемая от электронного потока, равна,& = )''-полн.-полн/0 .(5.2)Уравнения (5.1) – (5,2) позволяют сделать вывод, что максимуммощности достигается при = 0, т.е. при точной настройке резонатора нарассматриваемую гармонику тока. К этому же выводу можно прийтирассматривая фазу ВЧ напряжения на зазоре, т.