Лекция 6. Методы управления электронными потоками в приборах СВЧ

Лекция 6. Методы управления электронными потоками в приборах СВЧУправляющее устройство, изображенное на принципиальной схемеусилительных и генераторных СВЧ приборов, которая приводилась напервой лекции должно в простейшем случае выполнять функции мгновеннодействующего затвора, вырезающего из равномерного электронного потокасгустки, следующие с требуемой сверхвысокой частотой.Рис.6.1. Принципиальная схема усилительных и генераторных приборов СВЧ1 – управляющее (группирующее) устройствоИдеальной формой конвекционного тока, создаваемого управляющимустройством, с точки зрения эффективного отбора энергии являютсякороткие прямоугольные импульсы.Для получения переменной составляющей конвекционногоэлектронного тока в электронных лампах, работающих на низких и умеренновысоких частотах, обычно применяют метод статического управления спомощью сеток, находящихся под отрицательным потенциаломотносительно катода (рис.6.2).Рис.6.2.

Электростатическое управление электронным потоком в триодеПо существу все приемо-усилительные и генераторные лампыобычных типов используют этот метод управления электронным потоком.На рис.6.3 приведен метод определения тока в цепи аноданизкочастотного ЭВП, работающего при отрицательном напряжении, используя кусочно-линейную аппроксимацию вольтсмещения на сеткеамперной характеристики прибора.Рис.6.3. Использование вольт-амперной характеристики ЭВП дляопределения анодного тока в режиме отсечки.При синусоидальном возбуждении анодный ток имеет форму импульсов соснованием 2 , где – угол отсечки, определяемый по формуле=−В зависимости от величины постоянного напряжения смещения иамплитуды переменного напряженияконвекционный электронный ток ,поступающий в пространство сетка-анод, при низких частотах изменяется вовремени как показано рис.

6.4. В режиме больших амплитуд переменногонапряжения, поступающего на сетку, метод электростатического управленияпозволяет получить импульсы конвекционного тока в виде отсечения снизуучастков синусоиды. Уменьшая угол отсечки путем увеличениянапряжения сеточного смещенияи повышения амплитуды переменногонапряжения , можно получить весьма короткие сгустки электронов.Рис.6.4. Конвекционный ток при электростатическом управлении в режимемалых (а) и больших (б) амплитуд управляющего напряжения.Наиболее характерной особенностью электростатического управленияпри низких частотах является практически нулевое потребление мощности отисточника управляющего напряжения, если электроны не оседают науправляющей сетке.

Однако на СВЧ управление с помощью отрицательнойсетки начинает требовать затрат конечной мощности, быстро возрастающей сростом частоты. При этом основным фактором, ухудшающим управляющеедействие сетки, является конечный угол пролета электронов в пространствемежду катодом и сеткой.Кроме того, слабым местом управлением с помощью обычной сетки являетсяи то, что последняя непосредственно создает модуляцию конвекционноготока. Это неизбежно приводит в каждый момент времени к неодинаковойплотности заряда по обе стороны сетки и как результат к наведению тока вцепи сетки, равного =− , имеющего активную составляющую.

Этосоответствует появлению активной составляющей входной проводимостисетка – катод вх = / , приводящая к отбору энергии от входногоисточника, которая для триода пропорциональна произведению крутизнывольт-амперной характеристики по управляющей сетке и второй степениугла пролета промежутка катод-сетка ксвх≈(кс )Т.к. с ростом частоты при прочих равных условиях возрастает угол пролетаэлектронами зазора катод-сетка, что, в свою очередь, приводит к резкомуувеличению активной проводимости зазора, то, соответственно, происходитзначительный рост потерь во входной цепи прибора. В результате наличияэтого негативного эффекта происходит ограничение примененияэлектростатического управления в лампах СВЧ.Поэтому для исключения этого негативно факта в ЭВП СВЧ необходимополностью отказаться от принципа управления током путем измененияплотности заряда.Недостатки электростатического управления побудили к поискам другихсистем, в которых время пролета не играло бы отрицательной роли, а повозможности использовалось бы для модуляции электронного потока поплотности.

Такое управление, использующее конечное время пролетаэлектронов, принято называть динамическим управлением.В конечном счете, от управляющего устройства требуется, чтобы внекоторой плоскости, соответствующей выходному устройству лампы,конвекционный ток изменялся бы по законуконв=+ ( ),где ( ) – периодическая функция времени, аконвекционного тока.– постоянная составляющаяПоскольку переменная составляющая конвекционного тока ( ) необязательно должна создаваться в самом управляющем устройстве, тонаиболее целесообразно применять такое воздействие на электронный поток,чтобы электроны, двигаясь между управляющим и выходным устройствами,постепенно группировались, образуя сгустки как на входе в выходноеустройство.

При этом плотность заряда на выходе из управляющегоустройства могла бы не изменяться, что важно для устранения активнойвходной проводимости.На рис. 6.5 построена гипотетическая пространственно-временная диаграммадвижения электронов, выведших из управляющего устройства через равныепромежутки времени в моменты , , " и т.д. Для того чтобы эти электроныобразовали сгустки и одновременно попали в выходное устройство,необходимо, чтобы графики движения рассматриваемых электроновпересекались в точке с координатами (#вых , вых ). На пересечение графиковдвижения возможно лишь при различных величинах производной %#/% , т.е.при различных скоростях рассматриваемых электронов.Рис.6.5.

Пространственно-временная диаграмма группирования электронов,выходящих из управляющего устройства в разные моменты времени, ноодновременно поступающих в выходное устройствоПроведенное рассуждение содержит в себе важнейший вывод о возможностидинамического управления электронным потоком путем предварительногопериодического изменения скоростей электронов с последующимпреобразования этого изменения в модуляцию конвекционного тока. Такоепериодическое изменение скорости электронов, производимое в специальномуправляющем устройстве, получило название модуляции электронногопотока по скорости или, сокращенно, скоростной модуляции.Таким образом, в случае динамического управления электронным потоком,пример которого приведен на рис., полезно используется время пролетаэлектронов в пространстве между управляющим и выходным устройствами.Следует сказать, что скоростная модуляция электронов за счетдинамического управления электронными потоками лежит в основе работыбольшинства электровакуумных приборов СВЧ:1.

кратковременное воздействие модулирующего высокочастотногонапряжения – клистроны пролетные, отражательные);2. длительное воздействие модулирующего высокочастотногонапряжения – лампы бегущей и обратной волны.Тем не менее, несмотря на указанные недостатки, статическое управлениеэлектронными потоками с помощью сеток также нашло широкое применениепри создании электровакуумных приборов СВЧ импульсного действия. Втаких приборах на его управляющую сетку, расположенную вблизи катода,поступает модулирующее напряжение значительно более низкой частоты посравнению с СВЧ сигналом, генерируемым или усиливающим этимприбором. В результате этого в управляющее устройство лампы поступает ненепрерывный электронный поток, а импульсный, т.е.

в виде отдельных пачекэлектронов, который здесь подвергается скоростной модуляции..