Семинары: Готовый семинар

Распознанный текст из изображения:

а)

больше энергии, чем тот тратит ее на изменение скорости однородного потока.

Механизм возникновения колебаний в клистроне такой же, как в любом автогенераторе. Первичный импульс тока при включении прибора или всякое другое нарушение стационарного состояния приводит к появлению слабых колебаний в резонаторе. Последние модулируют логок ло скорости. ~В нем аоявляются сгустки, которые с частотой модуляции воздействуют на резонатор. Благодаря отмеченным выше усилительным свойствам прибора колебания в резонаторе нарастают. Амплитуда колебаний постепенно устанавливается вследствие роста потерь в резонаторе и изза того, что при большом напряжении на нем увеличивающаяся модуляция потока по скорости приводит к неодновременному возвращению электронов в резонатор, т. е. к ухудшению группировки потока.

Интересной особенностью отражательных клистронов является возможность изменения частоты генерируемых колебаний электрическим путем — изменением напряжения на отражателе. Поясним физическую сущность этого процесса. Допустим, что сгустки возвращающихся электронов г проходят резонатор во время действия на нем максимального тормозящего поля (рис.

10.48,а). Взаимодействие этого поля с потоком носит чисто активный ха~рактер. Это означает, что первая гармоника тока электронного пучка ~1 проходит резонатор в противофазе с действующим на нем напряжением ир. Если изменить напряжение на отражателе, то время прихода сгустков к резонатору изменится. Они уже не будут проходить резонатор точно в максимально тормозящей фазе 1рис. 10.48, б), а это приведет к тому, что и первая гармоника тока пучка сдвинется во времени. Значит, появится сдвиг фаз между ней и напряжением на резонаторе, т. е. помимо активного взаимодействия возникнет и реактивное. Ре-

30.9. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН

В клистроне для получения скоростной модуляции на электроны оказывает кратковременное, но относительно сильное воздействие поле резонатора. Тот же эффект может быть получен, когда на электроны будет действовать поле во много раз меньше, если во столько же раз увеличить время его

Рис. 10.48. Возникновение электронной перестройки в отражательном клистроне

активное взаимодействие приведет к изменению собственной частоты резонатора, а последнее, в свою очередь, вызовет изменение частоты генерации, пока взаимодействие опять не станет активным. Такое явление получило название эл е кт р о н н ой п е р ест р о йк и г е н е р а т о р а. У отражательных клистронов относительная электронная перестройка обычно не превышает нескольких процентов.

С укорочением волны приходится уменьшать размеры резонаторов. При этом во избежание электрического пробоя необходимо ограничивать амплитуду напряжения на них, что приводит, конечно, к уменьшению генерируемой мощности. Вместе с тем время пролета электронами пространства между сетками резонатора становится соизмеримым с периодом колебаний, а это приводит к тем последствиям, с которыми мы уже сталкивались в ламповых генераторах, т. е. к необходимости увеличения мощ~ности возбуждения, к ухудшению эффективности взаимодействия потока с полем и к падению усиления Поиски иных способов осуществления энергетического взаимодействия потока с полем колебательных систем привели к созданию обширного класса генераторов бегущих волн.

воздействия. То же можно сказать и о взаимодействии сгруппированного потока с полем выходной колебательной системы.

Эти соображения кладутся в основу создания мощных генераторов очень коротких волн и решения важной проблемы разработки генератора с боль-

249

Распознанный текст из изображения:

Ускпуяаи~ее Тсрмсзяаее

юие пюю

1 О

! !

1 О

Рис. 10.49. Взаимодействие бегущей волны с электронным пото-

ком:

а — при равенстве скоростей потока и волны; б — при скоро-

сти потока, немного превышающей скорость волны

шой полосой электронной перестройки. Последняя задача не могла быть решена с помощью клистронов, поскольку их колебательная система образуется высокодобротными узкополосными резонаторами. Очевидно, что ее решение следует искать в применении широкополосных или, еще лучше, а периодических (нерезонансных) электромапнитных систем. Как в тех, так и в других поля много слабее полей высокодобротных резонаторов.

Из гл. 5 нам известно, что идеально широкополосной апериодической системой является согласованная на конце линия передачи, вдоль которой распространяются бегущие волны. Если вдоль линии, в которой слабый входной сигнал возбудил бегущую волну, пропускать поток электронов, движущийся в том же направлении и с той же скоростью, что и волна, то одни электроны будут на протяжении всего полета находиться в тормозящем, а другие— в ее ускоряющем поле. Это приведет к скоростной модуляции потока, и на некотором расстоянии от входа все электроны, как в клистроне, соберутся в сгустки около невозмущенных электронов.

Однако при этом не появится возможность передачи электронами энергии полю волны, потому что сгустки все время будут лететь в ее нулевом поле (рис. 10.49,а). Положение будет иным, если скорость потока о, хотя и мало отличается от фазовой скорости волны о, но несколько превышает ее. В этом случае, как и раньше, из-за малой разности скоростей часть электронов бу-

дет лететь относительно долго в тормозящем, а часть — в ускоряющем поле. Произойдет скоростная модуляция потока и образование сгустков около не- возмущенных электронов. Но постепенно эти сгустки, опережая волну, попадут в ее тормозящее поле (рис. 10.49,б). И опять-таки из-за малой разности скоростей они значительное время будут находиться в тормозящем поле волны, отдавая ей свою энергию. Когда сгустки начнут переходить в ускоряющее поле, они будут отбирать энергию у волны. Поэтому и существует некоторая опгимальная длина системы, зависящая от разности скоростей потока и волны и от частоты.

Вы можете сказать, что идея понятна, но на пути ее осуществления лежат принципиальные трудности. Во-первых, вдоль воздушных линий электромагнитные волны распространяются практически со скоростью света, а электроны, как установила теория относительности, не могут двигаться с большей скоростью. Во-вторых, из гл. 5 мы знаем, что электрическое поле линий перпендикулярно направлению распространения волны, поэтому оно и не может взаимодействовать с электронами, летящими вдоль проводов.

Все это, безусловно, справедливо. И можно даже добавить, что если бы взаимодействие происходило даже при скорости электронов, несколько меньшей скорости света, то и тогда возникли бы огромные трудности, связанные с использованием напряжений в сотни тысяч вольт, необходимых для придания электронам столь большой скоро-

Распознанный текст из изображения:

сти. Следовательно, нужно применить такие линии, в которых, во-(первых, скорость распространения электромагнитных волн была бы много меньше скорости света, т. е. создать системы, замедляющие скорость волн, и, во-вторых, электрическое поле волны должно иметь в них продольную составляющую.

Роль таких замедляющих систем могут играть, например, коаксиальные линии, в которых средний провод свит в спираль (рис. 10.50). Несколько упро-

Коаксиальная замедляющая

Рис. 10.50. спиральная система

щенно появление нужных нам свойств у такой линии можно понять, представив, что волна обегает витки спирали. При этом ее распространение в направлении оси спирали замедляется (практически можно получить «замедление» до 10 раз). Обежав виток, волна изменяет свою фазу, вследствие чего между соседними витками создается разность потенциалов, что приводит к появлению в поле волны составляющей, направленной вдоль оси спирали. Эта составляющая и будет воздействовать на поток.

Теперь уже нетрудно представить конструкцию лампы бегущей волн ы (сокращенно ЛБВ) (рис. 10.51). В левой стороне баллона лампы разме-

щается электронный прожектор. По волноводу или фидеру на вход спирали подается усиливаемый сигнал, возбуждающий бегущую волну в замедляющей линии, вдоль которой движется пучок электронов. В начальной части замедляющей системы волна производит скоростную модул яц1ию потока, котора я благодаря его однородности не требует большой затраты энергии. В дальнейшем поток собирается е сгустки и отдает свою энергию волне, а мплитуда которой многократно возрастает на пути к выходу. Длину замедляющей системы выбирают такой, чтобы сгустки до выхода прошли всю тормозящую полуволну. Электроны, прошедшие замедляющую систему, собираются коллектором.

В сгустках действуют значительные силы электростатического расталкивания; на большом пути пролета их действие может привести к расхождению пучка и оседанию электронов на спирали. Чтобы предотвратить расхождение пучка, лампу помещают в продольное магнитное поле электромагнита или постоянного магнита. Допустим, что под действием сил расталкивания электрон отклонится от оси спирали; тогда на него начнет действовать отклоняющая сила магнитного поля, направленная по правилу левой руки в перпендикулярном к оси направлении, которая изменит направление его движения (рис. 10.52) . Если проследить последовательно за движением электрона под действием поля катушки, то окажется, что он по сложной винтообразной траектории будет приближаться к оси спирали. Следовательно, катушка собирает (или, как говорят, «фокусирует») электронный поток в узкий пучок у оси прибора.

Усилители на лампах бегущей волны обладают большим коэффициентом

Рос. 10.5(1. Лампа бегущей волны — усилитель:

1 — катод; 2 — первый анод; 3 — второй анод; 4 — конический широкополосный приемный вибратор; 5 — входной волновод; б — поглотитель; 7 — фокусирующая катушка; 8 — спираль; У— согласующий шлейф; 10 — выходной волновод; 11 — коллектор

25!

Распознанный текст из изображения:

2 У 4- 5

Е~ — ~ ~- -~ у— О-~ — Е

а)

Рис. 10.53. Неоднородные замедляющие системы

Рис. 19.52. Фокусирующее действие продольного магнитного поля соленоида1

усиления, достигающим сотен тысяч раз по мощности. К;ак и всякий усилитель, лампа бегущей волны может использоваться в качестве автогенератора, если связать ее вход с выходом. Это можно осуществить с помощьн) специальной линии связи, но можно и про—.сто создать некоторое рассогласование на выходе 1конце) линии; тогда часть энергии будет отражаться и возвра-

10.10. ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

Помимо спиралей в лампах бегу.щих волн могут использоваться и другие замедляющие системы. Например, широко распространены гребенчатые линии 1рис. 10.53, а), в которых, упрощен~но говоря, замедление достигается за счет того, что волна последовательно «обегает» щели гребенки. За время, в течение которого волна обегает щель, напряжение на «входе» щели изменяется, между ее краями создается разность потенциалов и продольное поле, взаимодействующее с потоком 1рис.

10.53, б). Аналогичными свойствами обладает и коаксиальная линия с диа-

щаться на ее вход. Если отраженная волна достаточно интенсивна и совпадает по фазе с волной на входе, то произойдет самовозбуждение. В усилителях же, где самовозбуждение необходимо устранять, а некоторое рассогласование практически всегда имеется, в средней части замедляющей системы ставят специальный поглотитель, гасящий отраженные волны.

Благодаря отсутствию резона,нс. ных систем лам~ы бегущей долны являются усилителями с очень широкой полосой пропускания, крайние частоты которой у некоторых образцов Относятся как 1:4. Область их использования — дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны. В качестве автогенераторов лампы бегущей волны используются довольно редко, так как упомянутое выше условие самовозбуждения, требующее наличия определенной фазы отраженной волны, сильно сужает рабочий диапазон генератора. Гораздо большие возможности широкополосной работы создаются в лампах обратной волны.

фрагмами 1рис. 10.53, в). На сантиметравых волнах вместо коаксиальной линии используют диафрагмированные волноводы 1рис. 10.53, г).

Допустим, например, что вдоль гребенчатой системы справа налево распространяется электромагнитная волна, создающая в данный момент времени максимальное тормозящее поле в щелях 1, 3, б и т. д. Зададим себе вопрос: может ли поток электронов эффективно взаимодействовать с полем такой системы, двигаясь навстречу волне? В спиральной замедляющей системе взаимодействие со встречной волной не

Распознанный текст из изображения:

дало бы результирующего эффекта аатому что электроны поперемен но подвергаяись бы воздействию то ускоряющего, то тормозящего поля. Структура же поля в гребенчатой линии иная (рис. 10.53, б): здесь между краями щелей действует максимальное продольное поле, а под зубцом его нет. Поэтому если электрон, проходивший первую щель в тормозящем поле, достигнет второй щели через полпериода изменения поля, то он будет и в той, и в другой, и во всех следующих щелях испытывать тормозящее воздействие. Под зубцами он будет проходить по инерции, не испытывая воздействия идущей навстречу волны, так как продольная составляющая поля там всегда, равна нулю. Следовательно, в такой замедляющей системе возможна как группировка потока, так и (передача волне энергии сгруйпированным встречным потоком.

Периодические системы, на отдельных участках которых действует переменное электрическое продольное поле, л на других оно отсутствует, называют н е о д~н о р о д н ы м и в отличие от спиралей, на всех участках которых действуют поля с одинаковой амплитудой, поэтому они являются о д н о р о д н ым и системами.

Приборы, в которых осуществляется энергетическое взаимодействие потока со встречной волной, распространяющейся вдоль неоднородной замедляющей системы, называют л а м п а м и обратной волны (сокращенно ЛОВ).

В рассмотренном выше примере эффектив~ное взаимодействие осуществлялось благодаря тому, что за одинаковый отрезок времени волна смещалась на одну ячейку влево, а электрон — на одну ячейку вправо. Следовательно, для работы ЛОВ необходимо, чтобы скорости потока электронов и электромагнитной волны были равны по значению и обратны по знаку.

Теперь важно представить себе усилитель обратной волны (рис. 10.54). Входной сигнал должен поступать на ближайший к коллектору конец замедляющей системы, а усиленный — сниматься с конца, ближайшего к катоду. Однородный поток, вышедший из прожектора, попадает в интенсивное поле усиленного сигнала, модулируется по скорости, затем по плотности и отдает свою энергию движущейся навстречу волне.

Нужно заметить, что в качестве усилителей ЛОВ используются довольно редко. Вследствие того, что на части пути электроны не взаимодействуют с полем, КПД и коэффициент усиления этих ламп меньше, чем у ламп бегущей волны. Кроме того, встречное движение потока и волны создает в приборе естественную ОС, что сильно затрудняет устранение самовозбуждения генератора. Поэтому лампы обратной волны в основном используются в качестве автогенераторов. В таких генераторах имеется только один высокочастотный вывод (рис. 10.55). Необходимо заметить, что фазовая скорость волны изменяется с изменением частоты.

Сформулированное выше условие эффективности взаимодействия потока с полем лампы обратной волны всегда может быть выполнено путем соответствующего выбора ускоряющего напряжения. По своему смыслу — это фазовое условие самовозбуждения. Амплитудное условие сводится к требованию, чтобы усиление прибора было не менее некоторого к~ритического значения. Последнее обеспечивается участием в процессе взаимодействия достаточно большого числа электронов, т. е. созданием в приборе электронного пучка, ток которого превышает некоторое «и у с к ов о е» значение. Отсюда следует, что, если возможно изменять ускоряющее напряжение, принципиально не существует ограничений для диапазона пе-

Рис. 10.54. Лампа, обратной волны — усилитель

253

Распознанный текст из изображения:

Рис. 10.55. Лампа обратной волны — а)втогене- ратор

10.11. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН КЛАССА М

рестройки лампы обратной волны, что является наиболее ценной особенностью этого прибора. На практике, однако, ряд конструктивно-технологических моментов ограничивает диапазон перестройки. У отдельных типов генераторов отношение крайних частот диапазона достигает четырех-пяти.

Механизм возникновения колебаний в лампах обратной волны в общих чертах такой же, как и в любом авто- генераторе. При включении питающих напряжений в замедляющей системе возникает импульс тока заряда распределенных емкостей. Он создает колебания сплошного спектра частот, и вдоль системы в разных направлениях бегут затухающие волны. Та из них, для которой будет выполнено условие самавозбуждения, начнет эффективно модулировать встречный поток по скорости. Образуются сгустки, которые будут пополнять энергию этой волны, и колерания будут нарастать. Стационарный процесс наступит вследствие того, что с ростом плотности сгустков увеличится действие расталкивающих сил и дальнейшее улучшение группировки прекратится; с другой стороны, пропорционально квадрату амплитуд ра-

Рассмотрим особенности движения электронов в скрещенных магнитном и электрическом полях. Для этого представим себе два плоских электрода, между которыми приложена постоянная разность потенциалов (рис. 10.66). Поместим их в магнитное поле так, что его силовые линии будут направлены от нас перпендикулярно плоскости чертежа. Допустим, что в некоторый момент времени на поверхности Р~ с отрицательным потенциалом появился электрон. Под действием электрического поля он начнет двигаться к поверхности А с положительным потенциалом. Однако это движение оказывается весь-

стут потери в системе. Диапазоны, в которых используются лампы обратной волны, те же, что и для ламп бегущей волны.

В рассмотренных генераторах бегущих волн преобразование энергии , происходит вследствие торможения электронов и потери им~и части кинетической энергии, приобретенной под действием источника ускоряющего напряжения. Такие генераторы принято относить к к л а с с у О. Их общей особенностью является трудность получения высокого КПД, поскольку электроны не могут терять значительную долю кинетической энергиями, так как это приводит к нарушению условия эффективного взаимодействия, поля с волной, заключающегося в приблизительном равенстве скоростей потока и волны. Данное свойство является принципиальным недостатком при построениями мощных генераторов. Чтобы избавиться от него, переходят к другому типу взаимодействия потока с полем в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях. Генераторы, в которых используется такое взаимодействие, относят к классу М.

К

Рис. 10.56. траектории движения электронов в постоянных скрещенных электрическом и магнитном по- лях