Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Увеличение параметра п приводит к тому,·что при одинаковых изменениях ЛIИотрl в случае больших п фазо-;вый сдвиг между токами и напряжениями будет значительно 'больше, чем при мёньших п. Например, возьмем изменение напряжения на отражателе ЛIИотрl = 10 В для любого п. Пусть приГлава13.Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением377п = 1 IИотр1опт1Для ri= 200 в (центр зоны), тогда ЛIИотрl!IИотрlоптl = 0,05.= 3 JИотрlоптз = 50 В и Л\Иотрl/IИ0 трlоптз = 0,2, т. е. изменениев четыре раза больше, поэтому и сдвиг по фазе между током инапряжением резонатора во втором случае будет пропорционально больше по сравнению с первым случаем.
В результатедиапазон и крутизна электронной настройки будут увеличиваться с ростом п.Посколькуширинаобычно мала (Лrо ~диапазонаэлектроннойперестройкито для работы в широкой полосе час0,0lro0 ),тот применяют механическую перестройку частоты отражательного клистрона путем изменения размеров резонатора.Параметры ОК. Наиболее типичные параметры современныхотражательных клистронов лежат в следующих пределах:всреднем выходная мощность ОК находится в диапазоне величин10 ... 500 мВт,значения напряжения резонатораОК сантиметрового и1000 Взонов длин волн, КПД ~200 ... 300 Вдлядля ОК миллиметрового диапа2 •..
3%,а электронный КПД-несколько процентов.Типичные значения крутизны электронной настройки в рабочих зонах генерации ОК:ровый;1,0 ... 2,5 МГц/В -0,3 ... 0,5МГц/В-десятисантиметтрехсантиметровый;5 ... 8МГц/Ввосьмимиллиметровый диапазоны длин волн. Значения диапазона электронной перестройки лежат обычно в пределах доОК имеют малую массу~(15 ... 20) • 103 часов.0,05 ... 0,51% .кг, большой срок службы доК недостаткам ОК относятся малый КПД и высокий уровеньшумов. Дальнейшим развитием ОК являются мнннтроны, представляющие собой приборы с линейными размерами в несколькомм и массой ~1 г. Дальнейшая миниатюризация ЭВП СВЧ можетпривести к созданию интегральных устройств, подобных интегральным схемам на полупроводниковых приборах.13.З. Лампы бегущей волны.Устройство ЛБВО.
Замедляющие системыЭнергия, передаваемая СВЧ-полю, пропорциональна напряженностиполя,числуэлектроновирасстоянию,накоторомпроисходит взаимодействие электронов и СВЧ-колебаний. Увеличение пути взаимодействия электронов с полем в клистронахРаздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ378ограничено необходимостью иметь ма.цый угол пролета электронов В зазоре резонатора (если83__...0,ТО~__...1).Повышение напряженности СВЧ -поля в зазоре можно осуществить либо за счет увеличения амплитуды колебаний, либопутем уменьшения ширины зазора резонаторов. В первом случаетребуются контуры с очень высокой добротностью, а во второмпри уменьшении зазора возрастает емкость резонатора и, следовательно, падает добротность; кроме того, амплитуда колебанийнапряжения не может быть больше, чем э. д.
с. (напряжение) И 0источника питания. Усилители и генераторы на ЛБВО и ЛОВО взначительной мере лишены указанных недостатков. В этих приборах происходят те же процессы, что и в пролетных клистронах,т. е. под действием СВЧ-поля электроны группируются в сгустки, которые тормозятся электрическим полем волны, передаваяпоследней часть своей кинетической энергии. Отличием ЛБВО иЛОВО от клистронов является то, что модуляция скорости электронов осуществляется не в определенных, небольших по протяженности, участках пространства, а на достаточно большом отрезкепутивпроцессепочтисинхронного\движенияволныиэлектронов у поверхности замедляющей системы.Устройство.УстройствоЛБВОизображенонарис.13.9.ЛБВО чаще всего представляет собой длинную стеклянную колбу небольшого диаметра, в одном конце которой размещеныэлектроды1, 2, 3,образующие электронную пушку, котораяформирует электронный поток с заданными характеристиками.Колебательная система прибора состоит из спирали5и цилиндрического волновода, являющегося одновременно и каркасом фокусирующей катушки6.Входной и выходной сигналы поступают соответственно через входнойРис.413.9и выходной7СВЧ-тракты.Глава13.Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением379Концы спирали выполнены в виде полых цилиндров, Ч'.ГО позволяет обеспечить лучшую связь входа и выхода прибора с колебательной системой.
Коллектор8собирает отработанные (провзаимодействовавшие с СВЧ-полем) электроны. Основное назначение фокусирующей катушки состоит в предотвращениипоперечной разгруппировки электронных сгустков под действием объемного заряда электронов. Соленоид формирует продольное, относительно оси прибора, магнитное поле, которое создает силу Лоренца, прижимающую электроны, имеющие поперечнуюсоставляющую скорости,коси прибора.Серьезнойпроблемой в усилителях на ЛБВО является согласование колебательной системы с волновым сопротивлением входного фидера и сопротивлением нагрузки.
При плохом согласовании частьэнергии СВЧ отражается от выхода и движется в направлениико входу, т. е. возникает обратная связь, что может вызвать автоколебания, для устранения которых и используются согласующие трансформаторы 9ипоглотитель10.Замедляю'щие системы.
Для получения эффективного взаимодействия электронного потока с СВЧ-волной требуется примерное равенство фазовой скорости волны и скорости электронов (условие синхронизма), что достигается применениемспециальныхволноведущихмедляющими.Основноесистем,которыеназначениеназываютсязамедляющейзасистемы(3С) состоит в уменьшении фазовой скорости vФ волны. При ускоряющих напряжениях в сотни и тысячи В скорость движения электронов ve - 6·10 8 ••• 3 • 109 см/с, что составляет сотые идесятые доли скорости света с.
Следовательно, для получениясинхронизма коэффициент замедленияпределах3 ... 50.k3= с/vФ должен быть в"Уменьшить фазовую скорость vФ можно или засчет использования в волноводах материалов с большими значениям диэлектрической и магнитной постоянных Е иµ, так какvФ =с/ ,/Еµ, или применением специальных волноведущих (замедляющих) систем с периодическими условиями на границах,примеры устройства которых даны на рис.Рис.13.10Рис.13.10, 13.11, 13.1213.11Раздел3803.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫа)б)Рис.(рис.13.10 -13.12спирально-коаксиальный волновод, рис.в виде цепочки резонаторов «щель-отверстие•; рис.гребенчатая 3С, рис.13.12,б-13.11 - 3С13.12, а -встречно-штыревая 3С).Принцип замедления проиллюстрируем с помощью спиральнокоаксиального волновода.
При возбуждении такой 3С от источника СВЧ-колебаний волна распространяется по проводникуспирали со скоростью, близкой к скорости света с. За время дви-·жения вдоль одного витка спирали длиной21tr со скоростью сволна переместится по оси на шаг спиралиD(см. рис.13.10).Вдоль оси волна бежит с фазовой скоростью vФ, следовательно,коэффициент замедления фазовой скорости в спирально-коак-спальном волноводе.сk3 = -vф21tr= -D .Принципы замедления в 3С, изображенной на рис.13.11,можно объяснить следующим образом.
Любую 3С можно представить в виде цепочки элементарных резонаторов с емкостьюС 0 , сосредоточенной в основном между щелями ре~онатора, и синдуктивностьюL 0,которая образуется в основном отверстием.Электромагнитная волна частотыro,поступающая в 3С, возбуждает в резонаторах колебания с этой частотой. Амплитуда и фазавозбужденных колебаний зависят от отношения возбуждающейro и собственной частоты резонатора ro0=1/ JL 0 C 0 • Амплитудная и фазовая характеристики элементарного резонатора аналогичны характеристикам резонансного контура, поэтому фазовый сдвиг вынужденных колебаний в зависимости отется от-1t/2до+1t/2.ro изменяВынужденные колебания резонаторов ивозбуждающая волна, взаимодействуя друг с другом, образуютрезультирующую волну, которая сдвинута по фазе относительноисходной возбуждающей волны.
При перемещении волны вдоль3С фазовый сдвиг накапливается, так как распространяющаясяволна постоянно подвергается воздействию вынужденных колебаний резонаторов, что увеличивает отставание по фазе резуль-Глава13. Электровакуумные n@i.tбopы38'1СВЧ с динамическ!'lм управлением-~.··~--~--·Бr6-6,6,-zРис.13.13тирующей волны от возбуждающей, а это означает, что фазоваяскорость первой из них меньше фазовой скорости последней.Пространственное распределение поля в 3С является неоднородным. На рис.13.13 дана зависимость одной из составляющихнапряженности электрического поля, а именно продольной Бz•от расстояния вдоль оси. Как.видно из этого рисунка, распределение поля в пространстве носит периодический, но не гармонический характер, поэтому это распределение можно разложить вряд Фурье; в результате закон изменения электрического поляволны в пространстве и во времени можно представить в видеПоле Бz в такой форме представляет собой бесконечную последовательность (набор) бегущих волн (пространственных гармоник), с амплитудами ап и постоянной распространения= k зо21tn , где k :io +, Du ( нулевоиu)волновое число основноистранственной гармоники; Л.
30 -k 3n=про-длина замедленной основнойволны, которая меньше длины волны Л. в свободном пространст-ве в: .раз. Длина волны Л.30 определяется огибающей периоди~фческого пространственного распределителя Бz на рис~13.13.Пространственные гармоники отличаются друг от друга какамплитудами, так и значениями фазовых скоростей vФn;wvфп=kзпwk 30+ 21tn/ D ·(13.12)Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ382Фазовая скорость пространственных гармоник при положи~тельных п имеет только положительные значения, а при отрицательных п-отрицательнЬiе. Положительным значениям псоответствуют прямые пространственные гармоники, а отрицательным-обратные.Как известно, групповая скорость игр=цируя выражение(13.12),drodk,тогда, дифферен-можно получить соотношение для игрследующего вида_:.!_ = dkзn = _о_ (kигрdroВ формулеdroзО(13.13)+21tn ) = dkзoDdro •(13.13)взята обратная величина игр для простотыдифференцирования.
Из(13.13)видно, что вся совокупностьпространственных гармоник имеет одну и ту же групповую скорость, а это означает, что по отдельности они существовать немогут. Они существуют как единая совокупность волн.Одной из важнейших характеристик 3С является днсперснонная харакrернстнка, представляющая собой зависимость иФЕе вид показан на рис.13.14.= <p(m).Эта характеристика полностьюаналогична характеристике, описывающей дисперсию света вкристаллическом твердом теле. Разница состоит только в том,что в оптическом диапазоне элементарные осцилляторы формируются кристаллической решеткой, а в 3С элементарные осцилляторы-это резонаторы 3С(m0на рисунке-это собственнаячастота элементарного резонатора).Если период замедляющей системыDмного меньше длиныволны Аз, распространяющейся в 3С, то такие 3С называются однородными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
