Белов Л.А., Благовещенский М.В., Богачев В.М. и др. Радиопередающие устройства. Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина (1982) (1095868), страница 47
Текст из файла (страница 47)
ПРИНЦИП РАВОТЫ УСИЛИТЕЛЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ В лампах бегущей волны используется принцип непрерывного взаимодеиствия электронов с полем электромагнитной волны, распространяющейся по волноводной системе со скоростью электронного по- тона. Пусть имеется волноводная система, в которой распространяется электромагнитная волна. Простейшим примером такой системы является спиральный волновод, состоящин из спирали и внешнего проводящего цилиндра. Фазовая скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси системы зависит от шага спирайп и при воздушном диэлектрике замедлена по сравнению со скоростью света в число раз, примерно равное отношению Тпага спирали к длине витка.
Механизм взаимодействия электронного потока и поля бегущей волны рассмотрич на примере лампы бегущей волны типа О (ЛБВ типа О), в которои электронный поток движется под действием электрического поля и при взаимодействии электронов с полем меняется пх кинетическая энергия. Обратимся к пространственяо-временной диаграмме на рис. 14.1. Вдоль оси абсцисс откладывается время А вдоль оси ординат — расстояние х от начала волноводной системы, где действует тормозящее поле напряженностью Е„,, создаваемое входным сигналом. Напряженность электрического поля входной волны периодически меняется во времени. Положительные и отрицательные полупериоды распространяются вдоль замедляющей системы с фазовой скоростью пф. На плоскости пространственно-временных диаграмм образуются области ускоряющих (+) и тормозящих ( — ) участков, разграниченные на рис.
14,1 штриховыми линиями. Электроны движутся со скоростью о, . Из рис. 14.1, а следует, что при и,„= оф электроны группируются вблизи границы, отделяющей тормозящее поле от уско. ряющего. Поэтому в среднем обмен энергией между электронами и полем отсутствует, а усиления колебаний (как и ослабления) не происходит. При некотором превышении скорости электронов над скоростью поля (о, .~ ое) ббльшая часть электронов оказывается сгруппированной в областях тормозящего поля (рпс.
14.1, б), поэтому здесь они отдают энергиго полго и процсходит усиление бегущей волны. Еали скорость электронов несколько ниже скорости электромагнитной волны, то ббльшая часть электронов группируется в областях ускорягощего поля. Электроны, ускоряясь, отбирают энергию от поля, вызывая затухание волны по мере ее распространения. Наконец, если скорости электронов и поля сильно отличаются друг от друга, усиле. ния также не происходит, поскольку электроны быстро переходят из одной области в другую, то отдавая, то приобретая энергию, в результате чего в среднем обмен энергией отсутствует.
Таким образом, усиление при взаимодействии электронного потока н поля бегущей волны возможно при относительно близких скоростях о,„и ое. Оптимальное значение начальной скорости электронов составляет ье ж (1,1 ...1,2)ое. По мере передачи энергии электронов полю и его усиления электроны замедляются и при равенстве скоростей усиление волны прекращается. Рис, 1ФЛ. 1трострвнственио-временные анагреммы лБВ зля е„=ее (а) н еееъг )ие (о), 20$ ы.х ЛРОстРАнственные гАРмОники пОля В ВАмедляющих стРуктуРАх Различают однородные и неоднородные замедляющие структуры. К однородным относятся линии передачи, заполненная диэлектриком или спиральная с малым шагом, если электронный поток распростра.
няется вдоль ее оси. В однородных системах при подаче на вход высокочастотного сигнала с частотой ьо распространяется волна с продольной составляющей напокжеппости электрического поля Е, зависящей от времени и координаты по закону Е(х, !)=це(Е е'поо — Е о>!, (1 4,!) ГДЕ ()о = Ы!ОФо — КОЭффИЦИЕНт РаСПРОСтРаНЕНИЯ; "ПФо — НаЧаЛЬиаЯ фазовая скорость; ń— комплексная амплитуда продольной составляющей поля. Часто используются неоднородные периодические замедляющие системы типа волноводов с ребристыми стенками, встречно-штыревых систем и разли:ных их модификаций.
В неоднородных структурах величина Е периодически меняется вдоль координаты. Если не учитывать усиления или затухания, зависимость амплитуды поля от координаты можно сформулировать так: Е„ (х) = Е„ (х + й), где Д— пер од (шаг) замедляющей структуры. ериодическую зависимость поля от координаты можно представить в виде суммы волн с постоянной амплитудой, не зависящей от ко. ординаты, Такие волны называются пространственными гармониками. Разложим амплитуду Еоо (х) в ряд Фурье по пространственным гармоникам; 2лх — 1 — ь (1 4.2) Е„(х)= ~ Е„,е где Еоое — амплитуда пространственной гармоники с номером я. Подставляя (14.2) в (14.1), имеем Оооо. — ! — ь Е(х, !)=Ке ,'о Е„ье " еы '-Эо 1= ! (ооо-аь «) Е = — оо где Ц = (), + 2пИ~.
Каждое слагаемое полученного ряда описывает волну с постоянной амплитудой, распространяющуюся с определенной фазовой скоростью пФн (14.3) рь !)о+2лйа )+2лЬФо Ь С ростом номера пространственной гармоники й фазовая скорость пвь падает по сравнению со скоростью основной волны авэо по закону РФо/и „= 1 + 2пй)ф, где рол = ф — разность фаз между напряжен. иостями поля в соседних ячейках структуры. При й ( — ф/2л фазовая скорость меняет знак, От. рицательные скорости соответст. вуют так называемым обратным пространственным гармоникам.
В отличие от хорошо известных высших гармоник периодического временного процесса, все про- а) странственные гармоники имеют,~~ 'в)х одинаковую частоту колебания во Л' времени ш и разные скорости рас- ~ т, ~ 'х ~ т, ~ ~,,)е пространения фазы по координате и . В то же время групповая скорость всех этих гармоник одина. ,' -~ - ".~='т таза=в кона: и„рь = г(юИЦ = п„р„так как сумма гармоник — едйный не- ,' ' — ~ -' -Ь~Ы~=Ах разрывный процесс (14.1), который и определяет скорость р„р движения информации или энергии, Амплитуды пространственных гар. моник, которые можно найти по формулам Фурье, зависят от конфигурации системы и резко убывают при больших )й). Можно так сконструировать замедляющую структуру, чтобы добиться максимума амплитуды выбранной пространственной гармоники.
Пространственные гармоники открывают новые возможности использования ЛЕВ. Не обязательно скорость электронного потока выбирать близкой к скорости основной волны. Усиление возможно также при скорости злектронов, близкой к скорости какой. либо из пространственных гармоник. У пространственныл гармоник с более высоким номером фазовая скорость уменьшается, так что можно ограничиться меньшими скоростями электронного потока, а следовательно, меньшими ускоряющими напряжениями, Если направление движения электронов противоположно направлению основной волны поля, то поток влектронов будет обмениваться энергией с обратной пространственной гармоникой, Приборы в таким принципом действия называются лампами обратной волны (ЛОВ), Следует отметить, что при взаимодействии потока с какой-либо из пространственных гармоник происходит усиление не только данной гармоники, но н всея остальных как единый процесс, а следовательно, усиливается и амплитуда реального распределения поля в волноводной системе.
Механизм взаимодействия электронного потока с различными пространственнымн гармониками аналогичен стробоскопическому эффекту Его можно представить с помощью пространственно-временных диаграмм для периодической структуры (рис. !4.2). Из рис. )4,2, а видно, что усиление поля возможно, когда электроны попадают в участки тормозящего поля, что осуществляется пря раз. личных скоростях электронов, соответствующих равным наклонам прямых, ка.
рактеризующих движение электронного потока. При изменении направления движения основной волны (рис. !4.2, б) усиление происходит за счет взаимодей. ствия с обратной пространственной гармоникой поля. Рис. !4.2, Диаграмма, поясниюшая взакмодействие потока электронов е пространственными гармониками Одной из важнейших характеристик замедляющей системы является зависимость фазовой скорости от частоты пф (ш), т. е. диспарсиолная характеристика, В зависимости от типа системы н номера про- Ь а) Рис, 14.3. Эскиз периодической за.
медляющей системы (и) и эквивалентная схема одной ячейки ее (б) Г/) й! Рпс. !4 4 Дисперсконная хзрактерпстика замедляющей системы рнс. !43 т странственной гармоники в рабочей полосе частот фазовая скорость ь о 4 ет уменьшаться с ростом частоты г/пф,/г/ю ( О, что говорит о наличии нормальной'дисперсии. Если апфЯо ) О в заданном интервале частот, то дисперсия аномальная. Рассмотрим в качестве промера перводическу!о замедляющую систему без потерь (рис 14 3, а) с проводимостью элемента одной ячейки (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
