А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 62
Текст из файла (страница 62)
9.18 изображен схематический разрез генератора дециметрового диапазона. В нем применен вакуумный триод так называемого маячкового типа, выводы электродов которого выполнены в виде тонких металлических дисков. Эти дисковые электроды образуют вместе с внешними металлическими полыми цилиндрами Рис. 9,18, Генератор на коаксиальные резонаторы. Наряду с коаксиальными резонато- коакеиальных резонаторами в более низкочастотных генераторах могут быть примене- рах в аиодной и сеточны отрезки двухпроводных линий. ной цепи металлокераВысокочастотный предел работы генераторов классической мического триода: 1— структуры на вакуумных триодах обусловлен конечным време- ч>иод' 2 — резонатор нем пролета электронов между катодом и анодом.
По мере по- сетка,"атод"' —,Резонатор "сетка — анод" вышения частоты в замкнутом кольце обратной связи генератора появляется дополнительный (пролетный) набег фазы, который приводит к нарушению необходимого для автоколебаний баланса фаз. Для высокочастотной области СВЧ диапазона разработаны электронные приборы, в которых конечность времени пролета не является ограничивающим фактором.
Более того, эффективность взаимодействия электронов с электромагнитным полем в этих приборах достигается именно благодаря конечности времени пролета электронов между пространственно разделенными элементами ламп. На этом принципе работают такие генераторные СВЧ приборы, как клистроны и магнетроны. 8 зак.!464 226 Глава 9. Рвсп еделенные системы 5 Для объяснения принципа действия клистронных генераторов рассмотрим конструкцию приборов, схематически изображенных на рис. 9.19 и 9.20.
Емкостный зазор 1 тороидального полого резонатора 2 образован двумя проницаемыми для электронного потока сетками. Через этот зазор проносится электронный поток 3, первоначально однородный по скорости и по плотности. В емкостном зазоре резонатора всегда присутствует слабое переменное 2 4 электрическое поле тепловых флуктуаций, частота которого определяется, в частности, собственной частотой основной моды резонатора. Напряженность Рис. 9.19, Схема устройства прямо- пролетного клистрона поля оказывается достаточной, чтобы внести в однородный электронный поток возмущение. Электроны, пролетающие зазор, когда там существует тормозящее поле, немного теряют в скорости.
В следующий полупериод колебаний поле ускоряет электроны и их скорость увеличивается. В пространстве за пределами резонатора модуляция электронного потока по скорости обращается в модуляцию по плотности — быстрые электроны догоняют медленные и формируются сгустки электронов. Максимальная плотность сгустков достигается на вполне определенном расстоянии от резонатора.
В этом месте может быть поставлен второй резонатор 4, в котором сгустки, пролетая через его зазор, возбудят колебания. Интенсивность колебаний будет тем выше, чем выше интенсивность колебаний в первом резонаторе. На этом принципе устроен двухрезонаторный прямопролетный усилительный клистрон, в котором усиливаемый сигнал подается на первый резонатор. Если часть энергии колебаний второго резонатора передать по линии связи 5 к первому резонатору, то образуется классическая структура автоколебательной системы. В подобной системе при выполнении условий баланса фаз и баланса амплитуд происходит самовозбужление колебаний. В отражательном клистроне второго резонатора нет, а на оси системы вне единственного резонатора помещен электрод, статический потенциал которого лежит ниже потенциала катода.
Тормозящее поле этого электрода "от- гак~О ор~ к ражает" электроны обратно к зазору резонатора. Система рассчитана таким образом, что сгустки в возвращенном 1! потоке формируются точно в тот момент, когда электронные сгустки возвращавлся в резонатор (ускоренные электроны доюнят заторможенные), Колебания в резонаторе будут сами себя раскачивать до тех пор„пока их амплитуда не достигнет стационарного уровня. Это означает, что обратная связь положительна и в процессе нарастания коРис 9 20 Схема Устройства лебаний энергия, сообщаемая сгустками колебаниям в реотражательного клистрона зонаторе, превосходит энергию, получаемую электронами от колебаний при исходной модуляции потока.
В дальнейшем наступает ограничение усилительною эффекта, так как при некоторой амплитуде колебаний в зазоре резонатора плотность заряда в сгустках достигает максимума и уже не может увеличиваться с ростом интенсивности колебаний. Наличие электрода-отражателя не только устраняет необходимость во втором резонаторе: меняя статический потенциал на отражателе, можно менять фазу попадания сгустков в резонатор и а некоторых пределах менять частоту автоколебаний.
Эго свойство отражательных клистронов широко используют для электронной перестройки частоты, ее модуляции и других операций. Широко распространены клистроны диапазонов 10, 3 см и более высокочастотные. Начиная с клистронов диапазона 3 см, приборы имеют внутренние резонаторы, составляющие единую конструкцию с системой 9.7. Генераторы СВЧ диапазона 227 электродов, формирующих электронный поток. Геометрические размеры клистронов уменьшаются по мере роста их рабочей частоты. К настоящему времени создана целая гамма этих приборов вплоть до миниатюрных клистронов миллиметровых волн (мини- тронов). Рабочая мощность клистронов, применяемых в лабораториях, не превышает долей ватта. Разработаны также и специальные генераторные и усилительные клистроны мощностью до 1 МВт в непрерывном и до 20 МВт в импульсном режимах, использующие многорезонаторные прямопролетные системы взаимодействия.
Вторую большую группу электронных приборов СВЧ диапазона образуют приборы с так называемыми скрещенными полями. Среди них — разного типа магнетроны. Схематически устройство магнетрона изображено на рис. 9.21. В медном блоке прибора по периферии центральной полости располагаются объемные цилиндрические резонаторы, связанные с внутренней полостью через узкие зазоры. Колебательные моды этих резонаторов таковы, что в зазорах локализовано главным образом электрическое поле. На оси системы помещен катод. Блок резонаторов служит анодом, так что исходный электронный поток, ускоряемый электрическим полем, соответствующим разности потенциалов между катодом и анодом, имеет лишь радиальную компоненту скорости. Система помещается в статическое магнитное поле, со- Рнс У 21.
Сечение здаваемое чаще всего постоянным магнитом. Магнитное поле, ориентированное вдоль оси системы, заставляет электроны отклоняться резонаторами от радиальной траектории. При определенном соотношении между нетрона скоростью ускоренных электронов и напряженностью магнитного поля электронные траектории закручиваются так, что электроны начинают двигаться вдоль поверхности блока, пересекая зазоры резонаторов.
За счет взаимодействия электронов с переменным электрическим полем, локализованным в зазорах, происходит модуляции потока по скорости и по плотности. Образуются сгустки электронов, так называемые "спицы*', параллельные оси магнетрона. В результате самосогласованного процесса достигается стационарное состояние, при котором сгустки пересекают зазоры резонаторов в момент своего наибольшего сжатия.
Очевидно, что оптимум достигается в том случае, когда резонаторы разбиваются на пары. Каждый первый в паре резонатор формирует сгусток-спицу; во втором резонаторе-соседе сгусток тормозится и отдает энергию переменному полю. Для того чтобы соседние резонаторы совершали противофазные колебания и достигался необходимый баланс фаз в каждой паре, резонаторы соединяют через один перемычками (отрезками линий связи). Магнетроны конструируют в расчете на различную выходную мощность. Лабораторные малогабаритные магнетроны обычно отдают мощность в пределах до единиц ватт. В радиолокационных станциях дальнего обнаружения, в системах глобальной радионавигации, в технике ускорителей применяют магнетроны, мощность которых при импульсной работе достигает единиц мегаватт. Широко применяются магнетроны в разного рода технологических процессах.
Они работают как источники высокочастотной энергии в установках вакуумного теплового распыления материалов, в магнетронных печах и печах вакуумной плавки, в медицинской аппаратуре и т. д. Генераторы СВЧ диапазона с бегущими волнами Широкое распространение в технике СВЧ диапазона получили приборы, в которых электронные потоки, получающие энергию от постоянного источника питания, взаимодействуют с бегущими электромагнитными волнами и отдают им энергию. Для того чтобы электронный поток эффективно отдавал энергию электромагнитной волне, должно быть обеспечено длительное торможение электронов электрическим полем волны. Такое торможение возможно лишь в случае, когда скорость волны и скорость электронов в потоке 'близки или равны друг другу.
Подобные условия реализуются в вакуумных 228 Глава 9. Расп еделенные системы приборах, содержащих замедляющие структуры. Замедление электромагнитной волны возможно в ряде устройств, Скорость электромагнитной волны может быть существенно уменьшена, если волна бежит по диэлектрической направляющей системе, например по диэлектрическому волноводу.
Хотя в пространстве, окружающем диэлектрик, поля всех мод быстро спадают с удалением от диэлектрика, приповерхностное поле может быть с успехом использовано для торможения электронного потока. Другой путь создания замедленной электромагнитной волны — применение периодических неоднородных структур, в которых электромагнитные волны испытывают эффективное замедление. Наибольшее распространение получили разного рода спирали и металлические гребенки.
Электромагнитные волны в подобных пространственно неоднородных структурах обладают рядом специфических особенностей. Во-первых, бегущие волны в таких системах могут существовать не на любых частотах, а лишь в дискретных полосах прозрачности. Во-вторых, на любой частоте в пределах этих полос возможно распространение многих мод, так называемых пространственных гармоник. Их фазовые скорости образуют дискретный ряд, что дает возможность широкого выбора вариантов синхронизма волн с электронным потоком. Наконец, фазовая и групповая скорости некоторых пространственных гармоник имеют разные знаки и это свойство также оказывается благоприятным для приложений. Изложенные принципы положены в основу работы целого ряда электронных приборов СВЧ. Широко распространены лампы бегущей волны (ЛБВ) со спиральными замедляющими структурами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
