Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Особенности работы ламп на СВЧ Рнс. 10.12 Величина наведенного заряда зависит от расстояния между электронным слоем и электродом: ох Д (10.35) Перемещение электронного слоя сопровождается изменением величины наведен- ных зарядов, что ведет к возникновению во внешней цепи, соединяющей электро- ды, наведенного тока: Щ Щ 1 мав (10.36) Учитывая (10.35), получаем (10.37) сй (г) = Й7. и' (10.38) Наведенный ток возникает, как только электронный слой появляется в.промежутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает второго электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени пролета электронов. Если скорость движения электронов постоянна, то импульс тока прямоугольный; при линейной зависимости скорости от времени он будет треугольным. В реальных условиях в пространстве между электродами существует некоторое произвольное распределение плотности зарядов р(х, Г), изменяющееся во времени.
В этом случае наведенный ток, создаваемый электронным слоем с зарядом Йу, будет равен 468 Глава 10. Ва мная электроника Учтем,что Йу = 5р(х,т)Ых,тогда Бр(х, г)о(х, г) й (г) = (10.39) где 5 — площадь электродов. Создаваемый всеми электронными слоями наведенный ток может быть найден путем интегрирования по всему промежутку между электродами; 1„ (г) = — ) р(х, г)о(х, г)Ж о Подынтегральное выражение есть значение тока проводимости в сечении х в момент времени д Этот ток обусловлен переносом (конвекцией) электронов.
Поэтому его называют конвекционным токам: ( (х, г) = Юр(х, г)о(х, г) . Подставив (10.41) в (10.40), получим (г)=Я1 „(х,г)пх. о (10.42) Наведенный ток в момент времени Г равен усредненному по длине промежутка значению конвекционного тока в этот же момент времени. В частном случае, когда время пролета электронов много меньше периода переменного напряжения, можно считать, что 1,(х, г) практически не зависит от координаты, н его можно вынести за знак интеграла.
Тогда 1,,(г) = 1,(х, г), то есть наведенный ток равен конвекционному, что справедливо для области низких частот. На СВЧ наведенный ток не равен конвекционному току. Чтобы лучше представить себе возникновение наведенного тока, рассмотрим случай, когда на анод диода подается импульс напряжения прямоугольной формы, длительность которого соизмерима со временем пролета (рис. 10.13). В момент времени г, электроны начинают двигаться от катода, и возникает наведенный ток. Двигаясь в ускоряющем поле, они с течением времени заполняют разрядный промежуток.
Благодаря этому наведенный ток, определяемый соотношением (10.40), становится больше и скорость его нарастания увеличивается, В момент времени г, электроны достигают анода, и все пространство между катодом и анодом оказывается заполненным электронами.
Наведенный ток становится максимальным. В момент вРемени Гз анодное напРЯжение становитса Равным нУлю, постУпление новых электронов от катода прекращается, а электроны, заполняющие разрядный промежуток, продолжают двигаться по инерции к аноду. С течением времени число электронов в разрядном промежутке уменьшается и соответственно уменьшается анодный ток. В момент времени г, в разрядном промежутке не остается электронов и наведенный ток становится равным нулю. Из рассмотренного следует, что импульс наведенного тока оказывается растянутым во времени по сравнению с импульсом напряжения и отстает от него.
Если в момент Гз подать на.анод отрицательное напряжение, то некоторая часть электронов по инерции долетит до анода, а другая часть затормозится настолько, что остановится и станет возвращаться на катод. Аналогичные явления происходят при 10.7. Особенности боты ламп на СВЧ подаче иа анод сииусоидальиого напряжения, ио при этом интервал между г, и гг увеличивается, так как электроны перемещаются в изменяющемся электрическом поле, иа что требуется больше времени для достижения анода, в результате этого максимум тока наступает иесколько позже.
После достижения максимума напряжения ток начнет уменьшаться. гг и гг Рнс. 10.13 Похожие явления имеют место при перемещении электронов в триоде (рис. 10.14). Пусть иа сетку подано напряжение запирапия и положительные прямоугольные импульсы. При этом напряжение иа сетке остается все время отрицательным, то есть электроны па сетку ие попадают. В момент г, лампа отпирается, электроны начинают заполиять промежуток между катодом и сеткой, и в цепи сетки появляется наведенный ток гь Такой же ток, ио противоположного направления, возникает и в цепи катода. В момент времени гг промежуток катод-сетка полностью заполнен электронами, рост тока г, прекращается.
Электроны иа сетку ие попадают, пролетают через просветы сетки и оказываются в промежутке между сеткой и анодом. Удаляющийся от сетки поток электронов создает в цепи сетки наведенный ток г„противоположный по направлению току ге Одновременно иидуцируется ток в цепи анода. В момент гг электроны достигают анода. В интервале между гг и г4 токи г, и г, постояииы и противоположно направлены, поэтому ток сетки равен нулю.
В момент Г, лампа запирается, и электроны перестают уходить от катода, ио электроны, заполнившие междуэлектродиые промежутки, продолжают по инерции движение. В момент гг промежуток между катодом и сеткой очищается от электронов и ток г, становится равным нулю. В интервале между г, и Г, очищается от электронов промежуток между сеткой и анодам, и в момент Г, ток г, становится равиьгм пулю. Таким образом, в цепи сетки возникают два импульса наведенного тока, противоположные по направлению. Результирующий ток сетки определяется суммированием этих импульсов. При этом следует иметь в виду, что электроны на сетку ие попадают.
При подаче иа сетку сииусоидального напряжения происходят аиалогичиые процессы с той лишь разницей, что нарастание и спад наведенных токов происходят более медленно, а импульсы токов г, и 1, оказываются более длительными. 470 Глава 10. Ва ав злее попика и'ь п2 Вне. 10.14 При работе на СВЧ за время пролета изменяется фазовый угол переменного напряжения, Изменение фазового угла за время пролета называется углом пролета: (10.43) пр ~ Гпр где в — угловая частота переменного напряжения.
Чем выше частота ю, тем больше фазовый угол а„„тем меньше амплитуда наведенного анодного тока и тем больше амплитуда наведенного сеточного тока. Следовательно, с ростом частоты уменьшается коэффициент усиления мощности. 10.8. Пролетные клистроны На СВЧ эффективность электронных ламп снижается вследствие конечного времени пролета разрядного промежутка.
В клистронах значительное время пролета не только не вредно, но и необходимо для нормальной работы прибора. Схема устройства и включения пролетного клистрона приведена на рис. 10.15, а. Пролетный клистпрон состоит из катода, объемного входного резонатора Рь в который с помощью петли 0вязи вводится входной сигнал Р,„, и расположенного на расстоянии Ы от него выходного резонатора Р,. Оба резонатора соединены с коллектором и заземлены. На катод подается отрицательное напряжение.
Под действием электрического поля между катодом и анодом электроны, покинувшие катод, ускоряются и влетают во входной резонатор с большой скоростью о,. Между сетками резонатора Р, существует переменное электрическое поле, изменяющее скорость электронов. В положительный полупериод переменного напряжения а7Ь 10.6. Г1ролвтиыв кпистроны электроны ускоряются, в отрицательный полупериод замедляются. Модулированные по скорости электроны влетают в пространство дрейфа между резонаторами Р, и Р„в котором отсутствует электрическое поле. В этом пространстве электроны летят по инерции с постоянной скоростью. Электроны, движущиеся с более высокой скоростью, догоняют электроны, скорость которых меньше.
В результате образуются электронные сгустки, что отражено на рис. 10.15, б. Рис. 10.15 Электронные сгустки поступают в резонатор Р„настроенный на частоту их следования, создают в нем импульсы наведенного тока и возбуждают колебания с амплитудой, которая больше амплитуды колебаний во входном резонаторе Р„то есть в клистроне происходит усиление мощности электрических колебаний.
Пролетевшие через резонатор электроны попадают на коллектор и разогревают его. Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Однако его КПД, представляющий собой отношение колебательной мощности в резонаторе Р, к мощности постоянного тока источника питания, не превышает 20 %, хотя предельное теоретическое значение составляет 58 %. Это обьясняется следующими причинами. Во-первых, электроны вылетают из катода с различной начальной скоростью и, пролетая через модулятор в один и тот же момент времени, имеют неодинаковую скорость, вследствие чего они группируются недостаточно плотно.
Во-вторых, между электронами действуют силы взаимного отталкивания, из-за чего при пролете через пространство дрейфа плотность электронного сгустка дополнительно уменьшается. Кроме того, некоторая часть электронов вообще ие группируется в сгустки, то есть не участвует в полезной работе, а некоторые из электронов оседают на сетках резонаторов. В настоящее время двухрезоиаторные клистроны имеют ограниченное применение. Введение дополнительных промежуточных резонаторов между входным и выходным резонаторами позволило повысить коэффициент усиления мощности 4тК Глава 10.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
