Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 63
Текст из файла (страница 63)
В самом деле, для того чтобы электронный поток интенсивно взаимодействовал с СВЧ волной, его следует пропускать возможно ближе к поверхности замедляющей системы. Тем самым свойства замедляющих систем предъявляют жесткие требования к устройствам, формирующим электронные потоки и обеспечивающим их прохождение вдоль замедляющей системы. Замедленные волны, направляемые вдоль линии с отличным от нуля поверхностным сопротивлением и характеризующиеся спадом напряженности поля по мере удаления от стенок линии, получили название повержностньи." волн. Об этих волнах упоминалось в ~ 5.8, з при обсуждении специальных типов волноводов, К числу систем с поверхностными волнами относятся, в частности, диэлектрические и металло-диэлектрические волноводы, изображенные на рис.
5.16 и 5.17. Проведенный здесь анализ позволяет расширить представление об этом своеобразном классе в. Сопротивление связи замедляющей системы Для электроники СВЧ большой интерес представляет напряженность продольного электрического высокочастотного поля Е„ существующего вблизи поверхности замедляющей системы. Именно это поле обеспечивает взаимодействие электронов с бегущей волной, необходимое для усиления или для генерирования сверх- высокочастотных колебаний. Для того чтобы однозначно связать напряженность поля Е, с величиной мощности бегущей волны, принято вводить понятие сопротивления связи замедляющей системы*. С этой целью можно провести аналогию между замедляющей системой и обычной длинной линией. Во всякой длинной линии поток мощности связан с амплитудой напряжения бегущей волны У известным соотношением 1 Ут Р= —— 2 Лс (11.23) * Имеется ввиду связь, т.
е. взаимодействие между замедляющей системой и электронным потоком. Не следует смешивать атот параметр с сопротивлением связи, фигурирующим в расчетах обычных кабельных фидеров и определяющим степень экранирования линии от внешних помех. 381 не только величину, но и направление фазовой и групповой скоростей. Так, в точке 1 замедляющая линия обладает положительной дисперсией, поскольку фазовая и групповая скорости имеют одинаковые знаки (оф>0; о„р >О). Точка 2 соответствует отри- ~И цательной дисперсии, так как производная —,, имеет отрица- А тельный знак при положительном отношении —.
Точка 8 характеризует режим, когда передача энергии по системе отсутствует (о„р =0), хотя фазовая скорость отлична от нуля. Похожие рассуждения могут быть проведены и с графиком — = ~'(~), изображенным на рис.11.5,б,в. Можно показать, что касательная к любой точке рассматриваемой дисперсионной характеристики пересекает ось ординат в точке, равной отношению скорости света в свободном пространстве к групповой скорости с волны, т. е. отношению — . Таким образом, на волне длиною ~го Х~ в точке 1 на рис. 11.5,6 замедляющая система обладает положительной дисперсией.
Наоборот, в случае, если дисперсионная кривая в точке 2 имеет вид, изображенный на рис. 11.5„в, дисперсия замедляющей системы является отрицательной. Возможности существования различных видов дисперсии обсуждаются в дальнейшем при рассмотрении конкретных типов замедляющих систем. гурации проводников рассматриваемой линии и, если отсутствует нелинейный диэлектрик, не зависит от величины передаваемой мощности. Физический смысл сопротивления связи Р„можно сравнить также со смыслом активной проводимости полых резонаторов 6, обсуждавшейся в гл. 9.
Обе рассматриваемые величины позволяют найти напряжение или напряженность электрического поля, если известна высокочастотная мощность, поступающая в систему. Сходство можно усмотреть и в неоднозначности величин Р„ и 6, зависящих от выбранного пути отсчета. В самом деле, поле вблизи замедляющей системы не является неизменным, а убывает по экспоненциальному или по близкому к экспоненциальному закону по мере удаления от поверхности системы. Большей частью, если не делается иных оговорок, при вычислении сопротивления связи рассматривается электрическое поле, существующее на поверхности системы или на оси ее симметрии, где пропускается электронный поток. Чем больше расстояние от поверхности замедляющей системы, тем слабее напряженность поля при одной и той же мощности бегущей волны и тем меньше соответствующее сопротивление связи.
Уравнению (11.26) можно приписывать и более широкий смысл, если под Е2„подразумевать усредненный квадрат амплитуды высокочастотного электрического поля вдоль заданного пути (не обязательно совпадающего с осью ~), соответствующего движению электронного потока. Строгий аналитический расчет сопротивления связи по условию (11.26) для конкретных замедляющих систем является нелегкой задачей и возможен лишь в простейших случаях. Тем не менее, введение понятия сопротивления связи даже в общем виде имеет большое значение для построения теории электронных приборов СВЧ. Чем больше величина Р„, тем выше оказывается коэффициент усиления ламп бегущей волны.
В зависимости от типа замедляющей системы, величина Р„на практике составляет обычно от нескольких десятков до нескольких сотен омов. Важную роль в определении сопротивления связи играет эксперимент. Не следует смешивать понятие сопротивления связи с понятиями обычного характеристического или волнового, а также эквивалентного сопротивлений„определяющих условия согласования передающих линий СВЧ и волноводов (см. ~ 6.2).
Вопросы согласования замедляющих систем с другими линиями решаются фактически независимо от величины сопротивления связи. Проделаем некоторые преобразования общего уравнения (И.26). Выразим мощность Р, передаваемую по замедляющей системе, через групповую скорость о,р и энергию К1, содержащуюся в бегущей волне на единице длины линии. Рассматривая энергию как плавно переливающуюся по линии жидкость, в соответствии с ~ 2.6 имеем: Р= ~гр%~ Таким образом, (1126) может быть представлено в виде Егт ф 2 К (11 27) Полученное уравнение показывает, что для повышения сопротивления связи при заданной величине Р, т.
е. при заданном замедлении волны, можно идти по двум путям: 1) уменьшение энергии К~, содержащейся в единице длины замедляющей системы; 2) уменьшение групповой скорости о,р. Но групповая скорость имеет простую связь с фазовой скоростью Поскольку о,р=йо/~ф и Р=а/оф, можно записать: 1 ~Гр — уГ ~со (11 28) ы д0ф 1 0ф дО) уф При положительной, нормальной дисперсии оф>О и — ' < О Следо дО) вательно, для заданной величины коэффициента замедления групповая скорость тем меньше, чем больше величина т. е. чем сильнее выражена дисперсия.
К такому же результату можно придти, рассматривая режим отрицательной, аномальной дисперсии, имеющейся в периодических замедляющих системах (см. ниже). Отсюда следует сделать вывод, что системы, обладающие сильной дисперсией, могут иметь высокое сопротивление связи. ленной волны. Чем меньше величина , тем шире диапазон частот, в пределах которого выполняется условие приблизительного синхронизма при заданной скорости движения электронов. Поэтому требование высоко- го сопротивления связи может противоречить требованию широкополосно- сти электронного прибора СВЧ. ЫОф С другой стороны, при нулевой дисперсии, т. е.
при =- О груп. доз повая скорость на основании выражения (11.28) обязательно равна фазовой скорости. Поэтому системы, дисперсия которых близка к нулю, могут иметь достаточно высокое сопротивление связи в области больших замедлений (при малой величине оф). Примером подобных замедляющих систем является спираль, качественно рассматривавшаяся в 5 11 1. Применять спираль при очень малых замедлениях, например в линейных электронных ускорителях, не имеет смысла, так как величина Й„в рассматриваемом режиме становится исчезающе малой.
дцф Производная влияет не только на величину сопротивления АЛОЭ связи, но и на широкоиолоснасть замедляющей системы при использовании ее в лампах бегущей волны (ЛБВ). Выше указывалось, что в основе действия ЛБВ лежит принцип синхронного движения электронов и замед- Переходы типа связанных спиралей применяются не только на входе и на выходе ламп бегущей волны, но и для отбора мощности на внешний поглотитель. Это бывает необходимо, например, если высокий уровень мощности не позволяет создать ослабитель непосредственно в самой замедляющей системе. А АФ Рис 1127 Связь замедляющей системы типа встречных штырей с коаксиальной линнея (а) и системы типа круг лого диафрагмированного волновода со стандартным волноводом прямоугольного сечения (б) Рис И 28 Плавные переходы от за чедляющих систем типа встречных штырей (а) и гребенки (б) к волноводу прямоугольного сечения в миллиметровом диапазоне волн 1 — гребенка, 2 — зубцы встречноштыревой системы, 3 — экспоненциальные выступы„ 4 — прямоугольный волновод а — электронный пучок 27 и в Лебедев На рис.
И.27 изображены переход от коаксиальной линии на систему типа встречных штырей и переход от волновода прямоугольного сечения на замедляющую систему типа круглого диафрагмированного волновода. При разработке переходов особенно болыпую роль играет их широкополосность. Для расширения рабочей полосы частот, как и в обычных волноводах, широко пользуются принципом плавного изменения размеров и формы проводников замедляющей системы. В случае спиральной системы, например, оказывается целесообразным плавно увеличивать шаг спирали вблизи перехода, используя так называемую «раскрутку».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
