Стр.1-51 (1152177), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Естественным решением является конструктивное объединение зазора, пересекаемого электронным потоком, с полым резонатором, как показано на рнс. 2.9,б на примере тороидального полого резонатора. В соответствии с рассмотренными принципами, электроны следует пропускать через емкостную часть резонатора, где сосредоточено преимущественно электрическое высокочастотное поле. б.
Отбор энергии от модулированного электронного потока. Идеальная форма кривой конвекционного тока Если пропустить через зазор одиночный электрон или один короткий электронный сгусток, то колебания, возбуждаемые ударом в полом резонаторе (см. рис. 2.9, б), будут затухающими. Подавая в резонатор модулированный по плотности электронный поток, т. е. периодически следующие сгустки электронов, можно компенсиро» вать потери мощности в резонаторе и получить в установившемся режиме незатухающие колебания.
Условием отдачи энергии здесь снова является прохождение каждого сгустка через зазор при тормозящем электрическом поле. Отсюда следует, что наибольший отбор энергии от электронного потока достигается при равенстве резонансной частоты использованного резонатора и частоты следования сгустков. Ограничимся пока случаем, когда время пролета электрона через зазор много меньше периода колебаний. Постоянное электрическое поле в зазоре положим равным нулю. Рассмотрим с качественной точки зрения, какова оптимальная форма электронных сгустков, т.
е. при какой форме кривой конвекционного тока от времени будет достигнута наибольшая колебательная мощность в нагрузке. Начальную скорость электронов будем полагать одинаковой и равной ое. На рис. 2.10, а, б построены графики высокочастотного напряжения на зазоре резонатора и произвольной периодической функции конвекционного тока электронного пучка при равенстве частоты сгустков и частоты колебаний в резонаторе. Форма волны напряжения принята синусоидальной, что соответствует колебаниям в высоко- добротном полом резонаторе на одном из видов колебаний.
Амплитуда напряжения У зависит по закону Ома от амплитуды наведенного тока и величины сопротивления я на кзажимах» зазора (см рис 2.9, а). Однако величина У при бесконечно узком зазоре не может превышать постоянного напряжения у„соответствующего скорости электронов при входе в зазор. действительно, в противном случае та часть электронов, которая поступает в зазор при наибольшем тормозящем поле, не сможет пройти зазор и будет отброшена назад. При этом расходуется часть колебательной энергии резоназек, ввв зз поля, как показано на рис. 2.10, в. В промежутках между импульсами конвекционный ток должен быть равен нулю.
При длительности импульсов конвекционного тока, много меньшей половины периода ко- ! г,'г 1 б«анб! б) О 1 !б«анб! лебаний, т. е. при б! с( т электрическое поле в зазоре остается практически неизменным 4 за время прохождения сгустка. Рис. 2.10.
К вопросу об оптимальной ЭтО ОэиаЧаЕт, ЧтО При !у„, = Уа форме кривой коивекпионного тока плп вся кинетическая энергия злекполного отбора энергии от электронов тронных сгустков будет полностью использована и преобразована в энергию сверхвысокочастотных колебаний. Коэффициент полезного действия электронного прибора без учета потерь в колебательной системе будет приближаться к 100%. С математической точки зрения рассмотренная идеальная форма кривой конвекционного электронного тока соответствует б-функцин Дирака.
Период высокочастотного напряжения на зазоре может не толь))о равняться периоду следования электронных сгустков, но и быть кратным ему. Это означает, что импульсы конвекционного тока, изображенные на рис. 2.10, и, могут поступать не в каждый тормозящий полупериод, но всякий раз будут полностью отдавать свою кинетическую энергию. К. п. д.
и в этом случае приближается к 100%. Подобный режим соответствует работе идеального электронного умножителя часиюглы, в отличие от описанного выше режима идеального генератора или усилителя. На практике не удается осуществить идеальную форму конвекционного тока, изображенную на рис. 2.!О, в.
Тем не менее, получение возможно более коротких, хорошо очерченных электронных сгустков является одной из важнейших проблем электроники сверхвысоких частот. а) тора, что приводит к автоматическому уменьшению амплитуды У В предельном случае при У = !)а электроны, проходящие зазор при максимальном тормозящем поле, полностью отдают свою энергию и останавливаются в плоскости второй сетки. Для достижения высокого к. п.
д. необходимо, чтобы количество электронов, проходящих через зазор в моменты ускоряющего электрического поля, было значительно меньше, чем в моменты тормозящего поля (рис. 2.10, б). Далее, желательно, чтобы электроны проходили через зазор при возможно более сильном тормозящем поле. Следовательно, наиболее полный отбор энергии обеспечивается при пропускании электронов через Убаббнмябб зазор очень короткими прямо- а) угольными сгустками в моменты максимального тормозящего тая мал вабба Для выполнения условия И (С вЂ” необходимо, чтобы геометрит ческая протяженность каждого сгустка в направлении движения электронного потока даже при о, — с была много меньше половины рабочей длины волны в свободном пространстве.
Это требование в значительной мере ограничивает возможности создания генераторов и усилителей для наиболее коротковолнового участка диапазона СВЧ. Следует заметить, что требование создания коротких импульсов конвекционного тока для достижения высокого к.
п. д. встречается не только на сверхвысоких, но и на значительно более низких часто.тах. Зто условие лежит, в частности, в основе высокого к. п. д. усилителей, работающих в классе С, а также обычных автогенераторов прн малых углах отсечки 181. Однако упрощенные методы описания низкочастотных электронных приборов не дают достаточно полйого представления о физической стороне происходящих здесь процессов.
в. Применение резонанса»«к кол«ба»ельник систем зли отбора внереии от влек«ранов В электронных приборах, работающих на сравнительно низких частотах, отбор колебательной энергии н рассеяние в виде тепла избыточной кинетической энергии электронов осуществляются при участии одного и того же электрода †ано. Конструкция анода накладывает серьезные ограничения на повышение рабочей частоты приборов и на увеличение их мощности. В этом легко убедиться на примере «обычных» электронных приборов, в частности триодов. С укорочением длины волны размеры электродов должны уменьшаться, поэтому удельная рассеиваемая мощность неизбежно возрастает.
Увеличение удельной рассеиваемой мощности усугубляется падением к. п. д. приборов при переходе к более высоким частотам. В результате оказывается необходимым резко снижать мощность питания, подводимую к прибору, н довольствоваться весьма малой выходной высокочастотной мощностью. С этой точки зрения анод обычной лампы, выполняющий одновременно функции высокочастотного электрода и коллектора электронов, является далеко не совершенным выходным устройством. На сверхвысоких частотах те же функции могут успешно выполняться тремя электродами — рассматривавшимся двухсеточным зазором, входящим в состав полого резонатора, и коллектором, расположенным позади зазора (рис. 2.11, а). Как зазор, так и коллектор могут в простейшем случае находиться под одинаковым постоянным напряжением. Коллектор может быть совершенно не связан по высокой частоте с зазором и должен лишь улавливать «отработанные» электроны.
Функции высокочастотного зазора, наоборот, заключаются в «улавливанин» энергии по возможности без оседания электронов на сетках. Тем самым значительно облегчается тепловой режим. высокочастотных электродов, что позволяет резко увеличить мощность прибора. Эквивалентная схема зазора с полым резонатором, возбужденным на одном из видов колебаний, показана на рис. 2.11, б. Активная проводимость 6„„,„, изображенная на этой схеме, включает в себя эквивалентные активные проводимости собственно резонатора и на'грузки, определенные по отношению к сечению зазора.
Реактивная проводимость резонатора В вблизи резонанса линейно связана с частотой и зависит от величины нагруженной добротности. При настройке резонатора точно на частоту наведенного тока В = О. Наведенный ток, протекающий по внутренней поверхности стенок резонатора, зависит от формы сгустков и в общем случае может иметь резко несинусоидальный характер. Тем не менее, при использовании ный а леегел ллеллгер, 1 1 1 а) Рнс. 2.11. Полый резонатор длн отбора энергии от модулированного по плотности электронного потока в его эквнвалентнан схема полого, резонатора достаточно рассматривать лишь одну гармонику наведенного тока, имеющую частоту т, близкую к резонансной часто те резонатора та.
Для токов всех других гармоник полый резонатор представляет практически короткое замыкание. Отбор энергии происходит только на одной частоте. Если при неизменной частоте следования сгустков изменять настройку выходного резонатора, то частота колебаний, передаваемых в нагрузку, изменяться не может. Изменяется лишь амплитуда колебаний в резонаторе и, следовательно, величина выходной СВЧ мощности.
Максимум мощности достигается при условии В = О. Если резонатор допускает перестройку в очень широких пределах, при повышении собственной частоты те до величины, близкой к удвоенной частоте следования сгустков, будет достигнут новый максимум выходной мощности. Частота выходного сигнала скачкообразно станет в два раза больше частоты электронных сгустков и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
