Стр.1-51 (1152177), страница 9
Текст из файла (страница 9)
д. На этом основан принцип умножения частоты. Суммарная активная проводимость резонатора и нагрузки 6„, „„ необходимая для отбора наибольшей мощности от электронного потока, может быть оценена из следующих соображ иий. Амплитуда напря- вй жения У иа бесконечно узком зазоре при наиболее полном отборе мощности, согласно изложенному ранее, равна У,. Амплитуда наве- денного тока 1„„,д зависит от формы кривой конвекционного тока и пропорциональна постоянной составляющей тока 1,. Теоретически предельная величина 1кезед м составляет 21э. В этом нетрудно убе- диться, раскладывая в ряд Фурье прямоугольные импульсы тока, аг изображенные на рис. 2.10, в, и полагая — -э Ое.
В дальнейшем будет показано, что модуляция плотности электрон- ного потока в реальных приборах обеспечивает максимальную величину 1навед ж порядка (1 0 — 1,5)1е. Полагая для простоты 1взеев ж = = 1,, можно сделать вывод, что суммарная активная проводимость нагруженного резонатора должна составлять (2.40) У„У, где Ое — активная проводимость электронного потока по постоянному току.
На основании (2.40) иногда говорят о необходимости согласования активных проводимостей (или активных сопротивлений) колебатель- ной системы и электронного потока**. Условие (2.40) позволяет уточнить требования к выходным коле- бательным системам электронных приборов СВЧ. Так, например, при (1з = 1 кв и 1, = 50 ма активная проводимость 0„„, должна иметь порядок 5 1Π— ' ом — '. Иначе говоря, резонансное сопротивление си- стемы должно составлять 20 дом.
Реализовать подобные величины со- противлений и проводимостей с помощью контуров с сосредоточенными постоянными в диапазоне СВЧ невозможно, что еще раз показывает необходимость использования полых резонаторов. Для эффективного отбора энергии коэффициент взаимодействия зазора с электронным потоком должен быть возможно более высоким, чтобы не происходило значительного уменьшения амплитуды наве- денного тока в сравнении с амплитудой конвекционного тока (см. $ 2.3, г). Угол пролета электронов через зазор не должен превышать примерно и и во всяком случае должен быть меньше 2п.
По этой при- чине большинство электронных приборов, использующих полые ре- зонаторы, принято относить к классу устройств с кратковременным кэаимсдейсп!вием электронов с электромагнитным полем. Наиболее подходящими в этом случае являются полые резонаторы вогнутого типа, в частнрстн, тороидальные резонаторы, а также коаксиальные и цилиндрические резонаторы с укорачивающей емкостью [1). Зазор, являющийся частью полого резонатора, можно осуществ- лять в виде плоских сеток или отверстий небольшого диаметра, не за* К такому же выводу можно прийти более наглядным путем, если срев- нить выражения высокочзстотной мощности Р, отдаваемой электронным по.
током в вктнвную нагрузку, н мощностн Р„сообщземой электронному потоку источником ускоряющего напряжения Уе. Очевидно, что Р УеУж!ввведм н Ре = уеУе. Нз основзннн ззконз сохранения энергнн прн !00%-ном к. и. д. н и н Уж = Уе имеем: !взвел,е — — 2!е. десь согласование поннмеется в ином (более условном) сммсле, чем еоглвсоввнне в передающих лнннях 1!). 37 крытых сетками, как показано на рис. 2.12.
Выходной резонатор не обязательно должен целиком находиться в вакуумной части электронного прибора. Принцип наведения тока позволяет размещать резонатор снаружи вакуумной оболочки лампы при условии, что она выполнена из диэлектрика, например из стекла.
Этот прием несмотря на ограниченные возможности его практического использования ввиду ослабления поля зазора в ()егйе я области, где проходит электронный поток, покаЕенууннан. , Семки абеле«на зателен с физической точки зрения. '--л- Щель е. Отбор »персии (ауутоз' от злектронного потоки с номи«пего нерезонанснын колебательных систем б) В) Рнс. 2.12. Варианты устройства выходного полого резонатора Недостатком устроиства, в котором для отбора энергии использован полый резонатор, является его частотная селективность, или, как принято говорить, узкоаолосность.
Для расширения рабочей полосы частот можно увеличивать связь с нагрузкой, т. е. снижать внешнюю и нагруженную добротности резонатора (~,„и Я„при неизменной собственной добротности 1~е. Как известно, при этом достигается также некоторое повышение к. п. д. резонатора. Но это приводит к уменьшению резонансного сопротивления контура, т. е. к увеличению суммарной активной проводимости 0 „ (рис.
2.11, б), за счет роста активной проводимости нагрузки, трансформированной к сечению зазора. При неизменной величине тока пучка ть увеличение проводимости С„ приводит в свою очередь к снижению тормозящего высокочастотйого напряжения на зазоре. В результате происходит уменьшение энергии, отбираемой зазо. ром от электронного потока, и снижение полного к. п.
д. Вторым путем расширбния полосы частот является отказ от использования резонансной цепи и включение зазора в состав передающей линии, на конце которой расположена согласованная нагрузка. Однако характеристическое (эквнвалентное) сопротивление большинства передающих линий СВЧ сравнительно невелико (десятки и сотни омов). Достичь «согласования» сопротивлений линии и электронного потока в этих условиях обычно не удается. Поэтому для того, чтобы полнее использовать кинетическую энергию электронов, следует использовать достаточно большое число одинаковых зазоров, включенных в общую передающую линию.
Электронные сгустки должны проходить каждый зазор в одной и той же фазе — в момент максимального тормозящего электрического поля. Условие постоянства фазы высокочастотного поля в каждом из зазоров по отношению к электронным сгусткам означает, что фазовая скорость оэ волны, бегущей по линии, соединяющей зазоры, должна быть приблизительно равна скорости электронов о,. Требование о, = о обычно называют условием сиихронизма электронов и бегущей волны. Но скорость электронов не может быть равна скорости света с в свободном пространстве н тем более не может превышать ее; обычно о, сз, с.
Отсюда следует, что передающая линия, соединяющая зазоры, должна обладать свойствами линии задержки, как показано на рис. 2.13, а. В качестве линии задержки в диапазоне СВЧ может быть использована замедляющая система — спираль, гребенка, система встречных штырей и т. п. Двухсеточные зазоры, изображенные на рис. ))р С»апас»банная 2.13, не являются принципиаль- но»руана но необходимыми и лишь затрудняли бы прохоисдение электронного потока вдоль замедляющей системы. Продольное элен-, Мрййггндрбонл гн лентраниый данг»а трическое поле, создаваемое эти- э ' ' ми зазорами, может быть заме- ) ) ~ ~ т (. М нено провисающими (краевыми) Семки полями, существующими во вся- ' и) ~ 3 кой замедляющей системе при н, Ф волнах электрического типа. Следует учитывать, однако, что поле .замедленной волны г быстро убывает при удалении от 6) .
поверхности системы 111. Поэтому электронный поток желательно пропускать возможно и, 4 ближе к проводникам замедля- и ющей системы. Далее, напряженность высокочастотного электри- в) ческого поля в замедляющей системе тем больше, чем выше ее Рис. 2.13. Принципиальная схема нвресопротивление связи д~, Сле зонансного выходного устройства с йедовательно, для эффективного сколькими зазоРами, включенными в взаимодействия между электрон лин~ю адержки (а), " использованив Ро замедляющих систем с положительной ным потоком изамедленнойэлек- (б) и отрицательной (з) дисперсией: тромагннтнпй ВОЛНОЙ жсдатЕЛЬ- г — ээнеллнющэн енетенэ: г — нодулнроээннм» но исп ьзовать замедляющие электронны» ноток; 3 — эмэох энергии; 4— коллектор системы с достаточно высокой величиной )х„.
Ширина полосы частот рассматриваемого устройства определяется дисперснонной характеристикой замедляющей системы, т. е. зависимостью фазовой скорости волны от частоты. Чем слабее дисперсия, тем больше больше полоса частот, в пределах которой при заданной скорости электронов обеспечивается синхронизм между электронами и волной. чить пол Р сияя такие замедляющие системы, как спираль, можно обе еполосу частот порядка 50 — 100% от средней частоты. Это ценное сп- свойство ши к усилительны о широко используется в настоящее время в широкополосных У тельных лампах бегущей волны. Для сравнения полезно напом- 39 нить, что полоса частот одиночного полого резонатора обратно пропорциональна нагруженной добротности 1;1„ н даже при сравнительно низкой величине 1еп (порядка 50 — 100) составляет лишь 1 — 2% от средней частоты.
Характер дисперсии замедляющей системы оказывает влияние на место включения внешней нагрузки. Если система обладает положительной (прямой) дисперсией, то направления фазовой о и групповой о, скоростей совпадают. Направление же фазовой скорости всегда Эленвррнный лалтел Еалтдй зло о1 ГЕМ гЕм зле« ный Рис. 2.14. Взаимодействие электронного нотона с нерезонансной линией: а-прн перноднческом электронном потоке н ненни с неземедлен. ноа волной; б-прн прнмолннеаном потоке н перноднчеекоа эемедлпвщеа снстеме т должно совпадать с направлением движения электронов, удовлетворяя условию синхронизма о = о,.
Следовательно, вывод энергии должен ' располагаться на конце замедляющей системы, обращенном к коллектору, как показано на рис. 2.13, б. Прн использовании пространственных гармоник с отрицательной (обратной) дисперсией энергия должна отбираться в нагрузку с конца системы, обращенного в сторону источника электронного потока (рнс.
2.13, в). Это нетрудно понять, если вспомнить, что отрицательная дисперсия соответствует случаю, когда фазовая и групповая скорости имеют взаимно' противоположные направления. Передача энергии от электронов полю бегущей волны может происходить на большом протяжении замедляющей системы и носит многократный или непрерывный характер. Поэтому электронные приборы, использующие отрезки замедляющих систем, принято относить к классу приборов с длительным езаимодейсввиедг электронов с электромагнитным полем. Типичными представителями приборов с длительным взаимодействием являются лампы прямой бегущей волны (ЛБВ), лампы обратной волны (ЛОВ), а также магнетроны, платинотроны н др.
40 На первый взгляд может показаться, что осуществить длительное взаимодействие электронов с полем незамедленных волн типов ТЕМ, ТЕ и ТМ нельзя, поскольку при о > с не обеспечивается условие фазового синхронизма. Преодолеть эту трудность можно, используя непрямолинейный электронный поток, периодически взаимодействующий с полем незамедленной волны. На рис. 2.14, а изображена для примера двухпроводная или ленточная линия, возбуждаемая на волне типа ТЕМ. Модулированный по плотности электронный поток, периодически пересекающий эту линию, взаимодействует с электрическим полем линии, которое по отношению к движению электронов имеет продольный характер. Условие синхронизма, т.
е. постоянства фазы СВЧ поля при прохождении одного и того же сгустка в точках А, Б, В на рис. 2.14, а, может быть обеспечено выбором длины периода 1. и «размахом» 1 электронной траектории. Для сравнения на рис. 2.14, б показан более простой случай, когда прямолинейный электронный поток взаимодействует с периодической замедляющей системой, образованной волнообразно изогнутой ленточной передающей линией". Нетрудно заметить принципиальное сходство обеих задач.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
