Стр.52-101 (1152178), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Для создания скоростной модуляции в широкой полосе частот можно перейти от резонансных систем с кратковременным взаимодействием к нерезонансным системам с длительным взаимодействием электронного пучка с полем бегущей волны. В качестве модулирующего устройства может быть применена замедляющая система — волноведущее устройство с замедленной волной, вдоль которого пропускается электронный поток. Рассмотрим отрезок замедляющей системы, например, спирали, на вход которой подан СВЧ сигнал, как показано на рис.
2.31. На втором конце замедляющей системы расположена согласованная нагрузка. В эту систему поступает электронный поток, ускоренный обычной пушкой. Рис, 2.32. Получение скоростной модуляции при длительном взаимодействии электронного потока с бегущей замедленной волной 3 з .аоо Для качественного объяснения скоростной модуляции рассмотрим случай синхронизма, т.
е, равенства скорости электронов ва н фазовой скорости и замедленной волны, распространяющейся в том же направлении. На рнс. 2.32 построен график распределения продольной составляющей Е, бегущей волны в системе координат з', двигающейся со скоростью волны пе. Через Х„м обозначена длина замедленной волны. В этой системе координат высокоча- л ) ,'а рпи стотное поле Е, имеет статический характер. При условии о, = ов электроны типов 1 и 2 (см. Рис.
2.32) остаются неподвижными относительно рассматриваемой системы координат, так как ф высокочастотное поле в этих точках равно нулю. Электроны типа 3 непрерывно ускоряются продольным по- Рис 2 3) Г)рименеиие спираль- ной замедляющей системы для лем волны; скоРость этих электРонов ск гной модуляции электрон- становится больше па. Соответственно ного потока (случай положительэлектроны типа 4, оказавшиеся в об- ной дисперсии) ласти максимального тормозящего поля, уменьшают свою скорость.
В потоке создается периодическая модуляция по скорости, нарастающая по мере движения электронов вдоль замедляющей системы. Заметим, что электронный поток, выходящий из замедляющей системы, имеет не только модуляцию по скорости, но и в какой-то степе- ни модуляцию по плотности. Центиа' пэ рами сгустков являются электроны Ус~граю Иа«тра сгугт«аа типа 1, расположенные в областях шеа перехода высокочастотного поля Е, через нуль от ускоряющей к тормозящей полуволне. "га« При положительной (прямой) дисперсии входной сигнал должен подаваться со стороны электронной пушки, как показано на рис. 2.31.
Если синхроиизм электронного потока с СВЧ полем обеспечивается ва одной из отрицательных (обратных) пространственных гармоник, то входной сигнал должен поступать в замедляющую систему со стороны, обращенной к коллектору. Чем слабее дисперсия, тем шире полоса частот, в пределах которой электроны остаются в синхронизме с волной при неизменной величине постоянного ускоряющего напряжения (1а.
При использовании спирали рабочая полоса частот может доходить до 50 — 100% от средней частоты. При одной и той же мощности входного сигнала напряженность пРодольного высокочастотного поля в замедляющей системе значи- тельно меньше, чем в полом резонаторе. Однако угол пролета электронов через замедляющую систему в принципе ничем не ограничен. Путь, на протяжении которого поле модулирует электронный поток, может быть сделан в замедляющей системе значительно ббльшим, чем в зазоре полого резонатора. В результате этого переменная составляющая скорости электронного потока на выходе замедляющей системы может быть сделана такого же порядка, как в высокодобротных системах с кратковременным взаимодействием.
Модулирующее устройство с бегущей волной весьма сходно с выходным устройством, расСматривавшимся выше в 2 2.4, г. Такое же сходство имеют между собою резонаторные системы, используемые для управления и отбора энергии от электронного потока. Исходя из принципа взаимности, все эти системы можно рассматривать, как устройства связи электронного пучка с внешней цепью. д. Концеиция р)ягеоеой фокуеироеки. гтдеалрная рэорма криеой аодулиругогцего наиряжения Пространственно-временные диаграммы преобразования модуляции по скорости в модуляцию электронного потока по плотности (см. рис. 2.19 и 2.29) имеют характерные изломы и пересечения графиков движения различных электронов.
Внешний вид этих диаграмм напоминает ход лучей, проходящих через линзу и фокусируемых в точке оптического фокуса. Эта оптическая аналогия получила название фазовой фокусировки в отличие от геометрической фокусировки, хорошо известной в классической оптике, а также в электронной оптике. Двухсеточный зазор, используемый для скоростной модуляции, играет роль фазввой линзы. Рассмотрим форму кривой напряжения и = Щ которое нужно приложить к бесконечно узкому зазору (фазовой линзе) для получения идеальной фазовой фокусировки. Полагая, как и прежде, скорость электронов, поступающих в зазор, одинаковой и равной а„ можно записать кинетическую энергию электронов после прохождения фазовой линзы в виде ягор ярорр — = — '+си. 2 2 Отсюда скорость электрона равна о = ор ~ 1+ — „, и.
2е (2.64) ягор При использовании метода дрейфа электрон, являющийся центром образукяцегося впоследствии сгустка, проходит зазор при напряжении, равном нулю, при переходе этого напряжения от тормозящего к ускоряющему (см. 2 2.8, в). Следовательно, время пролета центра сгустка до точки фокусировки, которую можно называть фазсвым фокусом, равно т, = —, где з — расстояние от фазовой линзы до фазоор' ного фокуса. Отсчет времени будем вести от момента прохождения центрального электрона через фазовую линзу.
Для любого другого электрона, проходящего зазор в момент времени г чь О при напряжении и чь О, время о пролета равно т = —. Условием одновременной встречи всех электронов в фазовом фокусе будет т, =«+ г. С учетом (2.64) это условие может быть переписано в виде Йово ° /2« Отсюда с учетом соотношения и = у — Уо имеем: (2.65) На рис. 2.33 показан график идеального модулирукяцего напряжения, определяемый уравнением (2.65). С физической точки зрения стремление напряжения и = )(г) к величине У, прн 1 ( — оо) легко объяснить тем, что электроны, прошедшие фазовую линзу задол! ! го до прохождения через нее центрального ! ! электрона, должны быть практически полностью остановлены, чтобы «ожидать» прибытия в фазовый фокус центрального электрона.
Далее, напряжение на зазоре должно стремиться к бесконечности при ! = —. В самом в о О ! а "о о деле, в этот момент времени центр сгустка ~/оо как раз оказывается в точке фокуса, и электрон, находящийся в фазовой линзе, должен рнс 2 зз Ил'ал'на" Фвр ма кривой молулирую- для фокусировки получить бесконечно боль- щего напряжения шое ускорение (релятивистские поправки здесь не учитываются).
Электроны, вошедшие в зазор в моменты времени позднее †', естественно, не могут быть собраны в рассматривае- "о мый сгусток. Для получения периодически следующих электронных сгустков напряжение на зазоре должно иметь пилообразную форму, качественно изображенную на рис. 2.34, а. В плоскость фазового фокуса прн этом будут поступать импульсы конвекционного тока, имеющие теоретически сколь угодно малую длительностый (рис. 2.34, б).
Постоянная составляющая этого тока имеет конечную величину и в точности Равна постоянному току 1„поступающему в фазовую линзу из электРонной пушки. Таким образом, «благоприятнымн» становятся все электроны, эмиттируемые катодом и поступающие в управляющий двухсеточный зазор (фазовую линзу). з» вт Рассмотренный режим соответствует идеальной группировке по закону б-функции, обсуждавшейся в 2 2.4, б. Пропуская полученные сгустки через выходное устройство, находящееся в плоскости фазового фокуса, можно обеспечить высокий к. п.
д. преобразования энергии источника постоянного напряжения Уо в энергию СВЧ колебаний. Величина к. п. д. в этом случае, однако, ограничена разбросом скоростей электронов в сгустках, обусловленным самим механизмом управления. Для получения к. п. д., стремящегося к 100%, необходимо, чтобы распределение электронов по скоростям также описывалось 6-функцией. Таким образом, использование скоростной модуляции приводит к новому противоречию. и Ослабить это противоречие можно, уменьшая амплитуду пилообразного напряжения, показанного на рис.
0 2.34, в сравнении с постоянным ус! ! коряющим напряжением Уе. г Практическое осуществление пилообразного напряжения оказывается »««м 1й !!!! р! в диапазоне СВЧ нелегким делом. При использовании высокодобротных полых резонаторов обычно приходится а г » иметь дело с синусоидальным модулирующим напряжением.
Синусоидальная модуляция, являясь лишь грубым приближением идеальной скоростной модуляции, принципиально не может обеспечить полной фазовой фокусировки электронного потока. Зто неизбежно сказывается на величине к. п. д. ламп со скоростной модуляцией. Расчеты конвекционного тока при синусоидальной фазовой фокусировке приводятся в гл. 5, где рассматриваются различные типы клистронов. В широком смысле слова фазовая фокусировка имеет место не только в рассмотренном случае, но и при любых быстро изменяющихся электрических полях.
Термин «фазовая фокусировка» используется иногда как равнозначный термину <группировка» и подразумевает динамическое управление электронным потоком. б) Рис. 2.34. Периодическая фа»оная фокусировка непрерывного электронного потока Заканчивая короткое рассмотрение общих вопросов скоростной модуляции, нужно подчеркнуть, что этот вид модуляции обычно сопровождает простую модуляцию по плотности в триодах, тетродах и других лампах как на сверхвысоких, так и на более низких частотах.
«Чистой> модуляции по плотности, строго говоря, как и «чистой» модуляции по скорости, почти не бывает. Однако при сравнительно низких частотах эффектами изменения скорости электронов и последующей группировкой можно, как правило, пренебречь ввиду малости пролетных углов. По этой же причине скоростная модуляция не нахо- дит прямого применения в низкочастотных электронных лампах. Га- бариты подобных ламп при низких частотах были бы недопустимо большими. й 29. ВОЛНЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКАХ Анализ процессов, происходящих в приборах СВЧ при больших углах пролета, большей частью основывается на изучении законов движения отдельных типичных электронов. Запаздывающими потенциалами при этом часто можно пренебречь. Примерами такого «кинематического» анализа могут служить приведенные выше расчеты скоростной модуляции и фазовой фокусировки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
