Стр.302-376 (1152181), страница 9
Текст из файла (страница 9)
7 52, б. В результате электрон типа 2 совершает многократные колебания, оставаясь в благоприятной фазе относительно СВЧ поля Рассмотренный процесс сортировки приводит к тому, что создается упорядоченное движение электронов, которое обеспечивает нарастание первоначальных малых колебаний, удовлетворяющих условию Т =т, или, что то же, ы = ыц Можно отметить сходстио с пролетными явлениями в генераторе тормозящего поля, описанном в й 2 6. Самовозбуждение магнетрона типа циклогронной частоты, как и любого автогенератора, может происходить только при отрицательной величине активной электронной проводимости рабочего промежутка, в данном случае промежутка анод †кат.
Посколюсу эффективная отдача энергии электронами полю происходит лишь при ы = сэц, ясно, что активная электронная проводимость имеет отрицательную величину в очень узком диапазоне частот вблизи частоты ыц. Получить значительное изменение генерируемой частоты путем перестройки внешнего контура прн данном типе колебаний нельзя Этим и объясняется кажущаяся независимость работы магнетрона от параметров внешнего контура. Широкого практического применения колебания типа циклотронной частоты з магнетронах не находят в основном ввиду более низкого к п д, чем при колебаниях типа бегущей волны С явлением циклотронного резонанса в магнетронных генераторах приходится обычно считагься, как с нежелательным эффекгом, приводящим при ы = ыц к ухудшению изаимодействия электронов с полем бегущей волны (см, й?.5). Рис 7 52 Движение электронов в плоском не.
разрезном магнетроне прв колебаниях тяпа циклотрониой частоты; пунктиром показано циклоидальное движение тех же электронов при отсутствии СВЧ поля Развитие электроники СВЧ позволило вернуться к проблеме генераторов и усилителей с циклотронным резонансом на новой, более совершенной основе, Этот вопрос заслуживает более подробного обсуждения (см. ниже) б. Приборы циклогронного гила с незамедлеииыми волнами Мизер Иа циклотронном резонансе Недостатком приборов СВЧ, использующих взаимодействие электронов с замедленными волнами, является сложность конструкции замедляющих си.
стем. Размеры замедляющих структур становятся особенно малыми при переходе к миллиметровому и субмиллиметровому диапазонам волн. Это не только за. трудняет изготовление таких приборов, но и не позволяет существенно повысить их мощность ввиду ограничений по величине рассенваелюй мощности. Е,ээ Рис. 7.53. Движение спирального электронного потока в прямоугольном волноводе с волной типа Нш 2я 2ят Т Ц ыи еВ (7.7!) Будем для простоты считать, что по аолноводу распространяется волна низ.
щего типа Ннл В поперечном сечении волновода траектория электрона и структура высокочастотного электрического поля имеют вид, показанный на рис. 7.53, б. Условие длительного взаимодействия электронов с волной при неизлэенной фазе СВЧ поля может быть получено следующим образом. Электрон, находящийся в некоторый момент времени н точке А, где имеется тормозящее СВЧ поле, после половины оборота оказывается в точке Б вблизи узкой стенки волнозода, где высокочастотное электрнчесное поле близко к нулю. Путь (т, проходимый электроном вдоль оси з за время полного оборота Тц, определяется осевой составляющей скорости о,л и равен о„Тц.
За то же время волна проходит путь (з = — ифТц, где оф — фазовая скорость рассматриваемой волны (оф > с). Возможность отказа от замедляющих систем н перехода к взаимодействию электронов с незамедленными («быстрымил) волнами отмечалась в 4 2.4, г С этой целью следует применять иепрлмолинейный электронный поток, как показано на рис 2.!4, а Периодическое движение электронов легко обеспечивается, например, при встреливании электронного потока, формируемого пушкой обычного типа, под углом к силовым линиям постоянного магнитного поля (рис. 7.53, а).
Возможно также использование электронной пушки магнетронного типа, непосредственно создающей поток со спиральными траекториями электронов. Рассмотрим спирализованный (винтовой) электронный пучок, проходящий вдоль оси однородного волновода прямоугольного сечения, как показано на рис. 7.53, а Продолжительность одного полного оборота электрона зависит только от индукции продольного магнитного поля В и, как и в случае магнетро. на, равна периоду циклотронного колебания Т„: Условие попадания электрона в точке А снова в максимум тормозящего поля можно записать в виде !з=пЛв~!б п=!, 2 3 (7.72) где Лз — длина волны в волноводе.
Первый знак в правой части (7.72) соответствует случаю, когда направления движения энергии волны и электронного потока совпадают (попутная волна). Второй (отрицательный) знак соответствует встречной по отношению к электронному потоку волне, бегущей на рис 7.53, а в направлении — г, 2поф Учитывая, что Лв — — , и используя условие (7.72), имеем: ; п=1,2,3,. огэ 1~— оф (7.73) Это условие определяет частоту ы, при которой возможен фазовый синхро. низм электронов с бегущей незамедленной волной в гладком прямолинейном волноводе. При оы с( оф длительное взаимодействие алектронов с полем происходит на частотах, приблизительно равных или кратных цнклотронной частоте ыц.
— ч Аналогичным образом могут быть определены условия сннхроннзма прн ! других типах волн и другик формах 2 3 Б сечения волновода с учетом положения центра электронной траектории отно сительно оси волнозода. При взаимодействии электронного потока со.встречной волной устройство, изображенное на рис. 7.53, ведет себя подобно лампе обратной волны Из уравнения (7.73)можно определить оптимальную величину скорости электронов о,э, при которой происходит усиление или генерация СВЧ колебаний На первой гар- монике цнклотронной частоты (л = 1), выражая величину аа через индукцию постоянного магнитного поля В, имеем: (еВ ) (7.74) В пространстве взаимодействия прибора, изображенного на рис.
7.53, отсутствует постоянное электрическое поле, перпендикулярное к магнитному полю В. Возможно также использование синхронизма трохоидального электронного потока с бегущей или стоячей волной в скрещенных постоянных электрическом н магнитном полях. Условие фазового синхронизма по-прежисму описывается уравнением (7.73). Такой прибор с незамедлениой волной типа ТЕМ, предложенный С. К,Тйтельбаумом в !955 г., получил название флзохрои. Дальнейшее значительное развитие этого направления достигнуто в работах Х В Гапонова и его сотрудников Генераторы и усилители циклотронного типа, использующие взаимодействие спнрализованного илн трохаидального электронного потока с не- замедленной волной в волноводах и в объемных резонаторах, получили назва.
ни е м аиды на дмклотрдккицдззодйпсаЬ м 1ЖОдин нз вариантов устройства МЦР - генератора с длинным цилиндриче. скин резонатором показан схематически на рис. 7.54 Прибор имеет инжеиторную пушку М-типа с узким эмиттирующим пояском. Резонатор возбуждается на виде колебаний Нэтр., возможна генерация также на других видах колебаний Анализ показывает, что группировиа электронов в таких приборах приближается к группировке, имеющейся в приборах типа О. Приборы типа МЦР открывают перспективы получения больших мощностей в миллиметровом диапазоне длин волн при высоком к.
п. д. (25 — ЗОВ и, возможно„ более) Рабочая полоса частот МЦР - усилителей определяется шириной линии циклотронного резонанса и может доходить до нескольких процентов от средней частоты Электрическая настройка производится изменением постоянного магнитного поля Наиболее короткая длина волны ограничена достижимой величиной магнитной индукции. Так, при а = 2 иж величина В по уравнению (7 70а) должна составлять более 5 тл (50 000 гс) Для создания таких и более сильных магнитных полей необходимо применять сверхпроводящие соленоиды, работающие при темперагуре жидкого гелия.
Значительное снижение требующейся индуи. ции магнитного поля достигается при работе на гармониках циклотронной ча- стоты в. Ци логроииые возим ткуда дох до. дз г(( дг е — — о ш еВ ох) иг д( дг доч доч ' + д( дз до, до, д( дг дз — =0 дт дз При — = — оз первые два уравнения дают: дг дог до, +аз = — ы о д( дг (7.75) доч доз — +оз — '= — ы о дт дз <7.76) Запишем поперечные скорости электронов в комплексной форме бегущей волны с постоянной распространения Г: О ' О ЕДШ Гз' О =О Е)тж — Гг ох+охав оч —— ода е где ы — круговая частота возбуждаемых колебаний Подставляя эти выраже.
ния в (7.75) и (7 76) и производя несложные преобразования, получаем: и~юц Г=-1 —. оо (7.77) распространения Г по (7.77) является мнимой Обозначая получаем: Постоянная ю Г=))) =- 1' —, оф оз оф == юц )~в ш (7.78) Для описания процессов, происходящих в приборах циклотронного типа, может быть использовано представление о ииклотронных волнах в электронных потоках, находящихся в продольном постоянном магнитном поле Эти волны в отличие от волн пространственного заряда, рассмотренных в 6 2 9, являются поперечными и могут возбуждаться, например, с помощью пары отклоняющих пластин, создающих поперечное высокочастотное электрическое поле Рассмотрим поток электронов, двигающихся в направлении оси з в постоянном магнитном поле, также направленном вдоль оси г.
Тогда при Е = 0 уравнение движения электронов (7.6) приобретает вид дч и — = — е (чВ), дт Это уравнение указывает, что в электронном потоке, находящемся в продольном постоянном магнитном поле с конечной пидукцией В, могут распростра. няться две поперечные волны Первая волна, соответствующая положительному знаку в знаменателе(7 78), называется медленной циклотроиной волной, вторая— быстрой циклотронной волной. Фазовая скорость быстрой циклотроиной волны по (7.78) может значительно превышать скорость движения электронов в направлении оси з.
Это обеспечивает синхроиизм л~сжду циклотронной волной и незамедлеиными волнами, распространяющимися по «гладким» передающим линиям СВЧ (сф ) с) Концепция циклотронных волн используется при анализе рабо~ы ряда электронных приборов СВЧ Примером непосредственного применения этих волн может служить электронно-лучевой параметрический усилитель, обеспечивающий усиление слабых СВЧ сигналов и имеющий весьма мачый уровень собственных шумов. Для более подробного изучения этих вопросов можно обратиться к отечественной и зарубежной литературе [11, ! 8, 52). ГЛАВА ВОСЪМАЯ' ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ В 8.!. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННО-НОННОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ в.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
