Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 18
Текст из файла (страница 18)
В связи с этимрезультирующее значение энергии, передаваемой от электронного потока полю,становится меньше, чем в зоне п=0. Передача энергии уменьшается при больших номерахзон. Наибольшая мощность в зоне n=0, эту зону обычно называют основной. В связи сотмеченной особенностью взаимодействия сгустков и поля пусковой ток, требуемый дляначала самовозбуждения, увеличивается с ростом номера п. Расчеты показали, чтопусковой ток для зоны п=1 примерно в шесть раз выше, чем для зоны п=0.
При токепучка, большем пускового тока для зоны n=1, возможно одновременное существованиеколебаний обеих зон.Фазовые условия (4.44) используют и для определения частоты генерируемыхколебаний в различных зонах, если известна дисперсия фазовой скорости обратнойпространственной гармоники. Очевидно, что частота будет зависеть от номера зоны n, а ввыбранной зоне от v0, т.
е. от ускоряющего напряжения U0. Зависимость частотыгенерируемых колебаний от ускоряющего напряжения называют электроннойперестройкой частоты. Например, с увеличением U0 возрастает скорость электронов v0 идля выполнения условия (4.44) необходимо увеличение vфp. Так как дисперсия фазовойскорости обратных пространственных гармоник аномальная, то увеличение vфp можетпроизойти только в результате возрастания частоты ω генерируемых колебаний. Другимисловами, увеличение U0 должно сопровождаться ростом частоты колебаний.Для нулевой зоны (n=0) на основании (4.43) можно сделать более конкретные выводы,если предположить, что сдвиги фазы ωl/vфр и ωl/v0 значительно больше π. В этом случаедля выполнения фазового условия (4.43) требуется, чтобы скорость электронов v0 быланемного больше фазовой скорости vфр, т.
е. необходимо выполнение условиясинхронизма, обеспечивающее передачу энергии от электронного потока бегущей волне.Поэтому частоту генерируемых колебаний в зоне п=0 при сделанном предположенииможно определить из условия синхронизма, считая, что v0 ≈ vфpМы уже отмечали, чтопри большомтоке пучка возможно одновременное79Рис. 4.22существование колебаний двух зон: п=0 и n=1. Но из фазового условия (4.44) следует, чточастоты этих колебаний различны. Такой двухчастотный режим работы недопустим,поэтому необходимо принимать меры для устранения колебаний в зоне n=1. Для этого токпучка устанавливают больше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового токапервой зоны.Ширина диапазона электронной перестройки характеризуется коэффициентомперекрытия диапазона δп=fмакс/fмин, где fмакс, fмин – максимальная и минимальная граничныечастоты диапазона.
Для ЛОВ с коаксиальным выводом энергии обычно δп=2, а сволноводным выводом определяется полосой пропускания стандартного волноводноготракта и равен δп=1,5–1,6.Для характеристики зависимости частоты от напряжения используют крутизнуэлектронной перестройки частоты Sэпч=df/dU. Примерная зависимость частоты отнапряжения показана на рис. 4.22,а (кривая 1). Крутизна электронной перестройкичастоты уменьшается с ростом U0. Для ЛОВ сантиметрового диапазона крутизна небольше нескольких мегагерц на вольт, а для миллиметрового – десятки мегагерц на вольт.В действительности кривая электронной перестройки частоты имеет “волнистый”характер (кривая 2). Объясняется это влиянием отражений энергии от поглотителязамедляющей системы и от элементов системы вывода энергии и внешнего тракта.Выходная мощность и электронный КПД.
В ЛОВО электронный поток имеетмаксимальную модуляцию по плотности (наибольшую амплитуду первой гармоникиконвекционного тока на рис. 4.18,б) в той части замедляющей системы, где СВЧ-поле (Ez)мало в отличие от ЛБВО, в которой I(1) и Еz. увеличиваются к выходному концузамедляющей системы (см. рис. 4,7,6). Поэтому в ЛОВО мощность, отбираемая полем отэлектронного потока и зависящая от произведения I(1) и Еz, невелика и составляет отнескольких десятков милливатт до нескольких ватт, как у отражательных клистронов.Соответственно электронный КПД ЛОВО низок.Выходную мощность генераторной ЛОВ определяют по формуле Pвых=kU0(I0–I0(пуск)),где I0 – ток пучка; I0(пуск) – пусковой ток, при котором начинается генерация; k —коэффициент, зависящий от параметра усиления (4.28) и электрической длины N (4.38).Оказывается, что величина I0(пуск) пропорциональна напряжению U0. Поэтому зависимостьРвых от U0 имеет вид сплошной кривой 1 на рис.
4.22,б. Сначала Рвых растет, так какувеличивается подводимая к ЛОВ мощность постоянного тока P0=I0U0, а затем в связи сувеличением I0(пуск) рост Рвых замедляется, возможно наступление насыщения и дажеспада.На рис. 4.22,б пунктирной кривой 2 показано изменение Рвых в реальных условиях,когда часть мощности отражается от поглотителя замедляющей системы и от системывывода энергии в нагрузку.80§ 4.9. Особенности устройства и применения ЛОВОВ ЛОВО в качестве рабочей пространственной гармоники используется нулевая, еслиона обратная, или гармоника с номером р=–1.
ЛОВО широко используют какмаломощные генераторы в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом и дажесубмиллиметровом диапазонах волн. В ЛОВО применяют системы с двойной спиральюРис. 4.23(см. рис. 4.3,ж), системы встречных штырей (см. рис. 4.3,г) и др.Как уже отмечалось, выходная мощность ЛОВО составляет от нескольких десятковмилливатт до нескольких ватт, а КПД—порядка несколькихпроцентов.
Конструкция системы фокусировки пучка,вывода СВЧ-энергии в ЛОВО имеет много общего смаломощными ЛБВО.В табл. 4 приведены электрические параметры ЛОВО,работающих в различных диапазонах частот.На рис. 4.23 показана генераторная ЛОВ без поглотителя,в которой замедляющая система на одном концекороткозамкнута и создает полное отражение.
На другомконце замедляющей системы перед нагрузкой установленадиафрагма Д, частично отражающая энергию. Такие ЛОВРис. 4.24называются резонансными, так как замедляющая система,ограниченная короткозамыкателем и диафрагмой, является резонатором. В рабочемдиапазоне перестройки ЛОВ имеется несколько резонансных частот, для которыхкрутизна электронной перестройки будет минимальной.
Чем выше добротностьрезонатора, тем меньше крутизна и выше стабильность частоты в фиксированных точкахдиапазона.Таблица 4Параметры маломощных ЛОВОНа рис. 4.24 показаны характеристики электронной перестройки (а) и областигенерации (б) резонансной ЛОВ. В резонансных ЛОВ возможна и механическаяперестройка резонансной частоты перемещением диафрагмы. Резонансные ЛОВ имеютзначительно меньший пусковой ток и больший электронный КПД, чем обычные ЛОВО стем же рабочим током пучка.81Глава 5 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИБОРОВ ТИПА МПриборами типа М называют приборы, в которых в энергию СВЧ-полянепосредственно преобразуется потенциальная энергия электронов, а не кинетическаяэнергия, как в приборах типа О.
Такое взаимодействие электронов и СВЧ-поляобеспечивается при использовании взаимно перпендикулярных (скрещенных)электрического и магнитного полей.Первым прибором типа М был многорезонаторный магнетрон— генератор СВЧколебаний. Значительно позже были разработаны усилительная лампа бегущей волнытипа М (ЛБВМ), генераторная и усилительная лампы обратной волны типа М (ЛОВМ) иплатинотрон. Однако после общего анализа особенностей движения электронов вскрещенных полях (гл. 5) методически целесообразнее рассмотреть сначала ЛБВМ иЛОВМ (гл.
6), затем многорезонаторный магнетрон (гл. 7) и платинотрон (гл. 8).§ 5.1. Движение электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях встатическом режимеРассмотрим движение электрона в пространстве между двумя параллельнымиплоскими электродами, где имеется электростатическое поле с напряженностью Е0 истатическое магнитное поле с индукцией В, направленной перпендикулярно плоскостичертежа (рис. 5.1). Ось z системы координат направлена параллельно электродам. Началокоординат для общности рассмотрения расположено произвольно.Рис. 5.1На электрон, находящийся в произвольной точке М и имеющий скорость v, действуютдве силы: электрическая Fэл (сила Кулона) и магнитная Fм (сила Лоренца), причем(5.1)Так как в рассматриваемом случае Ex=Ez=0, Ey= –Е0, Ву=Bz=0 и Bx= –В, тосоставляющие сил из (5.1):(5.2)Таким образом, уравнения движения можно записать в виде:(5.3)Систему уравнений (5.3) обычно приводят к виду(5.4)82где(5.5)так называемая циклотронная частота—угловая частота вращения электрона воднородном магнитном поле.
Для электрона fц=2,8⋅104 В, где fц – частота мегагерцах: В –магнитная индукция в теслах. Например, при B=1 Т fц=2,8 ГГц.Допустим, что в начальный момент времени t=0 электрон находится в началекоординат х0=у0=z0=0 и имеет скорость, определяемую составляющими v0z, v0y, а v0x=0. Изтретьего уравнения (5.4) и начального условия v0x=0 следует, что движение электронабудет происходить в плоскости уz.Решая систему уравнений (5.4) и используя начальные условия, получаем:(5.6)где(5.7а)(5.7б)(5.7в)(5.7г)Уравнение (5.6) можно привести к виду(5.8)Уравнение (5.8) представляет окружность радиусом R, центр которой имееткоординаты а и b. Но с учетом (5.7а) и (5.76) координата центра а равномерно смещаетсяпо направлению z со скоростью(5.9)а координата b не изменяется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
