Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Ранее было выяснено, чтоесли начальная скорость электронов направлена параллельно электродам и равнапереносной скорости, то траектория электронов прямолинейна. Переносную скорость впространстве взаимодействия определяют по формуле (5.9) Таким образом, привыполнении условия v0z=vп траектория оказывается прямолинейной и электроны должныпопадать при отсутствии высокочастотного поля в пространстве взаимодействия наколлектор.Высокочастотный сигнал подводится через вход замедляющей системы. Если фазоваяскорость пространственной гармоники vфp равна переносной скорости vп, то впространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ-поля в результатеуменьшения потенциальной энергии электронов.
Для предотвращения самовозбужденияимеется, как в ЛБВ типа О, поглотитель.Процесс взаимодействия был рассмотрен в § 5.2. Под действием поперечной91составляющей СВЧ-поля происходит группирование электронов в области максимуматормозящего поля волны. Продольная составляющая тормозящего СВЧ-поля заставляетэлектроны смещаться вверх к аноду. Ранее мы рассматривали взаимодействия с СВЧполем бесконечно тонкого ленточного потока. В действительности электронный поток,входящий в пространство взаимодействия, имеет определенную толщину ∆ (см. рис.
6.1).Напряженность СВЧ-поля в ячейках замедляющей системы зависит от поперечнойкоординаты у, поэтому взаимодействие поля и электронов, находящихся в разных точкахРис. 6.2сечения потока, различно. Верхние электроны испытывают воздействие более сильногоСВЧ-поля, чем нижние. На рис. 6.2 показано смещение электронов в подвижной системекоординат (движущейся синхронно с волной). Стрелки обозначают смещение во времениэлектронов, начавших движение в разных фазах СВЧ-поля, а толстые линии – верхнюю инижнюю границы электронного потока, наблюдаемые в подвижной системе координат.Смещение электронов на верхней границе всегда больше, чем на нижней, поэтомусечение пучка пульсирующее: в тормозящем поле увеличивается, а в ускоряющем –уменьшается. Расчеты показывают, что в приборах типа М, несмотря на группированиеэлектронов в тормозящем поле, объемная плотность электронного потока в отличие отприборов типа О остается постоянной, так как одновременно с продольнымгруппированием происходит увеличение сечения пучка (растет размер пучка впоперечном направлении).
Передача потенциальной энергии электронного потока СВЧполю в приборах типа М объясняется только тем, что электроны в тормозящем СВЧ-полесмещены в область с большим потенциалом статического поля, так что их потенциальнаяэнергия превышает потенциальную энергию электронов в ускоряющем СВЧ-поле.Границы электронного потока в неподвижной системе координат для определенногомомента времени показаны на рис. 6.3. Пунктирными горизонтальными прямымиотмечены границы пучка, когда нет СВЧ-поля. При наличии СВЧ-поля электронынаходятся в выбранный момент времени внутри заштрихованной области.
В другоймомент времени волна оказывается смещенной вправо на некоторое расстояние, авыбранный электрон, если он находится в тормозящем поле, сместится вверх кположительному электроду. Со временем такой электрон плавно смещается вверх.Штрихпунктирной линией показана траектория электрона, начавшего движение вмаксимуме тормозящего поля в точке А.
Точками А', А" показаны положения этогоРис. 6.392электрона через каждый период СВЧ-напряжения, когда тормозящее поле имеет опятьмаксимальную величину. Электрон, находившийся в момент времени t в точке А,перейдет за период Т в точку А', а электрон, бывший в точке А', за это же времяпереместится в точку А" и т. д.В конце пути электроны попадут на коллектор.
Однако, если амплитуда СВЧ-сигналавелика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электродзамедляющей системы. Эти электроны отдают полностью свою потенциальную энергиюСВЧ-полю. Линейная связь выходного и входного сигналов наблюдается до тех пор, покаэлектроны не начнут попадать вблизи коллектора на анод замедляющей системы. Сдальнейшим повышением входного сигнала все большее число электронов будет попадатьна анод, причем точка попадания электронов смещается влево. В этом случае замедляетсярост выходной мощности, а коэффициент усиления ЛБВМ начинает уменьшаться.
Принекотором входном сигнале наступает режим насыщения.93§ 6.2. Параметры и характеристики ЛБВМЭлектронный КПД. Определим КПД ЛБВМ способом, который применим и длядругих приборов типа М.В приборах типа М происходит передача потенциальной энергии электронов СВЧполю замедляющей системы. Пусть электрон попадает на анод замедляющей системы,имеющий потенциал U0. Электрон, вылетая из катода, имеет потенциальную энергию eU0,а при попадании на анод – нулевую. Однако не все изменение потенциальной энергии eU0идет на увеличение энергии СВЧ-поля.
Для выполнения условия синхронизма начальнаяскорость электронов при влете в замедляющую систему должна определяться формулой(5.22). Кинетическая энергия электрона при этой скорости(6.2)а при вылете из катода равна нулю. Рост кинетической энергии произошел в результатеуменьшения потенциальной энергии электрона на величину eU0синх, причем(6.3)Величина eUсинх соответствует потенциалу точки влета электрона в пространствовзаимодействия и называется потенциалом синхронизации. Таким образом, (6.3) выражаетпотерю потенциальной энергии, необходимой для сообщения электронам начальнойскорости, требуемой условием синхронизма в пространстве взаимодействия.Потенциальная энергия, передаваемая СВЧ-полю, равна разности eU0 и eUсинх, поэтомуэлектронный КПДηэ = (eU 0 − eU синх ) / eU 0 = 1 − U синх / U 0(6.4)Принципиальных ограничений для КПД нет.
Однако следует иметь в виду, что приувеличении U0 необходимо одновременно пропорционально увеличивать индукциюмагнитного поля В, чтобы переносная скорость электронов оставалась постоянной иусловие синхронизма не нарушалось. В действительности КПД всего прибора оказываетсяменьше рассчитанного по формуле (6.4), так как не все электроны достигают анодазамедляющей системы, а электроны, попавшие на анод, рассеивают свою кинетическуюэнергию в виде тепла. Кроме того, часть энергии СВЧ-поля расходуется на ускорениеэлектронов, двигающихся в неблагоприятной фазе.Для повышения КПД при заданном U0 требуется брать меньшие значения Uсинх, т.
е.необходимо вводить поток электронов возможно ближе к холодному катоду на рис. 6.1.Однако напряженность СВЧ-поля резко уменьшается при удалении от анодазамедляющей системы. Поэтому при смещении электронного потока к холодному катодудля получения прежнего группирования потока потребуется больший входной сигнал, чтоснизит коэффициент усиления. Следовательно, условия получения высокого КПД ибольшого коэффициента усиления в ЛБВМ несовместимы. При большом входном сигналеКПД может быть высоким (50–70%).Коэффициент усиления.
Наибольшая передача энергии от электронного потокабегущей волне, а следовательно, и наибольший коэффициент усиления в приборах типа Мдостигается при точном синхронизме электронов и волны. Коэффициент усиления ЛБВМрассчитывают на основе линейной теории, которая приводит к представлению СВЧ-полядвумя парциальными волнами. Коэффициент усиления определяют по формуле,аналогичной формуле (4.40) в ЛБВО:(6.5)Здесь А – коэффициент, учитывающий распределение поровну между парциальнымиволнами энергии входного сигнала (А=20lg1/2=–6); D—параметр усиления, аналогичный94по смыслу параметру усиления С в ЛБВО; N—электрическая длина замедляющейсистемы, а В—коэффициент, связанный с параметром «холодного» рассинхронизма (4.32)соотношением6.6)Используя (6.5) и (6.6) можно сделать вывод, что при b=0 коэффициент усилениямаксимальный:(6.7)а при b=±2 K у(U)=0.В ЛБВМ условия достижения высокого КПД и большого коэффициента усиленияпротиворечивы.
Однако возможно компромиссное решение, при котором КПДсравнительно высокий (40–60%), а коэффициент усиления, хотя и ниже, чем в ЛБВО, нодостаточно велик (20–25 дБ).Амплитудная характеристика. На рис. 6.4 приведена зависимость выходноймощности от входного сигнала при постоянном токе пучкаI0. При увеличении входного сигнала выходная мощностьвозрастает и достигает насыщения при некотором значениивходного сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
