29_kospect_electro (555831), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Траектории движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном поляхПри ν 0 = ν П начальная скорость положительна и равна переменной. В этом случае электронсовершает прямолинейное и равномерное движение, что является результатом равенства электрическойи магнитной сил. При ν 0 = ν П электрическая и магнитная силы равны, но противоположны понаправлению. Траектория (1) характеризует циклоидальное движение электронов. На восходящей частициклоиды кинетическая энергия электрона возрастает, а на спадающей уменьшается до исходногозначения.Рассмотрим взаимодействие электронного потока с неоднородным электрическим полем,обусловленной СВЧ волной в замедляющей системе.
Плоские электроды представляет собойзамедляющую систему, в которой существует бегущая электромагнитная волна. Постоянноеэлектрическое поле создаётся за счёт разности потенциалов между анодом и катодом U А − U KРис. 3. Группирование электронов в приборах типа МПри анализе взаимодействия электронного потока с СВЧ полем рассматривается случай, когданачальная скорость электронов равна переносной.
Между электродами движется тонкий(ленточный)поток электронов. Электронный поток движется со скоростью, равной фазовой скоростиволны ν 0 = ν Ф .Влияние поперечной составляющей электрического СВЧ поля на движение выделенных на рис.3 электронов электрон 1 получает дополнительное ускорение, электрон 2 не испытывает ускорения, электрон 3 замедляетдвижение. В результате происходит группирование около электрона 2. Электрон 4 отстаёт от электрона 5 иэлектрон 5 является центром области разрешения электронного потока.
Таким образом,под влиянием поперечной составляющей вектора напряженности СВЧ поля электроны, движущееся впостоянных электрическом и магнитном полях группируются в сгустки.Влияние продольной составляющей электрического поля СВЧ волны электрон в центре сгусткаперемещается по направлению к положительному электроду по мере взаимодействия с переменнымполем.
Электроны, находящиеся в области разрешения будут уходить на нижний электрод. Придвижении электронов сгустка совершается ими положительная работа, их потенциальная энергия в полеЕ0 уменьшается, это изменение энергии вызвано взаимодействием электронов с СВЧ полем.Потенциальная энергия электронов передается полю волны. Электроны в области разрешения(нерабочие) быстро удаляются на нижний электрод.yEz > 0 тормозящее поле Ez < 0 ускоряющее поле0 123ZРис. 4. Силы, действующие на электронный поток в неоднородном электрическом поле СВЧволныРассмотрим, как меняется форма электронного пучка конечной толщины при взаимодействии с СВЧ полем.Под влиянием сил неоднородного электрического поля электроны в пучке меняют скорость своего движения,появляются переменные составляющие скорости как в продольном, так и в поперечном направлениях.Изменяется форма электронного пучка, она становится волнообразной (при входе прямолинейного ленточногопучка).yzРис.5.
Деформация электронного потока впроцессе взаимодействия с СВЧ полемВ областях тормозящего поля E z > 0 электроны не только группируются около невозмущенногоэлектрона но и смещаются по направлению к положительному электроду. Смещение тем больше, чемтеснее электронный поток к замедляющей системе, где интенсивней СВЧ – поле. В областяхускоряющего поля E z < 0 при разгруппировании электронов проходит некоторое сужение пучка исмещенного его в сторону электрода с нулевым потенциалом. Деформация пучка не сопровождаетсяизменением объемной плотности заряда.
При этом изменяется поле пространственного заряда, носящееволновой характер.Рассмотрим особенности энергообмена в приборах типа М и сопоставим их с приборами типа О.В приборах типа О длительное взаимодействие поля и электронов приводит к увеличению энергии СВЧполя, при этом уменьшается кинетическая энергия электронов. Для эффективного энергообменанеобходимо группирование электронов при выполнении условия синхронизма в тормозящем поле.
Этоусловие предполагает небольшое начальное превышение скорости электронов над скоростью волныv 0 ≥ vФ . Поэтому электроны передают только лишь небольшую часть своей кинетической энергии иэлектронной коэффициент полезного действия приборов типа О мал.В приборах типа М электрон совершает сложное циклоидальное движение, в процессе которого егоскорость изменяется, но в среднем останется постоянной, равной переносной скорости. Кинетическаяэнергия электронов не изменяется. В процессе взаимодействия СВЧ полю передаётся потенциальнаяэнергия электронов. При взаимодействии электроны, находящиеся в тормозящей полуволне поля, неизменяя своей кинетической энергии, смешаются под действием продольной составляющей E z СВЧполя в область пространства с большим потенциалом (к положительному электроду).
Уменьшениепотенциальной энергии электронов равно энергии, получаемой СВЧ полем в тормозящей полуволне.Электроны находящиеся в ускоряющей полуволне, смещаясь к отрицательному электроду (катоду),увеличивают свою потенциальную энергию. Происходит отбор энергии от СВЧ поля. Чем сильнеетормозящее поле E z , тем больше скорость переносного движения в подвижной системе координат,тем дальше электроны смещаются к поглотительному электроду и большая потенциальная энергияпередаётся от электронов к СВЧ полю.Отметим, что для приборов типа М выполняется условие точного синхронизма электронного потокаи СВЧ волны: ν oz = ν П = ν ф .Для иллюстрации процесса усиления СВЧ сигналов в этих приборах рассмотрим лампу бегущейволны типа М (ЛБВМ), которую называют магнетронным усилителем.Конструктивно выделяются плоские и цилиндрические приборы.
Магнетронным усилителем называетсяэлектронный прибор, в котором усиление электромагнитной волны, распространяющейся позамедляющей системе, осуществляется за счет ее динамического взаимодействия с электроннымпотоком, движущимся в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Усиление волны может бытьполучено за счет взаимодействия электронов как с прямой, так и с обратной пространственнойгармониками.Устройство (плоская конструкция) состоит из инжектирующего устройства и пространствавзаимодействия (рис. 6). Инжектирующее устройство состоит из катода и управляющего электрода,обеспечивающих создание ленточного электронного потока и ввод его в пространствовзаимодействия. Электроны движутся по циклоидальным траекториям при выходе изинжектирующего устройства.
Подбирают такие значения управляющего напряжения U a , чтобы привходе в пространство взаимодействия электроны находились в вершине циклоиды. В этой точкеимеется только горизонтальная составляющая скорости:V0 z =2 EaСистема короткой «оптики» Ua < U0 несколько меньшее.BВ пространстве взаимодействия подбирается U0, чтобы V0z=Vп . Траектория электронов оказываетсяпрямолинейной при отсутствии СВЧ – поля должны попадать на коллекторE0 = 2 EaПринцип действия ЛБВМ основывается на рассмотренных ранее явлениях. Высокочастотный сигнал подводитсячерез согласованный вход замедляющей системы, а выводится через выходное устройство. Если фазовая скоростьволны Vф равна переносной скорости Vп, то в пространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ– поля в результате уменьшения потенциальной энергии электронов.
Для предотвращения самовозбужденияимеется поглотитель.Границы электронного потока в неподвижной системе координат для определённого момента времени. В концепути электроны попадают на коллектор.Если амплитуда СВЧ сигнала велика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электродзамедляющей систему. Эти электроны отдают полностью свою потенциальную энергию СВЧ-полю.Линейная связь входных и выходных сигналов наблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадатьвблизи коллектора на анод замедляющей системы. С дальнейшим ростом входного сигнала всё большее числоэлектронов попадает на анод.
В этом случае коэффициент усиления ЛБВМ уменьшается, наступает нелинейныйрежим работы, при котором выходная мощность и КПД максимальны, а коэффициент усиления уменьшается.Коэффициент усиления K у (U ) = 54,6 DN − 6D=I 0 Rc wE zν ф0D – параметр усиления,ν ф =ν П0N – электрическая длина замедляющей системы.В реальных условиях К у (U ) ≈ 40(дб) при КПД ≈ 40-60%PвыхКу(р)ηэPвх17’.8. Амплитудная характеристикаМощность ЛБВМ для непрерывного (до неск. кВт.
КПД ≈ 40%) и импульсного (до неск. мега ватт. КПД≈ до 60%. Большие токи в импульсном режиме – неск. десятков ампер) режимов работы.Амплитудно – частотная характеристика ЛБВМ 20-30% от средней рабочей частоты.Шире, чем у ЛБВ типа О (за счёт различия скоростей электронов в потоке электронов конечнойтолщины – условие синхронизма выполняется в более широкой области частот).Рис.9. Конструкция цилиндрической ЛБВМ.Достоинство ЛБВМ: высокий электронный КПД, широкая полоса пропускания ифазовая стабильность выходного сигнала. Применение в качестве мощных выходных усилителей вдециметровом и сантиметровом диапазонах волн.Лампа обратной волны типа М (ЛОВМ)В лампах обратной волны типа М, которые могут быть генераторными или усилительнымиустройствами, взаимодействие электронного потока происходит с обратной пространственнойгармоникой.Рис. 10.
Схема устройства цилиндрической генераторной ЛОВМПри выполнении условия синхронизма и превышении тока пучка пускового в ЛОВМ происходитгенерация колебаний.У коллекторного конца замедляющей системы расположен поглотитель, который поглощает энергию,отраженную от выходного устройства, если согласование в нем недостаточно хорошее.Без поглощения создается дополнительная обратная связь (паразитная), которая ухудшаетравномерность частотной характеристики. Электронный поток представляет цепь положительнойобратной связи.Если вместо поглотителя установить вход энергии и установить ток меньше пускового, то ЛОВМ будетработать в усилительном режиме.Зоны генерации колебаний: поле в замедляющей системе должно удовлетворять условию – уколлекторного конца Еz=0, у катодного конца замедляющей системы Еz – максимально, на длинезамедляющей системы должно укладываться нечетное число четвертей волны.(2n-1)π, n=1,2,3…2областям генерации соответствуют различные законы изменения амплитуды поля волны вдользамедляющей системы, т.е.
различным значениям n.Пусковой ток I Ï ( n ) = ( 2n − 1) I Ï (1) ;(17’.26)IÏ=E z Vô 0(17’.27)16ωRc N 2Параметры и характеристики генераторной ЛОВМ.(1)PвыхηэPвыхIoВыходная мощность Pвых = A( I 0 − I 0 пуск )Рис 17'.11Зависимость выходной мощности и КПД от тока пучка, максимальное значение КПД 50-60%Лекция 25.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
