Взаємодія електронного потоку із електромагнітними полями в електровакуумних приладах НВЧ. Загальні принципи перетворення енергії електронів в енергію НВЧ поля.

Як відомо, будь-який генеруючий або підсилюючий пристрій є перетворювачем енергії постійного (змінного) електричного поля в енергію електромагнітного поля необхідних параметрів з використанням речовини або середовища, що має властивості негативного або інверсійного поглинання. В електроніці НВЧ таким середовищем є вільні електрони, що рухаються у вакуумній камері приладу та створюють конвекційний струм.

Теоретично, відбір енергії НВЧ полем відбувається лише тоді, коли або енергія, що віддається кожним електроном полю перевищуватиме енергію забрану ним від нього, або кількість електронів що віддають енергію перевищуватиме кількість електронів прискорюваних цим полем. Перша умова технічно важко здійснимо із-за необхідності керуванням кожним електроном окремо. Друга – доступніша і здійснюється шляхом перетворення рівномірного по щільності та по швидкості потоку електронів в потік, щільність якого змінюється в часі і в просторі згідно певного закону.

На даний момент відомо два способи управління щільністю струму в потоці: електростатичний і динамічний [14, 15].

Електростатичний спосіб широко використовується у довгохвильовій радіотехніці і реалізується в добре відомих тріодних, тетродних та пентодних генераторах, що мають наступні загальні риси:

– перетворення рівномірного по щільності електронного потоку в модульований по щільності потік досягається в просторі катод – сітка;

– взаємодія потоку змінної щільності з електромагнітним полем, що приводить до відбору енергії відбувається в просторі сітка – анод.

– ці два процеси розділені не лише в часі, а і в просторі.

Незважаючи на широке застосування генераторів з електростатичним способом керування електронним потоком, їх використання в діапазоні НВЧ неефективно. Це пояснюється тим, що час прольоту електронів в просторі сітка – анод стає більшим за період хвилі НВЧ коливань і це приводить до того, що електрони можуть не лише віддавати свою енергію полю, а, при зміні гальмуючої фази на прискорювальну, віднімати її у нього.

Для оцінки впливу часу прольоту електронів на ефективність використання електровакуумного приладу зазвичай використовують кут прольоту електрона

.

Якщо кут прольоту не перевищує 0,1 , обмеженням швидкості електронів можна знехтувати. В протилежному випадку ефективність роботи приладу швидко падає із зростанням частоти. Так, швидкість електрона наприкінці його траєкторії біля аноду, при нульовій початковій швидкості визначається як м/с, де - напруга на аноді у В. При =100 В і відстані між анодом і катодом 3 мм середня швидкість електрона складе приблизно 3*10⁵ м/с, а час прольоту електрона - 10^-9 с. Для низьких частот цей час неістотний, проте на частоті 1 ГГц він дорівнює періоду коливань.

У відмінності від електростатичного способу модуляції по щільності потоку електронів, в динамічному способі НВЧ поле модуляції впливає не на при катодний об‘ємний заряд, збільшуючи або зменшуючи глибину потенційного бар'єру, а тільки на швидкість електронів потоку. При цьому способі відсутні електрони, що повертаються на катод і в більшості випадків знімається принципове обмеження на співвідношення періоду хвилі електромагнітних коливань та часу прольоту електронів в області енергообміну.

Різноманіття типів динамічних способів обумовлене варіаціями напрямів модуляції електронного потоку, тобто напрямком дії електричної і магнітної компонент полів модуляції і напрямку руху електронного потоку (подовжній, поперечний тип і т. д.). Власне кажучи, механізм групування електронів визначає класифікацію приладів. Прилади М- типу мають механізми групування подібний до магнетрона, в якому напрямок вектора електричного поля, що задає початкову швидкість електронів, перпендикулярна напрямку вектора магнітного поля. В приладах О- типу (ЛБВ, клістрон, ЛОВ) електричне та магнітне поля паралельні одне одному.

Важливим в процесі відбору енергії електронів є фазове фокусування, виконання якого забезпечує перенаселеність електронів в гальмуючій фазі поля, яке посилюється – умова передачі кінетичної енергії електронного потоку полю за рахунок гальмування електронів цим же полем [14-16]. Для цього необхідне виконання ефективного групування електронів по щільності, що і забезпечується пристроями модуляції електронного потоку по швидкості та по щільності.

Існує класифікація типів модуляції за часом дії на електронний потік: модуляція із короткочасною (нетривалою) взаємодією і модуляція із розподіленою (тривалою) взаємодією електронного потоку з НВЧ полем.

Приклад реалізації модуляції електронного потоку при короткочасній взаємодії представлений на рис.1.1. Цей спосіб модуляції застосовується в таких приладах як пролітний клістрон [17, 18].

У загальному випадку, функціонально схему, представлену на рис.1.1, можна розбити на три області.

· Перша область – це електронна гармата з електронно-оптичною системою, що забезпечує емісію, формування і прискорення електронного пучка в електростатичному полі, енергія якого перетворюється в кінетичну енергію електронів.

· Друга область – зазор-модулятор шириною d, в якому відбувається зміна швидкості електронів. Причому необхідне обмеження d<l де l – довжинахвилі сигналу модуляції.

· Третя область – простір групування, в якому відбувається ущільнення згустків електронів по щільності, завдяки модуляції по швидкості залежно від фази поля модуляції (позитивний або негативний приріст швидкостей). Згустки формуються навколо нульових електронів, які проходять модулятор в нульову фазу НВЧ коливань поля. Довжину простору групування вибирають згідно умови максимальної глибини модуляції електронного потоку по щільності.

Хоча при короткочасній модуляції умова d<l реалізується легше, ніж в пристроях електростатичного керування, але при зменшенні довжини хвилі модуляції виникають труднощі із точністю виготовлення і юстируванням таких модуляторів. Крім того із зменшенням довжини зазору, або збільшенні початкової швидкості, зменшується час дії поля на електрони, що погіршує глибину модуляції. Ці недоліки знімаються при використанні пристроїв формуючих електронний потік з тривалою взаємодією електронів і НВЧ поля [17].

Схема модуляції електронного потоку з тривалою взаємодією поля і електронів представлена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Схема модуляції ЕП при тривалій взаємодії поля і електронного потоку

Рівномірний електронний потік рухається спільно з електромагнітною хвилею, що біжить. Важливим є досягнення умови фокусування по швидкості - рівності фазової швидкості хвилі, що біжить (v_ф) і швидкості електронного потоку (v_е). Ця умова досягається при використанні уповільнюючих систем. При виконанні фокусування по швидкості електромагнітну хвилю і електрони можна представити взаємно нерухомими і в системі відліку електрона на нього діє майже постійне електростатичне поле. Електрони, що знаходяться в гальмівній фазі електромагнітного поля отримують негативний приріст швидкості, а електрони, які знаходяться в фазі прискорення, – отримують позитивний приріст швидкості. Як і в способі групування з короткочасною взаємодією, максимальна щільність електронів в пучку формується довкола електронів, що знаходяться в нульовій фазі хвилі. Відмінність і переваги в порівнянні з нетривалою взаємодією є те, що простір взаємодії і простір модуляції поєднані, знімаються складнощі довжиною зазору і збільшується час модуляції електронного пучка.

Відбір енергії від модульованого по щільності ЕП до поля хвилі, що посилюється здійснюється аналогічними, а інколи і тими пристроями (відбивні клістрони, ЛЗХ, ЛБХ), якими і проводилася модуляція. Виняток становлять гібридні прилади, в яких для підвищення ККД і збільшення ширини робочої смуги частот поєднуються два способи перетворення енергії: короткочасний і тривалий. Прикладом такого приладу може служити твістрон – поєднання пролітного мультирезонаторного клістрона і лампи хвилі, що біжить [19].

У приладах із короткочасною взаємодією передача кінетичної енергії електронів в енергію змінного електромагнітного поля відбувається при проходженні зазору резонатора, в якому збуджуються коливання потрібної частоти (клістрон).

У більшості приладів із тривалою взаємодією хвиля модуляції є хвилею, що посилюється. Для виконання умови фазової умови фокусування в приладах з розподіленою взаємодією швидкість електронного потоку роблять ненабагато більшою за фазову швидкість хвилі взаємодії.

Рисунок 1.3– Схема енергообміну в МЦР

Напрям руху спіралеподібного, рівномірного по щільності електронного потоку і електромагнітної хвилі збігаються з силовими лініями магнітного поля, а w – циклічна частота обертання вектора поляризації електромагнітної хвилі. Циклотронна частота обертання електронів визначається як

(1.1)

де е і m -заряд і маса електрона; w_В- циклотронна частота обертання електрона; В - модуль вектора магнітної індукції; g - релятивістський чинник; с - швидкість світла.

Над електронами ділянки АвВ хвиля здійснює позитивну роботу, а на ділянці АаВ – негативну. У результаті згустки електронів формуються в районі точки А, за умови що w_{В /} g = w. Сумарна робота поля в цьому випадку дорівнює 0. Енергообмін можливий у разі коли циклотронна частота не дорівнює частоті електромагнітного поля. При w_{В /} g ≥ w згусток поступово зміщується в гальмівну фазу поля, виконується умова фазового фокусування і електрони передадуть хвилі частку своєї кінетичної енергії. Електромагнітна хвиля посилиться, або виникне вимушене циклотронне випромінювання (магнітно-гальмівне, яке лежить в основі роботи гиротрона).