Наведенный ток диода на СВЧ

Анодный ток диода на низких частотах совпадает по фазе с анодным напряжением, так как мгновенные значения конвекционного тока на любом расстоянии от катода практически одинаковы и соответствуют мгновенному значению напряжения между электродами.

В диапазоне СВЧ между наведенным анодным током и анодным напряжением появляется фазовый сдвиг, происхождение которого можно пояснить с помощью рис.2а. На этом рисунке изображена схема электрической цепи, содержащей диод и источники питания. При этом предполагается, что амплитуда переменного напряжения источника питания U_am значительно меньше постоянного напряже­ния источника питания E_a0. Междуэлектродное пространство в диоде разбито на n промежутков, достаточно тонких для того, чтобы можно было считать конвекционный ток в пределах каждого промежутка неизменным.

Предположим, что конвекционный ток в любом k - ом промежутке равен конвекционному току в промежутке 1 в тот момент времени, когда электроны, находящиеся в рассматриваемом промежут­ке, оставили катод. Это означает, что мгновенное значение пере­менной составляющей конвекционного тока в рассматриваемом k-ом промежутке соответствует мгновенному значению переменного напряжения, существовавшего в момент вылета из катода электронов, находящихся в k - ом промежутке. Отсюда следует, что амплитуда переменной

составляющей конвекционного тока в каждом промежутке равна амплитуде переменной составляющей конвекционного тока в промежутке 1, т.е. у катода. Если конвекционный ток в проме­жутке 1 не зависит от частоты, то и амплитуда переменной сос­тавляющей конвекционного тока в любом промежутке не зависит от частоты.

Из-за конечного времени пролета электронов от катода до k -го промежутка переменная составляющая конвекционного тока в этом промежутке отстает по фазе от переменной составляющей тока в первом промежутке, а значит, и от переменного напряже­ния, которое совпадает по фазе с переменной составляющей тока в промежутке 1. Чем дальше расположен промежуток от катода, тем больше переменная составляющая в этом промежутке отстает от переменного напряжения, так как за большее время пролета фаза переменного напряжения изменяется на больший угол.

С увеличением частоты время пролета электронов остаетоя неизменным, но угол пролета увеличивается, т.е. отставание по фазе переменной составляющей конвекционного тока в k - ом промежутке от переменного напряжения растет.

На рис.2б показана векторная диаграмма переменных составляющих конвекционного тока в промежутках диода. Векторы отдельных составляющих I_ki . равны по величине, так как амплитуды переменной составляющей тока одинаковы. Сдвиг векторов тока относительно вектора анодного напряжения U_a тем больше, чем дальше от катода расположен промежуток.

Наибольший фазовый сдвиг наблюдается для вектора тока в промежутке, прилегающем к аноду. Этот фазовый сдвиг θ_ka равен углу пролета электронов от катода до анода. С увеличением час­тоты все элементарные векторы разворачиваются на все больший угол относительно вектора напряжения и соответственно увели­чивается угол θ_ка.

Для того чтобы определить наведенный ток, необходимо, как известно, найти среднее значение конвекционного тока в между­электродном промежутке. С этой целью сложим геометрически отдельные векторы и суммарный вектор уменьшим в n раз. Получен­ный таким путем вектор, показанный на рис.2б сплошной ли­нией, представляет собой вектор наведенного тока, протекающего во внешней цепи.

Фазовый сдвиг наведенного тока относительно переменного на­пряжения, очевидно, меньше θ_ка. При принятых допущениях он должен быть равен половине угла θ_ка, однако в действительнос­ти фазовый сдвиг θ_ср примерно в четыре раза меньше θ_ка , так как принятые предположения выполняются не полностью.

С ростом частоты угол пролета электронов увеличивается, длина вектора уменьшается, и фазовый сдвиг θ_ср растет. Годограф вектора наведенного тока показан на рис.2б штрихпунктирной линией.

Вектор наведенного тока I_н можно разложить на две состав­ляющие (рис.2в). Активная составляющая тока I_н.акт совпадает

по фазе с вектором анодного напряжения, а реактивная состав­ляющая I_{н.реакт} отстает от вектора напряжения на угол 90°, т.е. имеет индуктивный характер.

С ростом частоты активная составляющая наведенного тока уменьшается и при некоторых углах пролета может стать даже от­рицательной. Уменьшение активной составляющей наведенного тока с ростом частоты означает уменьшение энергии, расходуемой ис­точником переменного напряжения на управление электронным по­током, а появление отрицательной активной составляющей наве­денного тока свидетельствует о том, что указанный источник вообще не затрачивает энергии, а, наоборот, получает ее от ди­ода.

Физика этих явлений состоит в следующем.

На низких частотах источник переменного напряжения затрачивает энергию на ускорение электронов во время действия положительного полупериода напряжения. Часть этой энергии источник получает обратно за счет торможения электронов во время отрицательного полупериода напряжения. Однако электронов, вылетающих из катода при пониженном напряжении, меньше, чем при повышенном, поэтому энергия, отбираемая в среднем за период от источника, достаточно велика.

С ростом частоты многие электроны, вылетевшие из катода во время положительного полупериода, долетают до анода уже во время отрицательного полупериода, т.е. тормозятся и отдают свою энергию источнику. Вследствие этого часть энергии, затраченной источником на ускорение электронов, возвращается к нему. Вместе с тем увеличивается доля энергии, потребляемая от источ­ника на ускорение электронов, вылетевших из катода в отрицательный полупериод, однако число таких электронов мало, поэтому в итоге источник расходует меньше энергии, чем на низких частотах.

Дальнейшее увеличение частоты приводит к тому, что источ­ник расходует все меньше и меньше энергии на управление элект­ронным потоком и при некоторой частоте может оказаться так, что источник затрачивает на ускорение электронов меньше энергии, чем получает от электронов при их торможении. На таких часто­тах происходит преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию сверхвысокочастотных колебаний, источни­ком которых является диод, обладающий в этом случае отрицатель­ным сопротивлением.