Общие сведения о приборах СВЧ. Виды приборов
Общие сведения о приборах СВЧ. Электронные приборы диапазона сверхвысоких частот имеют ряд особенностей, отличающих их от обычных электронно-управляемых ламп. Как известно, использование обычных ламп в диапазоне сантиметровых и тем более миллиметровых длин волн затруднено влиянием инерции электронов и распределенных реактивных проводимостей.
В электронных приборах, специально предназначенных для использования в диапазоне СВЧ, устранение влияния реактивностей достигается тем, что сам прибор составляет единое целое с колебательной системой. В связи с этим при рассмотрении принципа действия и характеристик прибора приходится учитывать и свойства колебательной системы, а также влияние нагрузки, связанной с ней. Конечное время пролета электронов в междуэлектродном пространстве, значительно превышающее период сверхвысокочастотных колебаний, в электронных приборах диапазона СВЧ используется для формирования модулированного по плотности электронного потока и взаимодействия сформированного потока с высокочастотным полем. Формирование потока по плотности происходит обычно в результате модуляции электронов по скорости.
Виды приборов. Процессы модуляции по скорости, группирования электронов в сгустки (модуляции по плотности) и передачи энергии высокочастотному полю могут происходить либо одновременно на всем протяжении активной части прибора, либо разновременно на определенных участках пространства.
Приборы, использующие первый принцип, можно назвать приборами с непрерывным взаимодействием или приборами типа ламп бегущей волны. Второй принцип лежит в основе работы приборов с прерывистым взаимодействием, или приборов клистронного типа (пролетный и отражательный клистроны).
Следует особо подчеркнуть, что природа основных физических процессов, происходящих в обеих группах приборов, одинакова. Более того, между двумя группами приборов не существует резкой границы, что позволяет все указанные приборы рассматривать на основе общих представлений об отмечавшихся ранее процессах независимо от того, совершаются ли они одновременно или разновременно и на определенных участках междуэлектродного пространства или на всей его длине.
Наиболее отчетливо все эти процессы проявляются в клистронах - приборах с прерывистым (дискретным) взаимодействием электронного потока с переменными электрическими полями резонаторов
2. Модель прибора клистронного типа
Модель прибора. Простейшая модель прибора клистронного типа (рис.1) представляет собой последовательно расположенные электронную пушку, модулятор, пространство дрейфа, устройство для отбора энергии от сгруппированного в сгустки электронного потока и коллектор
Электронная пушка предназначена для создания потока электронов, модулятор – для модуляции электронов по скорости, пространство дрейфа электронов – для группирования электронного потока в сгустки и коллектор – для сбора «отработавших» электронов. Такая модель находит воплощение в двухрезонаторном пролетном клистроне
Устройство клистрона. Пролетный клистрон представляет собой электронный прибор, предназначенный для усиления или генерирования СВЧ колебаний.
Схема устройства двухрезонаторного клистрона показана на рис.2.
В состав клистрона входят: электронная пушка,
состоящая из катода 2 с подогревателем 1 и управляющего электрода 3 и создающая поток электронов 4; входной резонатор (модулятор) 5.; выходной резонатор (устройство для отбора энергии) 6; коллектор 7 для сбора «отработавших» электронов, вылетающих из выходного резонатора, и баллон 9 для сохранения высокого вакуума.
Пространство между резонаторами клистрона представляет собой пространство дрейфа. Конструкция резонаторов может быть различной, но наиболее часто используются резонаторы тороидального типа, представляющие собой полые цилиндры, длина образующей которых в центральной части значительно меньше длины образующей на периферии.Тороидальные резонаторы позволяют получить в центральной части сильное практически однородное электрическое поле, направленное перпендикулярно торцевым стенкам резонатора, т.е. вдоль линии движения электронного потока в приборе. Для того чтобы обеспечить прохождение электронного потока, в стенках центральной части резонатора имеются отверстия, которые часто с целью получения большей однородности поля делаются сетчатыми. Пространство между стенками, в котором может осуществляться взаимодействие электронного потока с полем резонатора, обычно называют зазором. Степень взаимодействия потока с полем определяется как
свойствами потока, так и свойствами резонатора. Связь резонаторов с внешней нагрузкой может осуществляться либо с помощью окна связи (в случае волноводной нагрузки), либо с помощью штыря связи, расположенного в пуч-
ности электрического поля, либо с помощью петли связи.
Резонаторы, как правило, соединяются между собой электрически, и на них подается высокий положительный потенциал относительно катода - от сотен вольт до сотен киловольт. В простейшем случае этот же потенциал имеет и коллектор.
Если в состав электронной пушки входит управляющий электрод, то на него подается отрицательный потенциал относительно катода. Изменение этого потенциала позволяет управлять током луча.
Фокусировка луча в клистроне обычно осуществляется с помощью внешнего магнитного поля, создаваемого электромагнитом 8 или постоянным магнитом. В маломощных клистронах непрерывного действия часто используется фокусировка луча только за счет положительных ионов, образующихся в рабочем пространстве прибора.
Принцип действия. Принцип действия пролетного клистрона основывается на физических процессах: модуляции электронов по скорости, группировании их в плотные сгустки и взаимодействии электронов с электромагнитным полем резонатора.
Пусть в пролетном двухрезонаторном клистроне (см. рис.2) в первый резонатор (модулятор) вводятся электромагнитные колебания. При этом между сетками резонатора создается высокочастотное напряжение, модулирующее электроны в луче по скорости.
Электроны, заторможенные в модуляторе, в пространстве дрейфа будут иметь скорость, меньшую постоянной скорости потока v0 , обусловленной постоянным напряжением резонатора U0 , а ускоренные электроны - скорость, большую скорости v0 . Поэтому электроны, вышедшие из модулятора во время действия в нем тормозящего поля, будут двигаться медленнее электронов, не получивших никакого приращения скорости, но вышедших позже.
В последующие моменты времени, когда переменное поле в модуляторе станет ускоряющим, электроны, вышедшие из модулятора позже предыдущих, в пространстве дрейфа будут двигаться ускоренно по сравнению с электронами, не получившими приращений скорости, т.е. будут догонять эти электроны, сближаясь с ними. С другой стороны, заторможенные электроны, вышедшие раньше, двигаясь медленнее всех других электронов потока, также будут сближаться в относительном движении с электронами, имеющими скорость v0 . В результате около последних образуются области с повышенной плотностью электронов - электронные сгустки, причем они образуются около электронов, во время пребывания которых в модуляторе переменное поле изменялось с тормозящего на ускоряющее. Около электронов, не получивших приращения скорости и находившихся в модуляторе при переходе поля от ускоряющего к тормозящему, наоборот, образуются разрежения, т.е. области с пониженной плотностью электронов. Действительно, в этом случае электроны, вышедшие из модулятора раньше, ускоряются, а вышедшие позже, замедляются, т.е. в пространстве дрейфа ускоренные электроны уходят от электронов, двигающихся со скоростью v0 , а замедленные отстают от последних.
Таким образом, в пространстве дрейфа электронный поток оказывается модулированным по плотности.
Группирование электронов в сгустки в пространстве дрейфа можно проиллюстрировать с помощью пространственно-временной диаграммы движения электронов (рис.3). На этой диаграмме по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат - расстояние, на которое удалился электрон от середины модулятора. Здесь же вдоль оси абсцисс показано переменное напряжение u , действующее в модуляторе и оказывающее неодинаковое влияние на электроны потока.
Выделим из всего потока электронов только те электроны, которые соответствуют экстремальным и нулевым значениям напряжения модулятора.
Если бы переменное напряжение отсутствовало, то пространственно-временные кривые, определяющие положение электронов, прошедших середину модулятора во время t1 , t2 и т.д., представляли бы собой параллельные прямые линии, наклон которых определялся бы значением скорости v0 , так как производная dx/dt характеризует скорость электронов.
При наличии переменного напряжения на сетках модулятора выделенные электроны получают различные приращения скорости, вследствие чего наклон прямых линий к оси абсцисс для ускоренных электронов уменьшится (производная dx/dt увеличится), для замедленных - увеличится (производная dx/dt уменьшится), а для электронов с неизменной скоростью останется прежним. Вследствие этого прямые линии будут пересекаться на некотором расстоянии x2 от середины модулятора. Точки пересечения соответствуют сгусткам электронов, так как они свидетельствуют о наличии в окрестности точки х2 в моменты времени t’ , t’’ и т.д. большого количества электронов. Наоборот, около электрона, вылетевшего в момент времени t3 , образуется разрежение. В дальнейшем на расстоянии х3 > х2 образуются два фокуса.
Картина получится более наглядной, если помимо выделенных на оси абсцисс электронов рассмотреть еще ряд промежуточных. Это не сделано лишь с целью сохранения ясности рисунка.
Следующие друг за другом сгустки электронов попадают во второй резонатор и наводят в нем высокочастотный ток. Связанное с этим током высокочастотное поле взаимодействует с электронным потоком и отбирает у него энергию. Для эффективного отбора энергии необходимо, чтобы сгустки электронов входили во второй резона
тор во время действия тормозящего полупериода электромагнитного поля. Это обеспечивается автоматически, так как причиной появления поля являются сгустки электронов, отдающие свою энергию полю. Следовательно, сгустки электронов вызывают появление поля с необходимой фазой и взаимодействуют с этим полем, увеличивая его энергию. Увеличенная (усиленная) энергия отводится из второго резонатора во внешнюю нагрузку.
Виды пролетных клистронов. Взаимодействие сгустка электронов с полем резонатора приводит к уменьшению средней скорости сгустка. С другой стороны, электроны, находящиеся на участке разрежения, попадают в резонатор во время действия ускоряющего полупериода поля, а поэтому ускоряются и, выйдя из резонатора, догоняют сгусток и уплотняют его. Если на пути электронного луча поместить еще один резонатор, то можно добиться еще большего уплотнения сгустка, а значит, и большего усиления мощности за счет лучшего группирования электронного потока. При этом энергия отводится из третьего резонатора. На описанном принципе основана работа многорезонаторных клистронов.
Пролетный клистрон может использоваться не только в усилительном режиме, но и в автогенераторном, т.е. для генерирования колебаний. В этом режиме второй (или любой последующий в многорезонаторном 'клистроне) резонатор связывается с первым по внешней цепи, как показано на рис.2 штриховой линией. В любых элементах схемы имеются флюктуационные колебания многих частот. Есть они и в резонаторах, причем наибольшая их амплитуда соответствует резонансной частоте. Первоначально небольшие колебания могут вызвать формирование слабо выраженных сгустков электронов в луче, которые будут способствовать увеличению амплитуды поля во втором (или последующих) резонаторе. Если длина внешней линии связи выбрана правильно, то усиленные колебания будут поступать в первый резонатор в такой фазе, что возникающее в резонаторе электрическое поле приведет к модуляции луча по скорости, последующему его группированию в сгустки и прохождению сгустков во втором резонаторе в тормозящий полупериод поля (условие баланса фаз). А это, в свою очередь, вызовет дальнейшее увеличение энергии во втором резонаторе. Если энергия, теряемая в резонаторах и во внешних цепях (в том числе и в нагрузке), меньше энергии, поставляемой сгруппированным электронным потоком, то этот процесс будет развиваться до тех пор, пока не установится некоторая величина поля в обоих резонаторах, определяемая равенством указанных энергий (условие баланса амплитуд).
Изменение длины внешней линии связи приводит к срыву автоколебаний, так как не соблюдается описанное ранее условие необходимого соответствия фаз напряжений в первом и. втором резонаторах. Путем изменения ускоряющего (постоянного) напряжения также можно прекратить автоколебания, так как при этом нарушается условие баланса фаз внутри самого прибора за счет времени пролета электронов. Как в том, так и в другом случае появление и срыв автоколебаний (а значит, наличие или отсутствие мощности Рвых на выходе клистрона) носит периодический характер, т.е. при изменении либо длины внешней линии связи (угла j), либо ускоряющего напряжения (угла пролета θ0) образуются зоны генерации клистрона (рис.4).
Наряду с усилительными и автогенераторными пролетными клистронами широко используются умножительные клистроны, принцип действия которых мало отличается от рассмотренного ранее. Возможность умножения частоты в клистроне основывается на присутствии в конвекционном токе высших гармонических составляющих со значительными по величине амплитудами. Так, например, амплитуда десятой гармоники всего лишь в два раза меньше амплитуды первой гармоники. Выходной резонатор умножительного клистрона настраивается на n - ую гармонику возбуждающих колебаний.
Электронные сгустки в умножительном клистроне по-прежнему поступают в выходной резонатор с частотой возбуждающих колебаний, т.е. возбуждение выходного резонатора производится один раз за n периодов колебаний в нем. Умножительные клистроны позволяют получить колебания весьма высоких частот (порядка нескольких десятков и даже сотен гигагерц).
3. Анализ основных процессов
Модуляция электронного потока по скорости. Вернемся к модели прибора клистронного типа, изображенной на рис.1. Здесь показаны, в частности, две сетки, на которые может быть подано высокочастотное напряжение, изменяющееся по закону u = Umsinwt.
Потенциал сеток и коллектора относительно катода одинаков и равен U0 , так что электроны, эмитированные катодом, при отсутствии переменного напряжения на сетках летят в пространстве между сетками и в пространстве за сетками с постоянной скоростью v0= (2eU0/m)1/2.
Предположим вначале, что время пролета электронов между сетками намного меньше периода высокочастотного напряжения, тогда можно считать, что движение каждого электрона между сетками происходит при постоянном (мгновенном) значении переменного напряжении.
Скорость электронов, вышедших из модулятора, определяется выражением
v = v0+Dv =( 2e/m) (U0+Umsinwt).(1)
Закон модуляции скорости электронов в общем случае отличается от синусоидального, как это видно из выражения (1).Однако если амплитуда Um мала по сравнению с постоянным напряжением U0 (малые сигналы), то выражение (1) может быть с достаточной степенью точности представлено первыми двумя членами разложения в ряд, т.е.
v=v0 (1+ x sinwt), (2)
где x=Um/U0 ; v0 = (2eU0/m)1/2.
Тогда можно считать скорость электронов, вылетающих из модулятора, модулированной по синусоидальному закону.
Если время пролета электронов соизмеримо с периодом высокочастотного напряжения, то амплитуда изменения скорости электронов уменьшается по сравнению с амплитудой, определяемой выражением (2). Снижение амплитуды скорости можно учесть путем усреднения напряжения, действующего на электрон за время пролета в модуляторе. Для облегчения этой операции примем во внимание, что x<<1 , а поэтому время нахождения в модуляторе любого электрона практически неизменно и равно среднему времени пролета
τ1=d1 /v1 , (3)
где d1. - расстояние между сетками модулятора.
Кроме того, будем отсчитывать время t1 от момента нахождения электронов в середине модулятора. Тогда время влета электронов в модулятор будет равно t1 - τ1/2а время вылета из него равно t1+τ1/2
Среднее значение высокочастотного напряжения, действующего на электроны за время пролета их в модуляторе, определяется интегралом
(4) (15.4)
где θ1=wτ1- средний угол пролета электронов в пространстве модулятора.
Таким образом, в формуле (1) теперь следует учесть изменение амплитуды из-за конечного времени пролета электронов в соответствии с выражением (4). Уменьшение амплитуды учитывается коэффициентом
(5)
называемым коэффициентом эффективности модуляции, коэффициентом электронного взаимодействия или коэффициентом связи электронного потока с полем модулятора.
Результирующее выражение для скорости электронов после модулятора с учетом конечного времени пролета электронов в модуляторе будет иметь вид
(6)
Группирование электронов в пространстве дрейфа. Электронный поток, модулированный по скорости в модуляторе, при дальнейшем движении в пространстве дрейфа становится неоднородным по плотности. Иными словами, конвекционный ток зависит как от координаты х, так и от времени t . Для выяснения этой зависимости используем закон сохранения заряда. Выделим в электронном потоке два тонких слоя, вылетающих из модулятора в моменты времени, различающиеся на величину dt1 . В пространстве дрейфа эти слои сближаются (или расходятся) и на некотором расстоянии ходин слой отстает от другого уже на меньшее (или большее) время dt .Из закона сохранения заряда следует
i (x,t) dt = I0 dt1. (7)
где i (x,t) - конвекционный ток в плоскости х ; I0 - конвекционный ток в плоскости х = 0, т.е. в модуляторе. При этом предполагается, что конвекционный ток в середине модулятора такой же, как и до модулятора, т.е. постоянный.
Из выражения (7) можно определить конвекционный ток в пространстве дрейфа:
(8)
Абсолютная величина производной в выражении (8) принята по той причине, что направление конвекционного тока в пространстве дрейфа не зависит от знака производной. Иными словами, опережение первого слоя вторым не говорит об изменении направления тока, так как электроны движутся в одном и том же направлении и в сгустке лишь перераспределяются заряды одного и того же знака.
Выражение для конвекционного тока (8) неудобно для анализа, так как производная текущего времени по времени вылета задана в общем виде. Поэтому предварительно следует определить указанную производную.
Время t прихода в точку х электрона, прошедшего середину модулятора (х =0) во время t , можно найти, если известна скорость электрона v и приращение скорости, полученное электроном в модуляторе:
(9)
С учетом принятого ранее допущения о малости ξ равенство (9) можно приближенно записать в виде
(10)
Отсюда непосредственно можно получить интересующую нас производную
(11)
где
(12)
Величина X носит название параметра группирования, а θ0 –“невозмущенного” угла пролета в пространстве дрейфа, т.е. угла пролета электрона с неизменной скоростью.
Таким образом, выражение (8) теперь можно записать в явной форме:
. (13)
Полученное выражение говорит о том, что изменение тока как в пространстве, так и во времени имеет явно несинусоидальный характер. Правда, при Х<<1 можно считать приближенно, что конвекционный ток изменяется во времени по синусоидальному закону относительно постоянной составляющей I0 , однако такие режимы практически не используются из-за малой плотности конвекционного тока.
Зависимость i(t) на различном расстоянии от модулятора (при различных значениях X ) показана на рис. 5.
При построении этой зависимости использовано соотношение (10) с учетом того, что второй член в скобках значительно меньше первого, а поэтому можно принять t = t1+ θ0 /ω .
Рассмотрение зависимости конвекционного тока от расстояния и времени позволяет представить общую картину группирования сгустков в пространстве дрейфа.
По вылете из модулятора электроны группируются в сгустки с малой плотностью, и изменение конвекционного тока в пространстве и во времени имеет синусоидальный характер. При дальнейшем движении сгустки уплотняются и форма их постепенно трансформируется, так что конвекционный ток и во времени и в пространстве изменяется по явно выраженному несинусоидальному закону.
На расстоянии x , соответствующем параметру X =1, сгустки приобретают наибольшую плотность и конвекционный ток становится бесконечно большим (практически из-за действия расталкивающих сил пространственного заряда пик тока конечен).
При дальнейшем движении в пространстве дрейфа сгустки "раздваиваются", т.е. в каждом сгустке образуется два пика, причем эти пики в дальнейшем расходятся, двигаясь в направлении оси х с разными скоростями. Физически образование двух пиков конвекционного тока объясняется обгоном электронами, вышедшими позже из модулятора при действии ускоряющего поля, электронов, вышедших раньше из модулятора при тормозящем поле. Обгоняющие электроны вместе с электронами, заторможенными в модуляторе, но вышедшими более чем на полпериода раньше, и образуют новый пик тока.
Спектр конвекционного тока. Рассмотрение зависимости конвекционного тока от времени показывает, что этот ток богат спектральными составляющими высших порядков особенно при значениях параметра X , близких к единице и больших единицы. Для выяснения спектра конвекционного тока функцию, определяемую выражением (13), нужно разложить в тригонометрический ряд по аргументу ωt . Однако более удобным оказывается разложение ее в ряд по аргументу ωt - θ0 , так как при этом отпадает необходимость в проведении нескольких промежуточных преобразований.
Разложение функции i(x,t) в тригонометрический ряд позволяет получить
(14)
где Jn(nX)—функция Бесселя первого рода n-го порядка.
Таким образом, конвекционный ток в пространстве дрейфа состоит из постоянной составляющей тока I0 и суммы гармонических составляющих, амплитуда, частота и фаза которых определяются выражением (14).
Амплитуда любой гармоники определяется зависимостью соответствующей бесселевой функции от параметра пХ
Для бесселевых функций первого рода зависимость эта такова, что при увеличе- нии параметра пХ функция вначале, возрастает, затем достигает максимума, уменьшается и при больших значениях пХ осциллирует вдоль
оси пХ.На рис.6 изображены кривые,выражающие зависимость относительных амплитуд гармоник от параметра X .
Рассмотрение рисунка показывает, что наибольшей амплитудой обладает первая гармоника конвекционного тока при значении параметра X = 1,84.Максимальные значения гармоник более высокого порядка получаются при меньших значениях X , приближающихся к единице. Физически это можно объяснить с помощью рис.6. Более короткий импульс конвекционного тока с крутыми фронтами, естественно, более богат гармоническими составляющими высших порядков, чем импульс широкий с "расходящимися" пиками.
Амплитуда первой гармоники тока при Х= 1,84 составляет 1,16 I0 , так как значение бесселевой функции первого рода первого порядка J(I,84) = 0,58. Значение параметра X = 1,84 можно считать оптимальным, так как при этом значении наблюдается максимум амплитуды первой гармоники, а следовательно, и оптимальное группирование электронного потока. Это означает, что если, например, уменьшить амплитуду напряжения на сетках модулятора Um , то в данную точку пространства поток будет приходить "недогруппированным" и амплитуда конвекционного тока будет меньше максимальной. При увеличении напряжения Um амплитуда тока снова уменьшится, но уже из-за того, что поток будет "перегруппирован". Те же результаты для данной точки пространства можно получить изменением любой другой величины, определяющей значение параметра группирования X в соответствии с выражениями (12).
Рассмотрим механизм взаимодействия переменного по плотности электронного потока с возбужденным этим же потоком полем резонатора. Вначале рассмотрим механизм возбуждения колебаний в резонаторе. Сгруппиро
ванный электронный поток, проходя через зазор резонатора, вызывает в последнем наведенный ток, а на зазоре резонатора - напряжение, тормозящее движение электронных сгустков. В результате этого торможения электронный поток отдает резонатору часть энергии, идущую на компенсацию потерь в резонаторе, т.е. на поддержание в нем колебаний. Предполагается, что конвекционный ток содержит гармонику с частотой, равной собственной частоте резонатора. Такой гармоникой может быть любая, в том числе и первая, которую и будем использовать в дальнейшем для определенности рассуждений. Составляющие конвекционного тока с частотами, отличающимися от собственной частоты резонатора, не будут вызывать заметного напряжения на резонаторе, поэтому их можно не рассматривать.
Первая гармоника наведенного тока во внешней цепи iн1 связана с первой гармоникой конвекционного тока iк1 соотношением
(15)
где d—ширина зазора резонатора, а ток iк1 определяется формулой
) (16)
в которой (17)
где L—расстояние от середины модулятора (зазора первого резонатора) до середины зазора рассматриваемого резонатора.
Для выполнения интегрирования необходимо уяснить значение функции J1(X), входящей в выражение (16). Учитывая то обстоятельство, что угол пролета в зазоре мало изменяется относительно своего среднего значения, а значит, мало изменяется и параметр X , будем считать функцию J1 (X) постоянной и соответствующей значению X для середины зазора резонатора. Тогда, подставив выражения (16) и (17) в (15) и учтя уменьшение катодного тока в рассматриваемом резонаторе в k раз (из-за “перехвата” резонаторами электронов потока), получим
где
Коэффициент М ранее уже встречался. Он представляет собой коэффициент связи электронного потока с полем резонатора. Физический смысл его в данном случае состоит в том, что он показывает, насколько уменьшается амплитуда наведенного тока по сравнению с амплитудой конвекционного тока. Кроме того, коэффициент М указывает на наличие модуляции уже сгруппированного потока по скорости в зазоре рассматриваемого резонатора.
Наведенный ток вызывает появление переменного напряжения на зазоре резонатора с амплитудой
где g - полная активная проводимость резонатора.
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
Наведенные токи в цепях электродов лампы | | | Внешние характеристики и параметры усилительных пролетных клистронов |
Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 5539;