Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

ствие отражений от поглотителя, плохого согласования замедляющей системы с выходным волноводом и ряда других причин.

Лампы обратной волны применяются чрезвычайно широко. На- *более важными областями их применения является использование в качестве гетеродинов радиолокационных и связных приемников, в задающих генераторах передатчиков радиолокационных станций с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ системах передачи данных, в свипгенераторах измерительной аппаратуры.

ЛОВ разработаны для диапазона частот от 0,5 до 790 ГГц. Для сравнения заметим, что отражательные клистроны в настоящее время работают только до 220 ГГц. Выходная мощность ЛОВ на частотах 1-12,4 ГГц составляет около 100 мВт, на частотах до 18 ГГц - 50 мВт, на частотах до 27 ГГц - 20 мВт, на частотах до 40 ГГц - 10 мВт и на частотах выше 40 ГГц - единицы милливатт.

Достоинство ЛОВ - возможность перестройки частоты в широкой полосе. Существуют ЛОВ с диапазоном перестройки от 2 до 8 ГГц. Дальнейшее совершенствование ЛОВ проводится в направлении расширения полосы частот, уменьшения уровня шумов, повышения мощности и снижения габаритов. Основную часть массы прибора составляет фокусирующий магнит. В настоящее время разработаны новые магниты, состоящие из кобальта и редкоземельного элемента самария. Такие магниты в несколько раз легче магнитов из альнико- или платино-кобальтового сплава. Применение новых магнитов делает возможным снижение массы и габаритов ЛОВ. Эффективным способом снижения массы являются также периодическая магнитная фокусировка и периодическая электростатическая фокусировка.

Лампа обратной волны может быть использована также в усилителе. В этом случае рабочий ток лампы должен быть меньше пускового тока. Процесс усиления в ЛОВ аналогичен процессу усиления в ЛБВ, только сигналы усиливаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Поэтому'вход лампы расположен возле коллектора, а выход, как и в генераторе, - около электронной пушки.

Усилитель с обратной волной является регенеративным, поскольку всегда есть положительная обратная связь, и при некотором значении тока пучка, которое называется пусковым, возникает са мовозбужд ен и е.

Так же, как п самовозбуждение, усиление в ЛОВ необходимо рассматривать с учетом всех трех волн. Поле на выходе получается как результат интерференции трех волн, которые сдвинуты по фазе таким образом, что модуль суммарной амплитуды сигнала больше, чем величина поля на выходе. В связи с этим величина усиления ЛОВ существенно зависит от взаимной фазировки трех волн на выходе. При небольших изменениях частоты сигнала или параметров лампы изменяется разность фаз волн на выходе, что значительно изменяет коэффициент усиления.

Рассмотрим рис. 4.14. Кривая усиления имеет вид узкой резонансной кривой, центр которой определяется условиями синхронизма При изменении ускоряющего напряжения условия синхронизма будут выполняться для другой частоты, и кривая усиления смещается по оси частот. Для двух других значений ускоряющего на-

Рис. 4.14. Зависимость коэффициента усиления усилителя на ЛОВ от частоты:

l - u <Uo; ?-Uo=const:

3 - u>Ua

/II i

/II 1

/1 \ /

\ /1V

/l \ /1

пряжения кривые усиления показаны на рис. 4.14 пунктиром. Такое свойство усилительной ЛОВ позволяет использовать ее в качестве селективного усилителя с высокой избирательностью по частоте, с электронной перестройкой резонансной частоты в широких пределах. Поэтому усилительные ЛОВ можно применять во входных устройствах многоканальных систем связи.

§ 4.8. ГИБРИДНЫЕ ПРИБОРЫ

Представляет большой интерес создание гибридных приборов, объединяющих положительные качества клистрона и ЛБВ. Клистрон обладает высоким значением импульсной выходной мощности, большим коэффициентом усиления, хорошим кпд, но узкой полосой пропускания. Лампа бегущей волны характеризуется широкой полосой, но недостаточно высоким кпд.

Наиболее интересными из гибридных приборов являются клистроны с распределенным взаимодействием и твистроны. Эти приборы обладают широкой полосой усиливаемых частот, большим коэффициентом усиления и высоким кпд. Схематическое изображение клистрона с распределенным взаимодействием показано на рнс. 4.15а, б. В данном приборе резонаторы заменены короткозамкну-к'ыми отрезками замедляющих систем. Увеличение кпд клистрона с распределен-.лым взаимодействием по сравнению с обычным клистроном объясняется более эффективным группированием пучка в протяженных резонаторах. Низкие доб-*ротности резонаторов позволяют получить большую полосу пропускания. В результате кпд увеличивается до 60% при ширине полосы 2-3%. В качестве примера приведем параметры клистрона с распределенным взаимодействием ХЗОЗО (США): выходная импульсная мощность 2 мВт, кпд 617о, коэффициент усиления 45 дБ, полоса частот 2,5%. Данный клистрон разработан для 3-сантнметро-вого диапазона.

Твистроны (рнс. 4.15в) отличаются от клистронов с распределенным взаимодействием тем, что на входе прибора для модуляции электронного потока используется обычный группирователь многорезонаторного широкополосного клистрона, а выходной каскад представляет собой отрезок согласованной на кон-цах замедляющей системы. Обычно применяется замедляющая система типа лист клевера .

На рис. 4.16 показаны кривые усиления в зависимости от частоты для вход-ого и выходного каскадов твистрона. Верхняя кривая является типичной кри-Гвой усиления в режиме малых сигналов для выходного каскада, представляюще- 0 собой ЛБВ на замедляющей системе типа лист клевера . Усиление макси-иально в центре рабочей полосы частот и уменьшается на краях. Для расшнре-



ния полосы усиления прибора необходимо иметь специальную форму кривой усиления входного каскада, добиваясь максимального усиления на тех частотах, где усиление ЛБВ мало. Такая кривая усиления (рис. 4.166) получается соответствующей настройкой отдельных резонаторов входного каскада. Если предположить, что общее усиление равно просто сумме усилений входного и выход-

Ч

ч

г

\ 1

1 1

г

Рис. 4.15. Схемы гибридных приборов: а), б) клистрон с распределенным взаимодействием; в) твистрон

/ -ан-од; 2 -коллектор

Рис. 4.16. Частотные характеристики: а) выходной секции; б) входной секции; в) тви-строна

ного каскадов, то в результате получится нижняя кривая. Характеристика усиления отличается большой однородностью.

Приведем параметры твистрона VA143 (США): рабочая частота 3 ГГц, импульсная выходная мощность 12 мВт, кпд 43%, усиление 37 дБ, ширина полосы пропускания на уровне 3 дБ 14%, а на уровне 1 дБ 107о, что показывает хорошую линейность амплитудной характеристики. Ток пучка 160 А, напряжение

ГЛАВА ПЯТАЯ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ СО СКРЕЩЕННЫМИ

§ 5.1. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ

Рассмотрим движение электрона в плоском диоде, помещенном в магнитное поле. Анод диода находится под положительным потенциалом Но относительно основания (рис. 5.1). Напряженность электрического поля Ео составляет: Eo=Uofd, где d - расстоя-! ие от анода до основания. .Магнитное поле индукцией В направлено от читателя перпендикулярно плоскости чертежа. В этом случае уравнения движения электрона (1.7) имеют вид:

т - = eD-

т^ = еЕ.-еВ

(5.1)

dt* dt

Пусть в начальный момент времени /=0 электрон находится в начале координат и обладает начальной скоростью Vo. перпендикулярной электрическому и магнитному полям:

x = z

(6.2)

Интегрируя уравнения движения с данными начальными условиями, получаем уравнения траектории электрона:

X - R = - Rcosatt, 1тде ыц=(е1т)В - циклотронная частота.

0)ц

- V.

(5.3)

(5.4)

, Возводя ур-ния (5.3) в квадрат и складывая, получаем

ix-R)*+ z-tJ=R-. (5.5)

Это уравнение описывает окружность радиуса R. центр кото-рой имеет координаты R и {E{JB)t, т. е. центр перемещается вдоль юси 2 со скоростью

fue T = EIB. (5.6)

Согласно ур-ниям (5.3), электрон вращается по перемещающей-1ся окружности с постоянной угловой скоростью, равной циклотронной частоте. В результате траектория электрона представляет со-\ йой циклоиду - траекторию точки на катящемся круге.

- 83 -




Рассмотрим влияние начальной скорости Vo на форму траектории. Если основание является катодом, то можно считать, что Vo=0, и тогда радиус катящегося круга

R = EJ(oB. (5.7)

Электрон движется по обыкновенной циклоиде - он как бы помещен на окружности катящегося круга (рис. 5.1).

Рис. 6.1. Траектория элекгрова в скрещенных электрическом и магнитном полях в плоском диоде: / - анод; 2 - основание

При отрицательных или положительных значениях начальной скорости величина R меняется, и электроны описывают соответственно удлиненную или укороченную циклоиду (электроны расположены вне катящегося круга или внутри его).

Особым является случай, когда начальная Скорость электрона равна скорости центра круга: Vo=Eo/B. Тогда согласно (5.4) и (5.3)

R = 0; х = 0; z = {EjB)t, (5.8)

т. е. электрон движется прямолинейно вдоль оси z со скоростью, равной начальной (электрон как бы расположен на оси катящегося круга).

На практике многие приборы со скрещенными полями имеют не плоскую, а цилиндрическую конструкцию: круглый цилиндрический катод охватывается коаксиальным анодом большего диаметра. Электроны сохраняют петлеобразную форму траекторий. Такие траектории, эпициклоиды описывают точки круга, катящегося по окружности катода с постоянной угловой скоростью.

§ 5.2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МНОГОРЕЗОНАТОРНОГО МАГНЕТРОНА

Рассмотрим рис. 5.2. Электроны эмиттируются цилиндрическим катодом, коаксиальным анодному блоку. Статическое магнитное поле, создаваемое специальным магнитом (на рис. 5.2 не показан), направлено вдоль оси прибора перпендикулярно радиальному статическому электрическому полю. Благодаря скрещенным электрическому и магнитному поля.м эмиттированные электроны образуют в пространстве взаимодействия облако, вращающееся с определенной скоростью вокруг катода.

В стенке анодного блока имеется ряд полостей - объемных резонаторов, которые образуют колебательную систему магнетрона. Вследствие флуктуационного движения электронов в колебательной системе возбуждаются слабые переменные электромагнитные поля. При выполнении определенных условий синхронизма между элек-

(тронным облаком и высокочастотным полем электроны группируют-f ся в сгустки, и их энергия передается электромагнитному полю ре-( зонаторов. Наличие сильной обратной связи, обусловленной сверну-той в кольцо колебательной системой, приводит к установлению в магнетроне режима автоколебаний. Энергия этих колебаний выво-


НС. 5.2. Многорезонаторный магнетрон:

J -а.нодный блок; 2 -резонатор; 3 -коаксиальная линия; 4 - петля связ<и; 5 - катод

дится из прибора петлей связи, расположенной в одном из резонаторов.

Многорезонаторные магнетроны используют в качестве мощных генераторов сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн обычно в импульсном режиме. Особенности энергообмена в приборах типа М, рассмотренные ниже, обусловливают высокий кпд магнетронов.

§ 5.3. СВОЙСТВА КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МАГНЕТРОНА

ч

Известно, что замедляющие системы неограниченной длины (или согласованные на обоих концах) обладают относительно широкой полосой пропускания, поскольку длина бегущей в них волны может непрерывно изменяться в некоторых пределах. В ограниченном же со всех сторон объеме возможно существование только стоячей волны при определенных дискретных значениях частоты. Поэтому ограничение длины замедляющей системы приводит к делению полной полосы пропускания на ряд отдельных полос, соответствующих различным видам колебаний вдоль замедляющей системы. Ширина этих отдельных полос при условии малости потерь в системе оказывается значительно меньше ширины полной полосы пропускания.

Колебательные системы магнетронов образованы, по сути дела, широкополосными периодическими замедляющими системами, свернутыми в кольцо и замкнутыми на себя. В результате системы становятся резонансными и узкополосными, что резко увеличивает ампли гуду высокочастотного поля на резонансных частотах.

На рис. 5.3 показаны различные типы колебательных систем, применяемых в магнетронах. Они различаются формой и числом отдельных резонаторов, размещенных в анодном блоке. Число резонаторов может быть от 8 до 40. Конструкция с лопаточными резонаторами обладает наибольшей добротностью, поэтому ее широко используют в диапазоне волн короче 3 см. На более длинных волнах



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [ 12 ] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30