Особенности работы ламп на СВЧ

На СВЧ время пролета электронов соизмеримо с периодом электрических коле­баний, управляющих электронным потоком. Поэтому пролет электронов проис­ходит в условиях изменяющегося электрического поля. Такой режим работы на­зывают динамическим. Для учета влияния времени пролета электронов на токи электродов применяют понятие наведенного тока.

Рассмотрим систему из двух плоских электродов, между которыми перемещает­ся со скоростью υ тонкий электронный слой с общим зарядом -q (рис. 10.12).

Вследствие явления электростатической индукции на электродах наводятся по­ложительные заряды q₁, и q₂, сумма которых равна отрицательному заряду элект­ронов в электронном слое:

(10.34)

Величина наведенного заряда зависит от расстояния между электронным слоем и электродом:

(10.35)

Перемещение электронного слоя сопровождается изменением величины наведен­ных зарядов, что ведет к возникновению во внешней цепи, соединяющей электро­ды, наведенного тока:

(10.36)

Учитывая (10.35), получаем

(10.37)

Наведенный ток возникает, как только электронный слой появляется в проме­жутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает вто­рого электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени про­лета электронов. Если скорость движения электронов постоянна, то импульс тока прямоугольный; при линейной зависимости скорости от времени он будет тре­угольным.

В реальных условиях в пространстве между электродами существует некоторое произвольное распределение плотности зарядов ρ(х, t), изменяющееся во време­ни. В этом случае наведенный ток, создаваемый электронным слоем с зарядом dq, будет равен

(10.38)

Учтем, что dq = S*ρ(x, t)dx, тогда

(10.39)

где S — площадь электродов.

Создаваемый всеми электронными слоями наведенный ток может быть найден путем интегрирования по всему промежутку между электродами:

(10.40)

Подынтегральное выражение есть значение тока проводимости в сечении х в мо­мент времени t. Этот ток обусловлен переносом (конвекцией) электронов. Поэто­му его называют конвекционным током:

(10.41)

Подставив (10.41) в (10.40), получим

(10.42)

Наведенный ток в момент времени t равен усредненному по длине промежутка значению конвекционного тока в этот же момент времени. В частном случае, ког­да время пролета электронов много меньше периода переменного напряжения, можно считать, что i_конв(x, t)практически не зависит от координаты, и его можно вынести за знак интеграла. Тогда i_нав(t) = i_конв(x, t), то есть наведенный ток равен конвекционному, что справедливо для области низких частот. На СВЧ наведен­ный ток не равен конвекционному току.

Чтобы лучше представить себе возникновение наведенного тока, рассмотрим слу­чай, когда на анод диода подается импульс напряжения прямоугольной формы, длительность которого соизмерима со временем пролета (рис. 10.13). В момент времени t₁ электроны начинают двигаться от катода, и возникает наведенный ток. Двигаясь в ускоряющем поле, они с течением времени заполняют разрядный про­межуток. Благодаря этому наведенный ток, определяемый соотношением (10.40), становится больше и скорость его нарастания увеличивается. В момент времени t₂ электроны достигают анода, и все пространство между катодом и анодом оказы­вается заполненным электронами. Наведенный ток становится максимальным. В момент времени t₃ анодное напряжение становится равным нулю, поступление новых электронов от катода прекращается, а электроны, заполняющие разрядный промежуток, продолжают двигаться по инерции к аноду. С течением времени число электронов в разрядном промежутке уменьшается и соответственно умень­шается анодный ток. В момент времени t₄ в разрядном промежутке не остается электронов и наведенный ток становится равным нулю.

Из рассмотренного следует, что импульс наведенного тока оказывается растяну­тым во времени по сравнению с импульсом напряжения и отстает от него. Если в момент t₃ подать на анод отрицательное напряжение, то некоторая часть электро­нов по инерции долетит до анода, а другая часть затормозится настолько, что ос­тановится и станет возвращаться на катод. Аналогичные явления происходят при подаче на анод синусоидального напряжения, но при этом интервал между t₁ и t₂ увеличивается, так как электроны перемещаются в изменяющемся электрическом поле, на что требуется больше времени для достижения анода, в результате этого максимум тока наступает несколько позже. После достижения максимума напря­жения ток начнет уменьшаться.

Похожие явления имеют место при перемещении электронов в триоде (рис. 10.14). Пусть на сетку подано напряжение запирания и положительные прямоугольные импульсы. При этом напряжение на сетке остается все время отрицательным, то есть электроны на сетку не попадают. В момент t₁, лампа отпирается, электроны начинают заполнять промежуток между катодом и сеткой, и в цепи сетки появля­ется наведенный ток i₁. Такой же ток, но противоположного направления, возни­кает и в цепи катода.

В момент времени t₂ промежуток катод—сетка полностью заполнен электронами, рост тока i₁, прекращается. Электроны на сетку не попадают, пролетают через про­светы сетки и оказываются в промежутке между сеткой и анодом. Удаляющийся от сетки поток электронов создает в цепи сетки наведенный ток i₂, противопо­ложный по направлению току i₁. Одновременно индуцируется ток в цепи анода. В момент t₃ электроны достигают анода. В интервале между t₃ и t₄ токи i₁, и i₂ по­стоянны и противоположно направлены, поэтому ток сетки равен нулю. В момент t₄ лампа запирается, и электроны перестают уходить от катода, но электроны, за­полнившие междуэлектродные промежутки, продолжают по инерции движение. В момент t₅, промежуток между катодом и сеткой очищается от электронов и ток i₁ становится равным нулю. В интервале между t₅ и t₆ очищается от электронов промежуток между сеткой и анодом, и в момент t₆ ток i₂ становится равным нулю.

Таким образом, в цепи сетки возникают два импульса наведенного тока, противопо­ложные по направлению. Результирующий ток сетки определяется суммированием этих импульсов. При этом следует иметь в виду, что электроны на сетку не попа­дают. При подаче на сетку синусоидального напряжения происходят аналогич­ные процессы с той лишь разницей, что нарастание и спад наведенных токов про­исходят более медленно, а импульсы токов i₁ и i₂ оказываются более длительными.

При работе на СВЧ за время пролета изменяется фазовый угол переменного на­пряжения. Изменение фазового угла за время пролета называется углом пролета:

(10.43)

где ω — угловая частота переменного напряжения.

Чем выше частота ω, тем больше фазовый угол ά_пр, тем меньше амплитуда наве­денного анодного тока и тем больше амплитуда наведенного сеточного тока. Сле­довательно, с ростом частоты уменьшается коэффициент усиления мощности.

Пролетные клистроны

На СВЧ эффективность электронных ламп снижается вследствие конечного вре­мени пролета разрядного промежутка. В клистронах значительное время пролета не только не вредно, но и необходимо для нормальной работы прибора. Схема устройства и включения пролетного клистрона приведена на рис. 10.15, а.

Пролетный клистрон состоит из катода, объемного входного резонатора Р₁ в ко­торый с помощью петли связи вводится входной сигнал Р_вк, и расположенного на расстоянии d от него выходного резонатора Р₂. Оба резонатора соединены с кол­лектором и заземлены. На катод подается отрицательное напряжение. Под дей­ствием электрического поля между катодом и анодом электроны, покинувшие катод, ускоряются и влетают во входной резонатор с большой скоростью υ₀. Между сетками резонатора Р₁ существует переменное электрическое поле, изменяющее скорость электронов. В положительный полупериод переменного напряжения электроны ускоряются, в отрицательный полупериод замедляются. Модулиро­ванные по скорости электроны влетают в пространство дрейфа между резонаторами Р₁ и Р₂, в котором отсутствует электрическое поле. В этом пространстве элек­троны летят по инерции с постоянной скоростью. Электроны, движущиеся с более высокой скоростью, догоняют электроны, скорость которых меньше. В результа­те образуются электронные сгустки, что отражено на рис. 10.15, б.

Электронные сгустки поступают в резонатор Р₂, настроенный на частоту их сле­дования, создают в нем импульсы наведенного тока и возбуждают колебания с амплитудой, которая больше амплитуды колебаний во входном резонаторе Р_и то есть в клистроне происходит усиление мощности электрических колебаний. Про­летевшие через резонатор электроны попадают на коллектор и разогревают его. Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Однако его КПД, представляющий собой отношение колебательной мощности в резона­торе Р₂ к мощности постоянного тока источника питания, не превышает 20 %, хотя предельное теоретическое значение составляет 58 %. Это объясняется следующи­ми причинами. Во-первых, электроны вылетают из катода с различной началь­ной скоростью и, пролетая через модулятор в один и тот же момент времени, имеют неодинаковую скорость, вследствие чего они группируются недостаточно плотно. Во-вторых, между электронами действуют силы взаимного отталкивания, из-за чего при пролете через пространство дрейфа плотность электронного сгуст­ка дополнительно уменьшается. Кроме того, некоторая часть электронов вообще не группируется в сгустки, то есть не участвует в полезной работе, а некоторые из электронов оседают на сетках резонаторов.

В настоящее время двухрезонаторные клистроны имеют ограниченное примене­ние. Введение дополнительных промежуточных резонаторов между входным и выходным резонаторами позволило повысить коэффициент усиления мощности и КПД. Современные мощные клистроны содержат от 3 до 7 резонаторов. Прин­цип устройства четырехрезонаторного клистрона показан на рис. 10.16.

В первом резонаторе происходит модуляция электронов по скорости. Электрон­ный поток, влетающий во второй резонатор, возбуждает в нем высокочастотное напряжение, под действием которого скорость электронов на выходе из зазора первого промежуточного резонатора будет иметь более высокую переменную со­ставляющую, чем на входе в зазор, и группирование в пространстве дрейфа меж­ду вторым и третьим резонаторами будет проходить более интенсивно. Таков&же роль последующих резонаторов. В результате в выходной резонатор влетают сгу­стки электронов с более высокой плотностью, благодаря чему повышается КПД, который для многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50 %, а коэф­фициент усиления мощности — 90 дБ при мощности, доходящей до 100 кВт в ре­жиме непрерывных колебаний и до 50 МВт в импульсном режиме. Достижение таких показателей обеспечивается не только введением промежуточных резона­торов, но и рядом усовершенствований, внесенных в конструкцию клистрона.

Зазоры резонаторов мощных клистронов не имеют сеток. Это в некоторой степе­ни ухудшает взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в зазорах, но зато практически исключается оседание электронов и нагрев сеток. Чтобы повысить взаимодействие потока электронов с полем в зазоре, увеличива­ют ускоряющее постоянное напряжение и постоянный ток луча.

В многорезонаторных клистронах промежуточные резонаторы расстроены отно­сительно частоты сигнала, благодаря чему формирование сгустка электронов про­исходит так, что в нем участвуют «бесполезные» ранее электроны, дающие рост КПД. Одновременно расстройка промежуточных резонаторов позволяет расши­рить полосу пропускания.

В мощных клистронах электронные потоки необходимо фокусировать, чтобы диаметр потока не увеличивался вследствие расталкивания электронов. С этой целью обычно используется магнитная фокусировка при помощи отдельных катушек индуктивности, помещаемых в промежутках между резонаторами. Поле, создаваемое этими катушками, препятствует движению электронов перпенди­кулярно оси клистрона, закручивая их, и электроны движутся по направлению к аноду по спиральным траекториям.

Отражательные клистроны

Отражательные клистроны применяют для генерирования СВЧ-колебаний. Они содержат только один объемный резонатор (рис. 10.17, а). Ускоренные на участ­ке между катодом и первой сеткой С₁ электроны влетают в резонатор и возбужда­ют в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создаю­щие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости, и электроны влетают в тормозящее поле между второй сеткой С₂ и отражателем О с различной скоростью. Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются и ускоренно возвращаются к резонатору. Чем боль­ше скорость электрона, тем дальше углубляется он в тормозящее поле и больше времени находится в этом поле. В результате электроны, пролетевшие через резо­натор в положительные полупериоды переменного электрического поля, могут вернуться обратно одновременно с электронами, пролетевшими через резона­тор позднее, во время отрицательного полупериода, что наглядно показано на рис. 10.17, б. Электроны, пролетевшие через резонатор в интервале времени от t₁ до t₃, возвращаются назад в момент t₉.

Электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные моменты време­ни в зависимости от напряжений Е₁ и Е₂. При возвращении в резонатор электрон­ные сгустки отдают ему энергию только тогда, когда они попадают в тормозящее поле. Наибольшую энергию они отдают в том случае, если возвращаются в мо­мент, когда напряженность тормозящего поля в резонаторе максимальна. Возвра­щение энергии в резонатор поддерживает существующие в нем колебания. Чем больше величина возвращаемой энергии, тем больше мощность колебаний в ре­зонаторе. Если же отдаваемая электронами энергия слишком мала, то колебания не будут поддерживаться и затухнут.

Время пролета электронов в пространстве дрейфа отсчитывается от момента t₂, в который в пространство дрейфа влетает электрон с группирующимися вокруг него остальными электронами, до момента времени возвращение сгустка электронов в резонатор. На рис. 10.17, б это время равно (1+3/4)T. Изменяя отрица­тельное напряжение на отражателе, можно изменять время пролета, но при этом возвращение электронов должно происходить в тормозящие полупериоды коле­баний в резонаторе. Соответственно, существует несколько зон генерации. Если отрицательное напряжение на отражателе очень большое, то электроны, прохо­дящие через резонатор в интервале t₁-t₃, вернутся назад в интервале t₄-t₆ (нуле­вая зона генерации), причем наибольшую энергию они вернут в резонатор при возвращении в момент t₅. При снижении отрицательного напряжения на отража­теле электроны возвращаются назад позже. Если возвращение происходит в ин­тервале t_e-t₈, то колебания вообще не возникают. При возвращении в интервале t₈-t₁₀ колебания вновь возникают (первая зона генерации), мощность этих коле­баний достигает максимума при возвращении в момент t₉. Чем меньше по абсо­лютной величине отрицательное напряжение на отражателе, тем больше время пролета электронов и, соответственно, выше номер зоны генерации. Наибольшая мощность колебаний получается в нулевой зоне.

Меняя напряжение на отражателе, можно изменять частоту генерируемых ко­лебаний. При увеличении по абсолютному значению отрицательного напря­жения на отражателе электронные сгустки возвращаются в резонатор несколько быстрее, и частота колебаний возрастает. При уменьшении этого напряжения по абсолютной величине электронные сгустки возвращаются в резонатор с за­паздыванием, и частота колебаний уменьшается. При изменении частоты ко­лебаний уменьшается мощность генерируемых колебаний (рис. 10.18). Поэтому такую расстройку принято ограничивать условием снижения мощности не более чем на 50 %.

У отражательных клистронов КПД не превышает 5 %, вследствие чего они не ис­пользуются для получения больших мощностей, а применяются в качестве гете­родинов СВЧ-приемников, в измерительной аппаратуре, радиорелейной, радио­навигационной и телевизионной аппаратуре. Полезная мощность не превышает сотых и десятых долей ватта. В последние годы отражательные клистроны вытес­няются полупроводниковыми генераторами СВЧ.

Лампы бегущей волны

Основным недостатком клистронов является сравнительно узкая полоса про­пускания для усилителей и малый диапазон перестройки частоты для генера­торов, что обусловлено необходимостью применять высокодобротные резонато­ры для эффективного торможения электронных сгустков при кратковременном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем в пространстве между сет­ками резонатора. В лампах бегущей волны (ЛБВ) взаимодействие электронно­го потока с СВЧ-полем происходит на большом участке пути, то есть носит длительный характер, благодаря чему повышается эффективность усиления колебаний. При длительном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем отпадает необходимость в высокодобротных резонаторах, поэтому полоса уси­ливаемых частот получается широкой. Коэффициент перекрытия по частоте составляет 2-4.

Для обеспечения длительного взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем необходимо, чтобы скорость электронного потока была соизмерима со скоростью распространения электромагнитной волны. Поскольку увеличить скорость пото­ка электронов до величины скорости света не представляется возможным, прибе­гают к замедляющим системам, снижающим скорость распространения электро­магнитной волны.

Устройство ЛБВ со спиральной замедляющей системой показано на рис. 10.19.

Электронная пушка 1 формирует тонкий пучок электронов, который влетает в замедляющую систему, выполненную в виде проволочной спирали. Эта спираль является внутренним проводом коаксиальной линии. Наружным проводом яв­ляется трубка 3. С помощью фокусирующей катушки 4 обеспечивается необходимое поперечное сечение электронного луча на всем пути вдоль замедляющей системы. Пройдя вдоль замедляющей системы, электроны попадают на коллек­тор 5. Усиливаемые колебания подводят к ЛБВ с помощью входного волновода б, в котором находится приемный штырь спирали 7. На другом конце спирали име­ется штырь 8, возбуждающий колебания в выходном волноводе 9. Плунжеры 10 служат для согласования волноводов со спиралью, то есть получения в спирали бегущей волны. Спираль содержит десятки или сотни витков и обеспечивает по­лучение фазовой скорости электромагнитной волны υ_ф порядка 30 000 км/с, чтосоставляет 0,1 от скорости света. В сантиметровом диапазоне волн длина спира­ли составляет 10-30 см, а ее диаметр — несколько миллиметров. На рис. 10.20, а показана картина электрического поля внутри спирали в некоторый конкретный момент времени, а на рис. 10.20, б — распределение потенциала вдоль спирали. Сама спираль показана в разрезе, а знаками «+» и «-» показан знак потенциала. Силовые линии, начинаясь на витках с более высоким потенциалом, заканчива­ются на витках с более низким потенциалом.

Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего и тормозящего поля. Так как электромагнитная волна бежит вдоль спирали, то поле вращается вокруг ее оси и перемещается вдоль оси с фазовой скоростью υ_ф. Электроны влетают в за­медляющую систему со скоростью υ₀, которая больше скорости υ_ф. В результа­те взаимодействия электронного луча с электрическим полем бегущей волны происходит модуляция электронов по скорости и группирование их в сгустки. Если электроны влетают в замедляющую систему в момент, когда поле явля­ется тормозящим, то они тормозятся и далее продолжают двигаться в пределах того же участка к концу спирали, группируясь в более плотные сгустки. По­степенно уменьшая скорость, они все время отдают энергию полю, усиливая бегущую волну. Нарастание амплитуды СВЧ-гголя вдоль оси замедляющейсистемы происходит по экспоненциальному закону. Если электроны влетают в замедляющую систему в момент, когда поле является ускоряющим, то они уве­личивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в участок тормо­зящего поля. В результате этих процессов в выходном волноводе возбуждаются колебания, мощность которых многократно превышает мощность, поступающую от входного волновода. При этом энергия, потребляемая от источника питания, затрачивается на ускорение электронов электронной пушкой, а затем при тормо­жении электронов в замедляющей системе эта энергия отдается бегущей волне электромагнитного поля.

КПД ЛБВ без принятия специальных мер не превышает 20 %. Существует не­сколько способов повышения КПД. Наиболее простым является применение спи­рали с переменным шагом, что обеспечивает постепенное снижение фазовой ско­рости бегущей электромагнитной волны, это позволяет выдержать условие v > v$ на большей длине спирали. Дело в том, что по мере продвижения вдоль оси системы скорость электронов v снижается, скорости электронов и волны вырав­ниваются, электроны начинают переходить из тормозящего полупериода бегущей волны в ускоряющий и отбор энергии от электронов прекращается. Если же фазовая скорость волны вдоль системы снижается, то возрастает длительность взаимодействия сгустков электронов с электрическим полем, что и обусловлива­ет повышение КПД.

Второй способ повышения КПД основан на отборе энергии от сгустка непо­средственно перед его попаданием на коллектор. С этой целью напряжение на кол­лекторе снижают по сравнению с ускоряющим напряжением. Благодаря этому между замедляющей системой и коллектором создается электростатическое тор­мозящее поле, попадая в которое, электроны замедляются, отдавая часть своей энергии источнику коллекторного напряжения, и лишь оставшаяся часть энер­гии выделяется в виде теплоты при ударе о коллектор. Применение этих мер позволяет повысить КПД ЛБВ до 50 %.

ЛБВ нашли широкое применение в радиолокационных системах, системах кос­мической и тропосферной связи, работающих на частотах, измеряемых десятка­ми гигагерц с полезной мощностью до сотен киловатт. Многие ЛБВ способны отдавать в импульсе мощность более 10 МВт.

Принцип работы ЛБВ послужил основой для разработки ламп обратной волны (ЛОВ), особенностью которых является то, что направление движения электро­нов противоположно движению волны в замедляющей системе. Ввод сигнала в ЛОВ осуществляется у коллекторного конца замедляющей системы, а вывод — около катода. Усиление в такой лампе получается лишь в узкой полосе частоты, причем положение этой полосы в диапазоне частот зависит от ускоряющего по­стоянного напряжения. Значительно чаще ЛОВ применяют для генерирования колебаний СВЧ. Такие генераторы применяют в качестве гетеродинов радиоло­кационных и связных радиоприемников, в задающих генераторах передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ-системах переда­чи данных. В настоящее время ЛОВ в диапазоне частот до 10-12 ГГц заменяются полупроводниковыми генераторами СВЧ, а разработка новых ЛОВ ведется толь­ко для субмиллиметрового диапазона.