Электронно – вакуумные приборы с динамическим управлением

 

В таких приборах в отличие от обычных ламп пролетные явления играют положительную роль. В них, напротив, осуществляется длительное взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной высокочастотного сигнала (Дробов С.А., Бычков С.И. Радиопередающие устройства. -4-е изд. –М. : Советское радио, 1969. – 720 с.: ил.). Применяются в дециметровом и сантиметровомдиапазоне волн.

 

Лампы бегущей волны (ЛБВ)

 

Лампы бегущей волны (ЛБВ) используются как для усиления, так и для генерации высокочастотных колебаний. В зависимости от того, с какой волной (прямой или обратной) осуществляется взаимодействие, различают лампы прямой и обратной волны (ЛПВ и ЛОВ). В лампах прямой волны движение электромагнитной энергии совпадает с направлением движения электронного потока, в лампах обратной волны электромагнитная энергия движется навстречу электронному потоку.

 

 

Рис.2.1.11. Устройство ЛБВ

Устройство усилительной лампы прямой волны показано на рис.2.1.11. Лампа состоит из следующих основных элементов:

а) электронной пушки, включающей в себя обычно катод -1, управ-ляющий электрод и один или несколько анодов-2, обеспечивающих хорошую предварительную электростатическую фокусировку электронного луча,

б) замедляющей системы -5, с высокочастотным полем которой
взаимодействует электронный поток,

в) коллектора -4, на котором рассеивается кинетическая энергия электронного потока после прохождения им замедляющей системы,

г) входного и выходного устройств, служащих для ввода усили-ваемого и вывода усиленного сигнала,

д) фокусирующего устройства в виде соленоида или постоянных
магнитов -3, создающих продольное магнитное поле, или специального
устройства для осуществления электростатической фокусировки,

е) источника постоянного напряжения U₀, энергия которого с помощью лампы бегущей волны преобразуется в энергию высокочастотных колебаний.

ж) поршней -6 для согласования

Остановимся кратко на физической стороне явлений, протекающих в лампе бегущей волны, работающей в качестве усилителя.

В случае хорошего согласования замедляющей системы с входным и выходным устройствами при подаче на вход высокочастотных колебаний вдоль замедляющей системы распространяется электромагнитное поле, структура которого в общем случае достаточно сложна и зависит от конструкции системы. Электронный поток, создаваемый электронной пушкой, движется вдоль замедляющей системы, например спирали, взаимодействуя с осевой (продольной) составляющей электрического поля бегущей волны. Вследствие периодической структуры замедляющей системы распределение поля бегущей волны вдоль нее также имеет периодический характер: области поля, тормозящего электроны, чередуются с областями, где поле оказывает на электроны ускоряющее действие.

Электронная пушка обеспечивает введение в замедляющую систему практически равномерного по плотности электронного потока, который в процессе взаимодействия с полем бегущей волны группируется: в электронном потоке образуются области с повышенной и пониженной плотностью пространственного заряда или, как говорят, образуются электронные сгустки.

Однако это взаимодействие приводит к нарастанию амплитуды бегущей волны по мере ее движения вдоль лампы только при условии, если скорость электронов несколько превышает фазовую скорость движения волны.

 

Пролетные клистроны

В клистронах, магнетронах и лампах бегущей волны в процессе управления электронным потоком значительную роль играет модуляция электронного потока по скорости, которая в результате длительного (по сравнению с периодом колебаний) движения электронов приводит к группированию электронного потока или, как говорят, к модуляции по плотности. Генераторы, в которых в процессе взаимодействия имеют место подобные кинематические и динамические явления, называются генераторами с динамическим управлением или генераторами пролетного типа.

 

Рис.2.1.12. Устройство двухрезонаторного пролетного клистрона

 

 

Рис.2.1.13. Расположение резонаторов в клистроне

Пролетные клистроны являются эффективными усилительными приборами дециметрового и сантиметрового диапазонов. Они обеспечивают получение большого коэффициента усиления при достаточно высоком коэффициенте полезного действия.

Практическое применение находят пролетные клистроны с двумя, тремя и значительно реже с четырьмя резонаторами. С увеличением числа резонаторов возрастает коэффициент усиления клистронов и повышается коэффициент полезного действия

Устройство двухрезонаторного пролетного клистрона схематически изображено на рис.2.1.12 (1 — катод; 2 —коллектор; 3 — входной резонатор; 4 — выходной резонатор) и 2.1.13.

Электронная пушка создает узкий электронный поток с высокой плотностью пространственного заряда. Для большей концентрации луча, т. е. для уменьшения его радиального размера, с помощью соленоида создается постоянное магнитное поле, направленное вдоль электронного потока. Электронный поток проходит через два тороидальных резонатора, разделенных пространством, в котором практически отсутствует высокочастотное поле, называемое пространством дрейфа. После прохождения второго резонатора электронный поток попадает на коллектор, где выделяет остатки своей кинетической энергии в виде тепла.

 

Рис.2.1.14. Объемные резонаторы клистронов

 

При работе клистрона в качестве усилителя высокочастотное напряжение подается в первый резонатор посредством специальных элементов связи , например, петли связи - 1. Выходная мощность выводится из второго резонатора также с помощью элементов связи.

В маломощных клистронах для обеспечения эффективного взаи­модействия электронного потока с полем резонатора в емкостной части резонатора устанавливают специальные сетки - 2(рис.2.1.14, а). В мощных клистронах обычно сетки не используются, так как они существенно снижают токопрохождение и, кроме того, увеличивая емкость зазора, уменьшают добротность резонаторов. Наиболее распространенным типом резонатора, применяемого в мощных клистронах, является прямоугольный резонатор, перестраиваемый с помощью контактного или неконтактного поршня (рис. 2.1.14, в). Пролетные трубы, входящие внутрь резонатора, образуют зазор резонатора, в котором происходит эффективное взаимодействие высокочастотного поля с электронным лучом.

Настройка резонаторов может осуществляться с помощью поршня - 4(рис. 2.1.14, в) или подстроенных винтов - 1 (рис.2.1.14, а).

Использование хорошей электронной пушки вместе с магнитной фокусировкой позволяет получить коэффициент токопрохождения порядка 0,8—0,9.

Следует заметить, что «оседание» электронов на резонаторах можно было бы уменьшить, увеличивая проходные отверстия в них, однако это невыгодно с точки зрения эффективности взаимодействия высокочастотного поля с электронами луча, так как при этом существенно снижается высокочастотное поле в центре луча.

Кратко остановимся на принципе действия пролетного усилительного клистрона.

В пролетном клистроне, как и в обычном ламповом генераторе, происходит преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотных колебаний, и в этом смысле он является генератором с независимым возбуждением.

Равномерный по плотности поток электронов, выходящий из электронной пушки, под влиянием сильного постоянного электрического поля, создаваемого внешним источником постоянного напряжения, приобретает к моменту входа в рабочий зазор первого резонатора большую скорость:

Очевидно, что величина энергии, которую источник постоянного напряжения передает электронному потоку, определяется кинетической энергией последнего.

В первый входной резонатор, который иногда называют группирователем (или модулятором), от внешнего возбудителя поступают колебания высокой частоты, в результате чего между сетками резонатора (в рабочем зазоре) будет действовать переменное напряжение, изменяющееся по гармоническому закону

u₁ = U₁ sin ωt.

Проходя между сетками входного резонатора, электроны получают ускорение, величина и направление которого зависят от амплитуды и фазы действующего между сетками переменного напряжения. Электроны, попадающие во входной резонатор в положительный полупериод, когда поле в зазоре ускоряющее, несколько увеличивают свою скорость, а электроны, попадающие в отрицательный полупериод, наоборот, несколько ее уменьшают.

Таким образом, в зазоре входного резонатора электроны луча под действием переменного поля изменяют свою скорость, или, как иногда говорят, в электронном потоке осуществляется модуляция по скорости. Однако из-за малого времени пролета электронов в зазоре они не успевают существенно изменить взаимного расположения в луче, т. е. сгруппироваться. Этот процесс группирования в основном протекает в пространстве дрейфа.

В пространстве дрейфа, ограниченного пролетной трубой — проводящим цилиндром, соединяющим входной и выходной резонаторы, внешнее электрическое поле отсутствует и электроны движутся по инерции.

 

Рис.2.1.15. Пространственно-временная диаграмма

 

Для того чтобы наглядно представить себе процесс группирования, обратимся к пространственно-временной диаграмме движения электронов в клистроне. (рис.2.1.15). По вертикальной оси диаграммы отложено пройденное электроном расстояние вдоль пролетной трубы, по горизонтальной оси — время. Ниже, под диаграммой, изображено переменное напряжение, действующее в зазоре резонатора.

Пространственно-временные диаграммы электронов, движущихся в пролетной трубе с постоянной скоростью, представляют собой прямые линии, наклон которых определяется величиной скорости: с увеличением скорости прямые идут круче.

В результате прохождения предварительно немодулированного электронного потока через зазор резонатора в зависимости от фазы вхождения в зазор часть электронов приобретает дополнительную скорость, а часть — уменьшает свою скорость вследствие взаимодействия с высокочастотным полем резонатора. На некотором расстоянии от входного резонатора в пространстве дрейфа происходит образование уплотнений (сгустков), т.е. происходит модуляция электронного потока по плотности. В результате взаимодействия сгруппированного электронного потока с полем выходного резонатора происходит торможение электронных сгустков, которые часть своей кинетической энергии, полученной от внешнего источника постоянного напряжения, передают резонатору. Оставшуюся часть кинетической энергии электроны выделяют в виде тепла на коллекторе.

Устройство и принцип действия отражательного клистрона

 

На рис.2.1.16 представлена схема отражательного клистрона, который состоит из электронной пушки - 1, резонатора – 3 с сетками -2, связанного с полезной нагрузкой, и отражателя -4.

В отличие от пролетного клистрона в отражательном клистроне имеется только один резонатор. Группирование электронного потока осуществляется в период движения электронов в пространстве между резонатором и отражателем.

Электроны, эмитированные катодом под действием постоянного электрического поля, существующего между катодом и резонатором, приобретают значительную скорость и, следовательно, кинетическую энергию, определяемую величиной напряжения Uр. Проходя между сетками резонаторов, электроны под действием переменного напряжения резонатора изменяют свою скорость, хотя и не очень значительно, так как напряжение между сетками резонатора, обусловленное хаотическим движением электронов, весьма мало. При дальнейшем движении в пространстве «резонатор — отражатель» одновременно с торможением всех электронов постоянным тормозящим полем отражателя происходит группировка электронов, т. е. преобразование модуляции по скорости в модуляцию по плотности.

 

Рис.2.1.16. Устройство отражательного клистрона

 

Образование сгустков в электронном потоке отражательного клистрона аналогично процессу группировки в рассмотренных ранее пролетных клистронах. Электроны, поступающие в зазор резонатора, ускоряются или тормозятся в зависимости от фазы действующего в зазоре напряжения. Ускоренные электроны при своем дальнейшем движении сближаются с заторможенными, в результате чего образуются области повышенной плотности пространственного заряда. На пространственно - временной диаграмме, приведенной на рис.2.1.17, показан процесс группирования в отражательном клистроне. Под диаграммой показано изменение напряжения в зазоре резонатора. Для упрощения диаграммы на ней изображены кривые, определяющие движение только трех электронов, вылетевших в моменты времени, когда поле в зазоре ускоряет движение электрона (электрон 1), тормозит (электрон 3) и проходит через нулевое значение (электрон 2).

Электрон 1 вылетит из резонатора со скоростью, несколько большей, чем у электрона 2, и удалится от резонатора на большее расстояние (z1>z2), затратив на это время, большее, чем электрон 2.

 

Рис.2.1.17. Пространственно-временная диаграмма

Для электрона 3, заторможенного в зазоре резонатора, картина будет обратной: из-за меньшей скорости он пройдет меньшее, чем электрон 2, расстояние. (z3<z2) и, следовательно, на обратное возвращение к резонатору затратит меньшее время. Очевидно, что на обратном пути эти три электрона могут сблизиться и при определенных напряжениях на резонаторе и отражателе можно обеспечить такой режим, при котором эта встреча произойдет в зазоре резонатора, когда переменное поле в нем будет тормозящим. В результате торможения сгруппированного электронного потока последний будет передавать свою энергию резонатору, увеличивая тем самым величину переменного напряжения в зазоре. Возрастание напряжения, в свою очередь, приведет к углублению модуляции по скорости электронного потока, к лучшему группированию потока и более эффективной передаче им энергии резонатору.

Процесс нарастания амплитуды переменного напряжения прекратится, когда потери в резонаторе (и в нагрузке, если она связана с резонатором) будут равны энергии, передаваемой сгруппиро­ванным электронным потоком резонатору.

Из рис. 2.1.17 видно, что для обеспечения благоприятных условий взаимодействия сгруппированного заряда с полем резонатора, т. е. для обеспечения эффективного торможения, необходимо, чтобы полный угол пролета для среднего электрона составлял 13/4 периода.

Во избежание недоразумений заметим, что на рис.2.1.17 в первый положительный полупериод поле в зазоре для электрона 1— ускоряющее, а в третий положительный полупериод — тормозящее, так как электрон 1 в это время движется в обратном направлении.

 

Контрольные вопросы для самостоятельной работы

 

1.Что такое коэффициент шума?

2.Чем ограничивается частотный диапазон работы электронных ламп?

3.В чем проявляется влияние индуктивностей вводов и межэлектродных емкостей электронных ламп ?

4.В чем проявляется влияние времени пролета электронов на работу лампы?

5.Каков принцип работы пролетных и отражательных клистронов?

6.Каков принцип работы ЛБВ?