Микроволновый диапазон электромагнитных колебаний и его особенности. Обзор исторического пути развития микроволновых приборов. Современные технологии, использующие микроволновые приборы (стр. 4 )

(В предыдущих вопросах)

Группирование потока.

В клистроне. Первый (входной) резонатор возбуждается входным сигналом Pвх от внешнего источника. При этом на его зазоре взаимодействия возникает переменное напряжение, которое создает первичную скоростную модуляцию электронного пучка. При этом предполагается, что амплитуда переменного напряжения Um1 значительно меньше, чем ускоряющее напряжение Uа. Модулированный по скорости электронный пучок группируется в первой трубе дрейфа.

В ЛБВ. (В вопросе про ЛБВ)

16.​ Особенности отбора энергии в клистронах и ЛБВ. Влияние пространственного заряда на процессы группирования. Форма конвекционного тока и спектральный состав сгустка. Конструкции и параметры приборов.

Особенности отбора энергии в клистронах и ЛБВ.

В ЛБВ. Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего и тормозящего поля. Если в начале спирали в данный момент времени оказывается участок тормозящего поля, то электроны в нем 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. Если же электроны в начале спирали влетают в участок ускоряющего поля, то они увеличивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в следующий участок, где поле тормозящее. Хотя эти электроны, попав сначала в ускоряющее поле, отнимут от бегущей волны некоторую энергию, далее они возвращают ее волне, так как переходят на участок тормозящего поля.

Таким образом, на участках тормозящего поля образуются электронные сгустки, отдающие все время энергию волне. Поэтому на протяжении всей спирали электроны отдают бегущей волне значительную энергию. Амплитуды тока и напряжения бегущей волны по мере ее перемещения к концу спирали увеличиваются. При этом усиливается ускоряющее и тормозящее поле волны, а значит, и эффект группирования электронов. Но тогда увеличивается и отдача энергии электронами. В результате такого постепенно усиливающегося процесса на выходе получаются значительно усиленные колебания. Энергию, отдаваемую бегущей волне, сами электроны получают от источника анодного питания.

В клистронах. (Сетки на стенках резонаторов) Если в резонаторе происходят колебания, то между сетками 1 и 2 создается переменное электрическое поле, которое действует на электронный поток и изменяет (модулирует) его скорость. В тот полупериод, когда на сетке 2 положительный, а на сетке 1 отрицательный переменный потенциал, поле между сетками будет ускоряющим и электроны, пролетающие через модулятор, получат добавочную скорость Дv. Во время следующего полупериода на сетке 2 потенциал отрицательный, а на сетке 1 — положительный, т. е. поле становится тормозящим для электронов, которые уменьшают свою скорость на Дv. Только те электроны, которые пролетают через модулятор в момент, когда напряжение равно нулю, продолжают движение со скоростью v0.

Таким образом, в пространство между сетками 3 и 2, называемое пространством дрейфа (или пространством группирования), попадают электроны, имеющие разную скорость. В этом пространстве нет электрического поля, так как между сетками 3 и 2 нет разности потенциалов, и электроны летят по инерции с неизменными скоростями. Электроны, имеющие большую скорость, догоняют электроны, движущиеся с меньшей скоростью. В результате электронный поток разбивается на отдельные более плотные группы электронов — электронные сгустки. Можно сказать, что благодаря модуляции электронного потока по скорости в пространстве дрейфа происходит модуляция этого потока по плотности. Итак, в уловитель поступают электронные сгустки, следующие друг за другом с частотой f Они создают в резонаторе Р2 импульсы наведенного тока и возбуждают в нем колебания. Для получения максимальной амплитуды колебаний резонатор Р2 должен быть настроен на частоту f на которую настроен и резонатор Р1 Подобно тому как в усилительном каскаде высокой частоты импульсы анодного тока проходят через анодный колебательный контур и создают в нем усиленные колебания, так и в клистроне электронный поток, состоящий из сгустков, создает в резонаторе Р2 усиленные колебания. Усиление происходит за счет энергии источника постоянного напряжения Up, который создает ускоряющее поле. Электроны получают в этом поле большую энергию, и, благодаря тому что в резонаторе P1 происходит модуляция их скорости, они отдают часть этой энергии резонатору Р2.

В ЛБВ непрерывное взаимодействие электронного потока с полем, для модуляции используется замедляющая система. В клистронах же дискретное взаимодействие с полем (в трубе дрейфа электроны летят по инерции (?)), управление с помощью сеток.

Однако в клистронах, в отличие от ЛБВ, процессы модуляции, группирования и отбора энергии разнесены в пространстве и разделены во времени. Это дает возможность  оптимизировать их по отдельности, и позволяет, в частности, получить в клистронах более высокий коэффициент преобразования энергии электронного пучка в энергию поля (электронный КПД).

Влияние пространственного заряда на процессы группирования.

Учет влияния кулоновских сил на процесс группирования производится включением в уравнение движения электронов в трубе дрейфа продольной компоненты поля объемного заряда. Как показывает анализ, проведенный в приближении бесконечно широкого электронного пучка, действие поля пространственного заряда приводит к уменьшению эффективного параметра группирования. Параметр группирования в этом случае записывается в виде

,

где  – поправка, учитывающая действие кулоновских сил.

Входящие в нее величины имеют следующий смысл: a– параметр разгрупировки, равный отношению плазменной частоты к частоте модуляции скорости , ; плазменная частота зависит от плотности пространственного заряда пучка и определяется формулой  .

При конечном значении параметра a значение поправки, учитывающей влияние кулоновских сил, меньше единицы. Это означает, что учет кулоновских сил приводит к уменьшению параметра группирования. Для сохранения его значения необходимо увеличивать глубину модуляции скорости, что, в конечном итоге, приводит к росту входной мощности и уменьшению коэффициента усиления прибора.

Из выражения для параметра группирования следует, что для данного значения параметра разгруппировки a существует оптимальный угол пролета электронов в трубе дрейфа ,  а, следовательно, длина этой трубы l. Он находится из условия , что дает  и  .

Приведенные выше выражения для учета влияния кулоновских сил получены в предположении бесконечно широкого электронного пучка. В реальном пучке, имеющем конечный радиальный размер и распространяющемся внутри металлического канала (трубы дрейфа), действие кулоновских полей уменьшается за счет полей положительных зарядов, индуцированных (наведенных) на стенках канала. Учет этих полей приводит к уменьшению плазменной частоты, входящей в формулу параметра разгруппировки. Параметр разгруппировки в этом случае записывается в виде , где  – редуцированная плазменная частота, значение которой зависит не только от плотности пространственного заряда, но и от радиальных размеров пучка и канала (при одном и том же значении плотности пространственного заряда ).

Форма конвекционного тока и спектральный состав сгустка.

Конструкции и параметры приборов.

Конструкция прямопролетного двухрезонаторного клистрона. 1 - электронная пушка, 2 - входной резонатор, 3 - выходной резонатор, 4 - труба дрейфа, 5 - фокусирующая система, 6 - коллектор, 7 - входная антенна.

Конструкция ЛБВ. 1 - электронная пушка, формирующая и ускоряющая пучок; 2 - замедляющая система, создающая электромагнитное поле типа бегущей волны с фазовой скоростью порядка скорости электронов; 3 - поглотитель, предназначенный для устранения самовозбуждения ЛБВ; 4 - фокусирующая система, обеспечивающая проход электронного пучка через спираль замедляющей системы; 5 - коллектор, принимающий отработавший поток; 6,7 -  ввод и вывод энергии.

17.​ Приборы со скрещенными полями (М-типа): – магнетроны, амплитроны и митроны. Принцип действия, коэффициент полезного действия. Основные конструктивные разновидности. Сравнение с приборами О-типа.

Приборы со скрещенными полями (М-типа): – магнетроны, амплитроны и митроны.

Магнетрон. Принцип действия. Для работы магнетрон помещается в магнитное поле, параллельное его оси и создаваемое постоянными магнитами или электромагнитами. При подаче анодного напряжения электроны, вылетающие из накаленного катода, под воздействием этого напряжения начинают двигаться по направлению к аноду. При отсутствии осевого магнитного поля электроны двигались бы к аноду по радиальным прямым. Наличие магнитного поля приводит к искривлению траекторий электронов в магнетроне в статическом режиме. Пря некоторой величине индукции магнитного поля, называемой критической (ВКР), траектории искривляются настолько, что электроны, не достигая анода, возвращаются на катод. Но возникает электрическое поле в результате возбуждения колебательной системы магнетрона. На восходящей части своей траектории электрон ускоряется анодным напряжением, его кинетическая энергия возрастает, достигая максимума вблизи вершины траектории. Характер действия высокочастотного поля зависит от его фазы в момент прохождения электрона через среднюю плоскость резонатора. Если высокочастотное поле оказывается тормозящим, электрон передает полю часть своей кинетической энергии. Оставшейся кинетической энергии оказывается недостаточно для возвращения электрона на катод, и электрон, двигаясь по восходящей части траектории, полностью теряет скорость и останавливается в некоторой точке траектории. Затем такой электрон, который принято называть «электроном отдачи», под действием ускоряющего анодного напряжения снова начинает движение к аноду. Помимо рассмотренных выше «электронов отдачи» в магнетроне существуют «электроны потерь». Это те электроны, которые в процессе взаимодействия с высокочастотным полем ускоряются и отбирают энергию от поля. Такие электроны, приобретая дополнительную кинетическую энергию, возвращаются на катод и выбывают из процесса взаимодействия с высокочастотным полем уже после первого цикла. Избыточная кинетическая энергия, с которой они возвращаются на катод, приводит к дополнительному разогреву катода. Благодаря тому что длительность существования «электронов потерь» ограничена одним циклом взаимодействия, эффект взаимодействия «электронов отдачи» является преобладающим, что приводит в среднем к преобразованию энергии электронов в энергию высокочастотного поля. (анимации процесса в учебнике Молоковского)