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.