Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 15

Развиваемая при этом мощность может быть выражена   следующим образом:

При оценке мгновенной мощности во всем объемеследует в общем    случае учесть, что плотность конвекционного тока меняется во времени. Кроме этого, представляет интерес процесс

взаимодействия электронов также с переменным полем. Поэтому

На практике наиболее    часто    является   колебательным

процессом с некоторым периодом . Тогда усредненная во времени за период колебаний мощность поля при взаимодействии с электронным потоком выразится уравнением

Вначале следует оценить, при каких условиях аффект взаимодействия электронов с полем будет максимальным. Очевидно, что наибольшее значение интеграл   (4.8)  принимает для той области пространства, где и полеи конвекционный так максимальны. Кроме этого, нетрудно заметить, что подынтегральная функция есть скалярное произведение двух векторов и оно будет наибольшим, если векторы будут параллельны.

Таким образом, для получения наиболее эффективного взаимодействия поля и электронов в приборах СВЧ их конструкция должна обеспечить концентрацию электрического поля в некоторых областях в прохождение через эти области плотных потоком электронов параллельно направлению вектора напряженности электрического поля.

Анализ проведем применительно к одномерной модели, когда плотность конвекционного тока изменяется лишь по координате Пусть разность потенциалов между электродами меняется по гармоническому закону и, следовательно,

Последнее выражение позволяет сделать еще один важный вывод: если  электрическое подменяется  во времени с частотой то для того, чтобы имело заметное значение, в электронном потоке должны быть переменные компоненты плотности.

В частности, нетрудно заметить, что при взаимодействии переменного поля с постоянным по плотности   электронным    потоком значение , поскольку интеграл в скобках равен нулю. Величина принимает максимальное значение при изменении плотности конвекционного тока с той же частотой, что и усиливаемое переменное поле (рис. 4.1,6).

Процесс создания такого потока называется   группировкой,   а сам поток — сгруппированным.

И последнее. В зависимости от фазовых соотношений    между переменными компонентами поля и электронного потока может  принимать как положительное, так и отрицательное значение. При поле совершает положительную работу и, отдавая свою энергию, увеличивает скорость электронов, что имеет место, например, в ускорителях элементарных частиц. Для повышения же энергии СВЧ поля необходимо, чтобы . Такой эффект возникает при прохождении электронным сгустком пространства взаимодействия с полем в момент, когда оно оказывает на электроны тормозящее воздействие, уменьшая тем самым их кинетическую энергиюи преобразуя се в энергию электрического поля.

Таким образом, во всех генераторных приборах с электродинамическим управлением  электронным  потоком  необходимо обеспечил, реализацию двух процессов.

1.       Создание сгруппированного электронного потока, у которого период изменения плотности равен периоду усиливаемого колебания.

2.       Обеспечение так на называемого   условия   синхронизма,   при
котором  сгустки электронов,  взаимодействуя с СВЧ полем, длительное время находятся в «тормозящей» фазе этого поля. В зависимости от способов выполнения этих условий приборы с электродинамическим управлением делятся на следующие группы:

1) клистронные генераторы,  в  которых  группировка осуществляет в пространстве дрейфа электронов;

2) лампы с бегущей волной (ЛБВ, ЛОВ)  с группировкой электронов при их взаимодействии с бегущими волнами;

3) приборы магнетронного типа с группировкой электронов во
взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях;

4) гибридные приборы.

Ниже будут рассмотрены построение этих приборов, их характеристики и направления совершенствования.

4.2 Анализ работы и основные пути совершенствования генераторов на клистронах

Клистроны находят широкое применение к РПУ сантиметрового диапазона волн в качестве усилителей мощности зондирующих сигналов, а также маломощных автогенераторов СВЧ колебаний. Они делятся на пролетные и отражательные. Ниже будут рассмотрены лишь пролетные клистроны, поскольку на совершенствование этого типа приборов направлены основные усилия конструкторов клистронных генераторов.

Устройство и принцип работы усилителя на пролетном клистроне с двумя резонаторами показаны на рис. 4.2,а.

Электронный  поток после выхода из  катода попадает в ускоряющее поле   с    разностью   потенциалов и  постигает   зазора первого резонатора, имея скорость

В зазоре первого резонатора, на который подаются усиливаемые колебания, электроны вступают во взаимодействие с СВЧ полем. Периодическое изменение как величины, так и направления вектора напряженности электрического поля в области зазора резонатора приводит к модуляции электронного потока по скорости. Это увеличение скорости у одних электронов и уменьшение у других приводит к появлению в первоначально однородном потоке электронных сгустков и разрежений по мере движения электронов в эквипотенциальном поле между первым и вторым резонаторами. Чередование сгустков и разрежений в электронном потоке происходит с периодом, равным периоду входных колебаний, и поэтому во втором резонаторе (улавливателе) возникает наведенный ток с таким же периодом колебании. В зазоре резонатора-улавливателя электроны взаимодействуют с СВЧ полем, отдавая ему часть своей кинетической энергии. Остальная часть кинетической энергии электронов преобразуется в тепловую энергию при поглощении электронов коллектором.

На модуляцию электронного потока по скорости в группирователе мощность сигнала практически не затрачивается, так как число ускоряемых электронов равно числу замедляемых. Энергия же, выделяющаяся во втором резонаторе, «черпается» из общего запаса кинетической энергии электронов,. и может быть весьма значительной, что позволяет использовать клистрон как эффективный усилитель.