Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 18

Диапазон перестройки средней частоты клистрона составляет 5...10%. Однако поскольку в большинстве типов клистронов подстроечные элементы резонаторов не связаны механически друг с другом, процесс перестройки является весьма трудоемким, требует высокой квалификации настройщика и значительных затрат времени.

Следует отметить возможность использования пролетного клистрона в качестве умножителя частоты, поскольку в конвекционном токе электронного лучка большое содержание высших гармоник, и соответствующей настройкой резонатора-улавливателя на одну из них нетрудно получить удвоение и утроение частоты.

Таким образом, усилительные клистроны являются одними из мощных и эффективных приборов СВЧ, применяющихся в передающих устройствах РЛС, в аппаратуре для тропосферной в спутниковой связи, в передатчиках телевизионных станций, линейных ускорителях элементарных частиц и других системах.

4.3. Анализ работы и основные пути совершенствования генераторов   на   лампах   бегущей   волны

В клистронах, рассмотренных в предыдущем подразделе, взаимодействие электронного потока с СВЧ    полем    происходит   на сравнительно небольшом участке пространства, соответствующем зазорам  резонаторов в области дрейфа.   Незначительная    протяженность и кратковременность такого взаимодействия обусловили необходимость  повышения  напряженности электрических  полей в резонаторах, достигаемую путем увеличения их добротности. Последнее обстоятельство неизбежно приводит к сужению полосы пропускания клистронных усилителей.

Кардинально расширить полосу пропускания без потери усилительных свойств можно было бы путем увеличения числа резонаторов одновременно со снижением их добротности и в переходе (в пределе) к структуре с непрерывным расположением элементов, где осуществляется взаимодействие электронов с СВЧ полем. В этом случае возникает перспектива осуществить передачу полю кинетической энергии электронного сгустка не в локальных участках пространства области дрейфа, а  на  всем пути его движения. Для этого, очевидно, электронный сгусток все время должен находиться в тормозящей фазе СВЧ поля, а последнее возможно, если поле будет представлять собой волну, движущуюся примерно с той же скоростью, что и электроны.

Чтобы обеспечить равенство скоростей электронов и поля, устройство, где осуществляется их взаимодействие, по сути, должно представлять замедляющую структуру для волны СВЧ поля, ибо в свободном пространстве электрическое поле распространяется со скоростью, которую электроны принципиально не могут достичь.

Конструкция, принцип действия и особенности распространении волн  в замедляющих  системах  Были рассмотрены в разд. 2.

Там было показано, что   электромагнитное    поле    замедляющей

системы  представляет совокупность множества пространственных гармоник, одни из которых являются прямыми,  (их фазовая скорость —совпадает по направлению с групповой скоростью волны), другие — обратными  (их фазовая скорость противоположна групповой).

Приборы, в которых электронный поток взаимодействует с прямой гармоникой, относятся к группе ламп бегущей волны (ЛБВ). Но возможно обеспечить и взаимодействие электронного потока с обратной гармоникой СВЧ поля, результатом которого будет увеличение энергии поля. Эти приборы относятся к группе ламп обратной волны (ЛОВ).

Вначале будут рассмотрены ЛБВ.

Упрощенная  электрическая схема этого прибора приведена на рис. 4.6. Как и в клистроне, электронный поток, выходящий из

катода, фокусируется магнитным полем, в постоянном электрическом поле до замедляющей системы   приобретает   скорость  а с ней и запас кинетической энергии и с этой  скоростью движется вдоль замедляющей системы к коллектору. СВЧ колебания поступают на замедляющую систему, где они, также распространяясь в направлении коллектора со скоростью , взаимодействуют с электронным потоком.

При рассмотрении процесса группировки в ЛБВ принимается, что . На рис. 4.7 условно показаны    фрагмент    начальной части замедляющей системы с распределением вектора напряженности электрического поля, а также электронный поток в произвольный  момент времени. Если пренебречь дробовым эффектом,

то вначале плотность электронного потока можно считать    постоянной. На электроны, попавшие на участки 1—2, 3- 4 и т.д. переменное электрическое поле будет оказывать тормозящее воздействие, в то время как на электроны на участках 2—3, 4—5 и т. д. — ускоряющее.

В результате одни группы электронов в потоке увеличат свою скорость, а другие ее уменьшат.

Нетрудно заметить, что при подобный   характер   воз-

действия переменного поля на электроны будет сохраняться сравнительно долго, в результате чего по мере продвижения к коллектору электроны начнут собираться в сгустки, следующие с интервалом, равным длине полны. Таким образом, поток оказывается сгруппированным. Однако эффекта усиления поля не произойдет, I так как при положение сгустков    будет   соответствовать

нулевой фазе поля. В соответствии с общими принципами работы приборов с электродинамическим управлением электронным потоком для передачи кинетической энергии электронов полю необходимо, чтобы за время движения вдоль замедляющей системы сгустки находились в тормозящей фазе поля. Последнее достигается небольшим превышением скорости электронов над скоростью волны на величину равную

где   время пролета электроном всей    длины,   замедляющей системы.

При выполнении условия (4.21) происходит увеличение амплитуды волны. В свою очередь, рост напряженности поля приводят к более интенсивной группировке электронов. Поскольку оба процесса идут параллельно, следует ожидать экспоненциальный характер нарастания поля по мере его распространения вдоль замедляющей системы, как это показано на рис. 4.8.