Принцип действия СВЧ – приборов

 Электронные приборы СВЧ по характеру энергообмена между
электронным потоком и колебательной системой (или полем)
подразделяются на приборы типа О и типа М.
 В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии
электронов в энергию СВЧ-поля в результате торможения электронов этим
полем. Магнитное поле или не используется совсем, или применяется
только для фокусировки электронного потока и принципиального
значения для процесса энергообмена не имеет.
 В приборах типа М в энергию СВЧ-поля переходит потенциальная
энергия электронов.
 Электронные приборы СВЧ по продолжительности взаимодействия с
СВЧ-полем подразделяются на приборы с кратковременным (прерывным) и
длительным (непрерывным) взаимодействием. В первом случае
используется взаимодействие электронов с СВЧ-полем резонаторов, а во
втором — с бегущей волной.
ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА О (ЛБВО, ЛОВО)
Принцип работы приборов типа О с длительным взаимодействием
В приборах с длительным взаимодействием имеется модуляция скорости
электронов и плотности электронного потока.
Длительное взаимодействие электронов с полем бегущей волны позволяет
получить необходимое группирование электронов при сравнительно слабом
входном сигнале.
Обмен энергией между электронами и полем происходит в результате
взаимодействия электронов с составляющей напряженности поля,
совпадающей по направлению со скоростью электронов - продольной
составляющей.
Длительное взаимодействие электронов с бегущей волной эффективно
только при синхронном движении волны и электронов, когда начальная
скорость электронов V0 и фазовая скорость волны Vф совпадают по
направлению и мало различаются по величине.
При выполнении условия V0=Vф происходит группирование электронов,
влетевших в СВЧ-поле в пределах периода, около электрона 3, начавшего
движение в нулевом поле, соответствующем переходу от ускоряющей к
тормозящей полуволне. Если группирующиеся электроны располагаются
симметрично относительно электрона 3, то электроны, находящиеся в
ускоряющем поле, отбирают от СВЧ-поля столько же энергии,
сколько энергии отдают полю электроны, находящиеся в тормозящем поле. В
этом случае энергия поля не изменяется, т. е. отсутствует усиление.
Таким образом, при выполнении условия V0 ≤ Vф также
происходит группирование электронов, однако основная часть
рассматриваемых электронов оказывается в ускоряющем поле
волны. В этом случае энергия, отбираемая ускоряемыми
электронами от волны, превышает энергию, отдаваемую волне
остальными электронами, т. е. происходит уменьшение амплитуды
волны.
Таким образом, при V0 ≥ Vф энергия, отдаваемая
основной частью потока электронов полю волны,
превышает энергию, отбираемую от поля остальными
электронами, и возможно усиление СВЧ-поля.
Выбирая V0 значительно больше Vф невозможно увеличить передаваемую
энергию.
При большой разнице скоростей электрон быстро опережает
волну и поочередно взаимодействует с ускоряющими и тормозящими
полуволнами поля в среднем не получая и не отдавая энергии.
Обычно разность V0 и Vф составляет не более 5– 10%.
Эффективная передача энергии от электронов бегущей волне происходит
при условии
V0 ≥ Vф
которое называется условием примерного синхронизма.
Схема устройства типовой маломощной ЛБВ типа О.
Электронная пушка (прожектор):
катод 1, управляющий электрод 2, первый анод 3 и второй анод 4.
Эта система электродов обеспечивает необходимую начальную фокусировку пучка и
регулировку его тока. Последняя производится изменением потенциала управляющего
электрода или первого анода.
Второй анод 4 через трубку 6 («антеннку») соединен со спиральной замедляющей
системой 7. Трубка является элементом связи замедляющей системы с входным
волноводом 5, к которому подводится усиливаемый сигнал и используется для связи с
выходным волноводом 9. Для согласования входного и выходного волноводов с
замедляющей системой предусмотрены подстроечные элементы 11. Положение спирали
задается кварцевыми стержнями или трубками. На поверхность этих держателей
наносят слой поглотителя 8 для предотвращения самовозбуждения
ЛБВО. Электронный поток проходит внутри спирали, взаимодействует с СВЧ-полем
спирали и затем попадает на коллектор 10, который имеет форму стакана или конуса.
Фокусирующая система (соленоид) 12 обеспечивает фокусировку электронного пучка
на всей длине прибора.
Параметры и характеристики ЛБВО
Коэффициент усиления ЛБВО по напряжению как отношение амплитуды
второй волны на выходе z=0 к амплитуде входного сигнала Еzр(0):
Коэффициент усиления ЛБВО составляет 15–35 дБ, а в маломощных
лампах доходит до 60 дБ.
Амплитудно-частотная
характеристика. Зависимость
коэффициента усиления от
частоты сигнала при постоянном
ускоряющем напряжении U0
определяется дисперсионными
характеристиками замедляющей
системы, качеством согласования на
входе и выходе ЛБВ.
Электронный КПД определяется формулой:
Принцип работы усилительной ЛОВО
В отличие от ЛБВ сигнал в замедляющую систему входит у
коллектора, а выходит—у катода. Поэтому направление групповой
скорости (направление передачи энергии) противоположно
направлению скорости электронов V0. Так как в ЛОВ используется
обратная пространственная гармоника, то ее фазовую скорость Vфp
надо направить навстречу групповой скорости Vг. Таким образом, в
этой схеме Vфp и V0 совпадают по направлению, и поэтому при
выполнении условия синхронизма для обратной гармоники (V0≥Vфp)
можно обеспечить ее взаимодействие с электронным потоком, так же
как обеспечивалось взаимодействие для прямых пространственных
гармоник в ЛБВ. Модуляция потока по скорости в случае выполнения
условия синхронизма приведет к группировке электронов в
тормозящий полупериод СВЧ-поля бегущей волны (обратной
пространственной гармоники). Электронный поток отдает часть
кинетической энергии полю волны. Но энергия волны может
переноситься по замедляющей системе только в нагрузку, т. е. в
сторону катода, поэтому амплитуда поля Ez возрастает в этом же
направлении .
Принцип работы генераторной ЛОВО
Она отличается от усилительной
ЛОВ тем, что входное устройство
заменено поглотителем.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИБОРОВ ТИПА М
Приборами типа М называют приборы, в которых в энергию СВЧ-поля
непосредственно преобразуется потенциальная энергия электронов, а не
кинетическая энергия, как в приборах типа О. Такое взаимодействие
электронов и СВЧ-поля обеспечивается при использовании взаимно
перпендикулярных (скрещенных) электрического и магнитного полей.
В приборах типа О с длительным взаимодействием поля и электронов
(ЛБВО, ЛОВО) энергия СВЧ-поля увеличивается в результате уменьшения
кинетической энергии электронов, группирующихся при выполнении
условия синхронизма (4.3), в тормозящем поле. Это условие допускает
лишь небольшое начальное превышение скорости электронов над фазовой
скоростью волны (v0≥ vф), поэтому электроны передают полю лишь
небольшую часть своей кинетической энергии и электронный КПД
приборов типа О мал.
ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА М (ЛБВМ И ЛОВМ)
Особенность приборов типа М состоит в том, что в процессе
взаимодействия СВЧ-полю передается потенциальная энергия
электронов. При взаимодействии электроны, находящиеся в
тормозящей полуволне поля, не изменяя средней кинетической
энергии, смещаются под действием продольной составляющей Еz
СВЧ-поля в область пространства с большим потенциалом (к
положительному электроду).
Чем сильнее тормозящее поле Еz тем больше скорость переносного
движения в подвижной системе координат, тем дальше электрон
смещается к положительному электроду и большую потенциальную
энергию передает СВЧ-полю.
Усиление и генерация СВЧ-колебаний осуществляется в результате
взаимодействия бегущей волны в замедляющей системе с
электронами, движущимися в скрещенных электрическом и
магнитном полях. В отличие от других приборов типа М электронный
поток вводится в пространство взаимодействия с помощью
специальной электронно-оптической системы.
Принцип работы ЛБВМ
Электроны, вылетевшие из катода, в скрещенных статических
электрическом Eyпp и магнитном В полях в пространстве между
катодом и управляющим электродом двигаются по циклоидальной
траектории Подбирают такие условия, чтобы электроны в момент
входа в пространство взаимодействия образуемого верхним
электродом замедляющей системы (анод) и нижним электродом
(холодный катод или основание), находились на вершине циклоиды.
Параметры и характеристики ЛБВМ
Электронный кпд
Коэффициент усиления.
Амплитудная характеристика. (На
приведена зависимость выходной
мощности от входного сигнала при
постоянном токе пучка I0.
Принцип работы ЛОВМ
Устройство ЛОВМ. В лампах обратной
волны типа М, которые могут быть
генераторными или усилительными
устройствами, взаимодействие электронного
потока происходит с обратной
пространственной гармоникой. Схема
устройства цилиндрической генераторной
ЛОВМ показана на рисунке.