усиления напряжения низкой частоты. Общей особенностью ламп обоих типов является большая величина рассеиваемой анодом мощности, поэтому

применяются специальные меры для дополнительного охлаждения анодов (радиаторы, принудительное воздушное или водяное охлаждение).

Фотографии некоторых генераторных ламп приведены ниже.

Рис. 2.9. Фотографии генераторных ламп

2.6. Электровакуумные приборы диапазона сверхвысоких частот

2.6.1.Особенности движения электронов в СВЧ полях

Вдиапазоне сверхвысоких частот проявляется соизмеримость периода

колебаний с временем пролёта электронов между электродами. Последнее обычно составляет 10-8 – 10-10 с, поэтому уже на частотах 108 – 109 Гц (метровые и дециметровые волны) время пролёта оказывается равным периоду колебаний, а на сантиметровых и дециметровых волнах оно превышает период колебаний на порядки величины. Это приводит к сдвигу фазы поля в приборе за время движения электронов между электродами. Угол сдвига фаз, называемый углом пролёта, связан с временем пролёта следующим образом:

Оценки угла пролёта могут быть сделаны исходя из выражений

для электронов, движущихся по инерции.

Уже на частоте 1ГГц угол пролёта составляет несколько радиан и

изменение фазы поля делает невозможным работу низкочастотных приборов в СВЧ диапазоне. Кроме того, в диапазоне сверхвысоких частот

индуктивности вводов лампы и междуэлектродные ёмкости оказываются

29

соизмеримыми с соответствующими параметрами элементов внешней цепи, что также не позволяет использовать низкочастотные приборы в цепях СВЧ.

Миниатюризация приборов и выбор рациональной конструкции лампы позволяют расширить частотный диапазон, но не решают проблему в принципиальном плане, поэтому появилась необходимость использования

иных принципов усиления и генерации электромагнитных колебаний на сверхвысоких частотах, в частности, полезное использование конечного времени пролета электронов между электродами, что соответствует динамическому режиму работы прибора. На фотографии показан вакуумный триод, в котором для увеличения рабочей частоты за счет уменьшения

междуэлектродных емкостей и индуктивностей анодный и сеточный выводы оформлены в виде дисков.

Рис. 2.10. Вакуумный СВЧ триод

Целью любого прибора СВЧ является преобразование энергии постоянного электрического тока в энергию сверхвысокочастотных колебаний. Поток электронов, проходящий через резонансную колебательную систему, создаёт в ней наведённый ток, который, проходя через нагрузочное сопротивление, создаёт в нём падение напряжения. Последнее приводит к возникновению в зазоре поля, тормозящего электроны. В результате разность энергий электронов на входе и выходе зазора резонансной системы отдаётся внешней цепи. Таким образом, энергия

передаётся во внешнюю цепь в процессе движения электронов в тормозящем электрическом поле.

Одиночный электрон или короткий электронный сгусток возбудит в резонаторе затухающие колебания. Для компенсации потерь энергии и

эффективной накачки резонатора электронные сгустки нужно подавать в резонатор периодически в фазах, совпадающих с фазой максимального тормозящего поля. То есть эффективная передача энергии требует формирования модулированного по плотности электронного потока, что

30

достигается с помощью управляющего устройства. В СВЧ приборах используются динамические методы управления, позволяющие оказывать

группирующее воздействие на электронный поток без изменения плотности потока электронов в самом устройстве. Динамическое управление

электронным потоком возможно путём предварительного периодического изменения скоростей электронов в управляющем устройстве (скоростная модуляция) с последующим преобразованием модулированного по скорости

электронного потока в модулированный по плотности в пространстве между управляющим и выходным устройствами.

Рассмотрим подробнее работу отдельных типов СВЧ приборов.

2.6.2. Клистроны – приборы с динамическим управлением электронным потоком и резонансными системами

Схема двухрезонаторного клистрона приведена на рис. 2.11. При работе

прибора в режиме усиления высокочастотное напряжение подаётся на первый резонатор от внешнего источника, где осуществляется модуляция электронного потока по скоростям. Преобразование скоростной модуляции в модуляцию по плотности происходит в пространстве дрейфа. При этом пространственно-временная диаграмма движения электронов выглядит следующим образом (рис. 2.12).

Рис. 2.11. Схема двухрезонаторного клистрона:

1 – электронный прожектор; 2 – ускоряющий электрод; 3 – петля связи между резонаторами; 4 – коллектор электронов; 5 – выходной резонатор; 6 – входной резонатор

31

Отбор энергии от модулированного электронного потока осуществляется в выходном резонаторе, настроенном на одинаковую с модулирующим резонатором частоту. Режим генерации в двухрезонаторном

клистроне достигается при обеспечении обратной связи между резонаторами. Для увеличения КПД клистрон может быть сделан многорезонаторным (рис. 2.13.), при этом промежуточный резонатор

является выходным по отношению к первому и управляющим по отношению к выходному. КПД многорезонаторных клистронов достигает 50%, а выходная мощность в импульсном режиме может превышать 100 МВт.

Рис. 2.12. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в

клистроне

Рис. 2.13. Схема четырехрезонаторного клистрона: К – катод; А – коллектор электронов

Для генерирования колебаний малой мощности применяется отражательный клистрон, имеющий только один резонатор (рис. 2.14).

32