Приборы и устройства СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов

152

Рассмотрим взаимодействие волны и потока в условиях υ0 > υф . В результате рассмотрения должна быть найдена величи-

на постоянной распространения волны Г& в ЗС в горячем режиме в функции от режима питания U0 , Io , ω и параметра — Rсв .

Введем следующие допущения:

1.Ограничимся режимом малых амплитуд, т.е.

ρ= ρ0 + ρ1 (z,t); ρ1 << ρ0 ; υ = υ0 + υ1 (z,t);

υ1 << υ0 ; J = J0 + J1 (z,t); J1 J0 .

2.Движение электронного потока происходит только в направлении оси z: u = uz z0 , uϕ = ur = 0, uz = u0 .

3.Действием пространственного заряда пренебрегаем, релятивистскими эффектами в скоростях пренебрегаем.

4.Продольное ВЧ-поле в ЗС в горячем режиме имеет вид

бегущей волны Ez = Emz eiωt − Г&z , где постоянная распространения

волны Г& = α + jβ.

5. Поле самосогласованно, т.е. постоянные распространения волн в электронном потоке — Kэл и в холодной ЗС — Г0 должны

быть одинаковы.

6.Холодные потери в ЗС не учитываем, т.е. Г0 = jb0 и электроны на ЗС не оседают. Г0 ¹ Г , но отличаются незначительно.

7.Пусть переменные составляющие скорости, объемного заряда, плотность тока имеют вид бегущих волн:

υ1(z, t) = υ1eiωt − Г&z ρ1(z, t) = ρ1eiωt − Г&z J1(z, t) = J1eiωt − Г&z . (6.1)

Задача взаимодействия поля с электронами решается в 3 этапа:

I этап: Определение переменной составляющей конвекционного тока J1 ;

II этап: Определение переменного напряжения U z1, наведенного на ЗС переменным конвекционным током — J1 .

IIIэтап: Совместное решение уравнений, полученных на I и II этапах, и определение постоянной распространения Г& .

153

Группировка электронов и переменный конвекционный ток ЗС

Электронный поток, двигаясь со скоростью v0 в ЗС, попадает в ускоряющее и тормозящее поле Ez , поэтому его скорость изменяется: υ = υ0 ± Δυ . Изменения в скоростях электронов при-

ведут к тому, что плотность его начнет изменяться и из непрерывного потока он преобразуется в модулированный по плотности. Необходимо определить величину переменной составляющей конвекционного тока. Для этого воспользуемся уравнениями движения, тока переноса и непрерывности

где учтено, что произведение υ1υ1 = 0 , как малые 2-го порядка.

Соотношение (6.6) дает величину переменной составляющей скорости электронов в пучке, возникшую под действием амплитуды поля Emz .

Найдем переменную составляющую плотности конвекционного тока в присутствии потока из (6.4):

155

волны. Для определения этого изменения используем метод эквивалентных схем. Составим эквивалентную схему замещения ЗС (рис. 6.5), на которой ЗС будет представлена однородной линией без потерь с идеальными (без потерь) зазорами. Будем считать, что высокочастотное напряжение — U соответствует продольному напряжению волны в ЗС на уровне электронного потока; фазовая скорость волны υф реальной ЗС и эквивалентной пусть

одинаковы, а характеристическое сопротивление эквивалентной схемы равно сопротивлению связи Rсв на уровне электронного

потока.

Рис. 6.5 — Эквивалентная схема замещения ЗС

Для элемента эквивалентной линии длиной dz при погонном сопротивлении iX 0 и при погонной проводимости iB0 диф-

ференциальные уравнения для тока и напряжения (рис. 6.6) с учетом стороннего наведенного тока, вызванного током электро-

156

следует исключить. Для этого в (6.11) и (6.12) положим Ik = 0 и

Рис. 6.6 — Эквивалентная схема элемента линии длиной dz

Подставим (6.14) в (6.13) и получим величину напряжения, создаваемого на ЗС модулированным по плотности конвекционным током Ik = I1 в луче; обратное действие этого напряжения на

электронный поток не учитывается:

здесь величины Г и Г0 не известны.

Характеристическое уравнение ЛБВО позволит опреде-

лить постоянную распространения Г в присутствии электронного потока. Получим характеристическое уравнение, совместно решив уравнения (6.9) и (6.15). Для этого в уравнение (6.15) подставим (6.1) и Ezm , представив в виде

Ezm = − dU = −gradU = ГU1. dz

157

Тогда характеристическое уравнение принимает вид:

сильно отличаться от постоянной распространения в холодной лампе Г0 . Решаем (6.16) при близких значениях Г , Г0 , iKэ .

Электронное волновое число Kэл = ω равно постоянной холод-

υ0

ной лампы, т.е. Г0 = jKэл .

При наличии электронного потока (горячий режим), допустим, Г = Г0 + ξ незначительно отличается от Г0 на ξ — малую

величину. Подставим Г и Г0 в (6.16), преобразуем его, получим упрощенное характеристическое уравнение

−Rc I0 K(эл2 (−Kэл2)) = 1; 2U0 −2ξ3iKэл

где С = 3 Rcв I0 — безразмерный параметр усиления. 4U0

Решение характеристического уравнения (6.17а). Запи-

шем его в виде

cos 3φ + i sin 3φ = i .

158

Приравниваем действительные и мнимые части в последнем равенстве

Из соотношений (6.19) следует, что по ЗС в присутствии электронного потока и принятых допущений распространяются 3 волны, имеющие одинаковую структуру поля, но разные постоянные распространения. Фазовые постоянные распространения определяют фазовые скорости υф1 , υф2 , υф3 .

159

Можно записать для каждой волны выражение фазовой скорости

Фазовые скорости первой и второй волн несколько меньше скорости электронов υ0 . Третья и четвертая волны имеют не-

сколько большую фазовую скорость, причем у 4-й волны фазовая скорость отрицательная, т.е. волна распространяется навстречу пучку. По величинам скоростей видно, что для взаимодействия с электронным потоком пригодны 1, 2-я волны.

Амплитудные постоянные распространяющихся волн

(6.19а) и (6.19) равны

α3 = α43 = 0 .

Выводы: а) Из всех волн пригодной для усиления колебаний является вторая волна; т.к., имея отрицательное затухание,

амплитуда её возрастает по экспоненте Ez = Emz eiωt − Г&z .

б) Поданная на вход ЗС волна при взаимодействии с пучком расщепляется на 3 волны, идущие в том же направлении, что и электронный поток. Распространяющаяся навстречу пучку четвертая волна (обратная) не зависит от качества согласования. Согласование может привести к изменению амплитуды или фазы этой волны. Наличие её создает связь выхода со входом лампы, может вызвать самовозбуждение. Это заставляет принимать меры к ослаблению обратной волны введением в замедляющую систему поглотителя (рис. 6.1). Искусственное затухание в замедляю-

160

щей системе может быть равномерно распределенным по всей ее длине или выполнено сосредоточенным и расположенным в определенном месте — поглощающая вставка. Длина этой вставки равна примерно 0,3÷0,5 от длины замедляющей системы l лампы, а затухание до 20 дБ.

в) Амплитуда электрического поля волны, поданной на вход ЗС, в результате потери части своей энергии на модуляцию электронов по скорости падает на протяжении z = (0,3÷ 0,5)l (рис. 6.7), далее располагается поглотитель. Группирование электронов происходит в пространстве поглощающей вставки, практически свободном от ВЧ-поля, и завершается к моменту выхода их из вставки. С момента выхода сгустки электронов (6), находясь в тормозящем поле, создают в ЗС наведенное ВЧ-поле. Частота следования сгустков совпадает с частотой входного сигнала. Электрическое поле нарастает вдоль замедляющей системы по экспоненте.

Рис. 6.7 — Процессы группировки потока и усиления амплитуды волны

6.3 Коэффициент усиления ЛБВ

Определим коэффициент усиления для второй волны, амплитуда которой нарастает по экспоненте, но в 3 раза меньше амплитуды поданного поля, т.к. входной сигнал делится поровну между тремя волнами.