3.2. Особенности работы генераторов и усилителей свч
Для эффективной передачи энергии электронного потока электромагнитному полю необходимо сгруппировать электроны в плотные сгустки, которые длительное время должны находиться в тормозящих полупериодах высокочастотного электрического поля. Поэтому средняя скорость электронов должна соответствовать фазовой скорости взаимодействующей гармоники высокочастотного поля.
Взаимодействие электронов с одной из пространственных гармоник реализуется, например, в лампе бегущей волны (ЛБВ) (рис. 2,6,д), которая состоит из электронной пушки ЭП, ускоряющего электрода ЭУ, замедляющей системы ЗС и коллектора К. Электронный поток взаимодействует с продольным электрическим полем волны, фазовая скорость которой близка к средней скорости электронов v0, определяемой ускоряющим напряжением Uo (рис. 2.6,б). Заметим, что на рисунке в положительном направлении оси ординат отложена ускоряющая напряженность электрического поля, направленная навстречу электронному потоку.
Рис. 2.6. Группировка электронного потока в ЛБВ
Отметим, что скоростью v0 обладают электроны, влетающие в замедляющую систему непрерывным потоком, а также немодулированные электроны типа 2 и 4, попавшие в систему в тот момент, когда напряженность высокочастотного поля равна нулю. Электрон 7, влетевший в систему во время ускоряющего полупериода электрического поля, получает приращение скорости, а электрон 3, оказавшийся в тормозящем полупериоде высокочастотного поля, замедляется. Таким образом, поле взаимодействующей гармоники обеспечивает модуляцию электронов по скорости, которая приводит к модуляции их по плотности по мере движения вдоль ЗС. При этом непрерывный электронный поток в ЗС превращается в поток электронных сгустков. Центрами электронных сгустков являются электроны типа 2, относительно которых высокочастотное поле изменяется от ускоряющего на тормозящее.
На рис. 2.6,в показано распределение конвекционного тока iконв промодулированного электронного потока вдоль ЗС. Максимальные значения iконв соответствуют центрам электронных сгустков, расстояния между которыми близки к длине замедленной волны рассматриваемой гармоники. В свою очередь, электронные сгустки наводят в ЗС бегущую волну так, что оказываются в тормозящих полупериодах возбуждаемой волны. При этом увеличивается амплитуда взаимодействующей гармоники и происходит торможение электронных сгустков, в результате чего сгустки смещаются к ускоряющим полу пери одам бегущей волны и догруппировываются под воздействием возрастающей амплитуды высокочастотного поля. Этот процесс продолжается по мере продвижения сгустков вдоль системы при соблюдении условий синхронизма между средней скоростью электронов и фазовой скоростью взаимодействующей гармоники. За счет возрастания амплитуды взаимодействующей гармоники происходит усиление суммарного электромагнитного поля от входа к выходу ЗС.
Для эффективной передачи энергии бегущей волке сформированные электронные сгустки должны слегка обгонять волну, чтобы находиться в тормозящих полупериодах (рис. 2.6, б). Поскольку фазовая скорость волны в ЗС определяется дисперсией и зависит от частоты, то при фиксированной частоте входного сигнала необходимо подобрать такое ускоряющее напряжение, при котором скорость электронов несколько больше фазовой скорости волны.
При взаимодействии электронного потока с высокочастотным полем ЗС в ЛБВ при выполнении условия фазового синхронизма поле в системе с электронным потоком является самосогласованным, т.к. промодулированный электронный поток передает энергию высокочастотному полю, которое его промодулировало.
При взаимодействии электронов с прямой волной ЗС, когда фазовая и групповая скорости по направлению совпадают, амплитуды высокочастотного поля и конвекционного тока нарастают от входа к выходу (см. рис. 2.6,б, в).
Аналогичен характер взаимодействия электронов с высокочастотным полем ЗС и в лампе обратной волны (ЛОВ). Отличие состоит лишь в том, что групповая скорость в замедляющей системе ЛОВ направлена навстречу фазовой скорости, т.е. передача энергии и соответственно нарастание амплитуды поля направлены против нарастания амплитуды конвекционного тока. Поэтому ввод и вывод энергии в ЛОВ меняются местами в сравнении с ЛБВ. Схема ЛОВ, а также изменение амплитуды обратной волны и конвекционного тока вдоль ЗС показаны на рис. 2.7,а, б, в соответственно.
Следует отметить, что в ЛБВ и ЛОВ используются различные ЗС, обеспечивающие наибольшее сопротивление связи в первом случае на прямой, во втором - на обратной волне.
Рис. 2.6. Электронные взаимодействия в ЛОВ
В ЛОВ всегда имеется внутренняя обратная связь за счет того, что волна конвекционного тока движется навстречу электромагнитной волне. Эта обратная связь существует в пределах каждой ячейки замедляющей системы ЛОВ. Рассмотрим контур внутренней обратной связи (ОС), показанный на рис. 2.7 в пределах одного шага ЗС протяженностью L.
Рис. 2.7. К рассмотрению фазового условия самовозбуждения в ЛОВ
Электронные приборы с нерезонансными колебательными системами принципиально широкополосны. Полоса пропускания ЛБВ и диапазонная характеристика ЛОВ определяются шириной полосы прозрачности ЗС.
При взаимодействии электронов с прямой волной, т.е. с нулевой или положительной пространственной гармоникой, как это имеет место в ЛБВ, широкая полоса частот может быть обеспечена без изменения ускоряющего напряжения, если дисперсия слаба или вовсе отсутствует.
Уменьшая ток ниже пускового для основной гармоники, можно сорвать генерацию ЛОВ и превратить ее в регенеративный усилитель.