1.9. Электровакуумные приборы сверхвысоких частот

Все рассмотренные выше электровакуумные приборы основаны на управлении электрическим током в вакууме посредством электростатических полей. С ростом частоты усиливаемых или генерируемых сигналов все более ярко проявляются эффекты, обусловленные конечностью скорости движения электронов в вакууме, а также паразитными реактивностями электровакуумного прибора. Так, скорость электрона в конце его пути к аноду при нулевой начальной скорости

, м/с ,

где - напряжение на аноде относительно катода, В. При =100 В и расстоянии между анодом и катодом 3 мм средняя скорость электрона составит примерно 3*10⁵ м/с, а время пролета электрона - 10^-9 с. Для низких частот это время несущественно, однако на частоте 1000 МГц оно равно периоду колебаний. Для оценки влияния времени пролета электронов на функционирование электровакуумного прибора обычно используют угол пролета электрона . Если этот угол не превышает 0,1 , конечностью скорости электронов можно пренебречь. В противном случае эффективность работы прибора быстро падает с ростом частоты.

Д ля усиления и генерации сигналов сверхвысоких частот были разработаны электровакуумные приборы, в которых учитывается и используется конечность скорости электронов. Один из таких приборов носит название клистрон и применяется в двух разновидностях: пролетный клистрон и отражательный клистрон. В этих приборах используется модуляция потока электронов по скорости. Основные элементы клистрона – это электронная пушка и резонатор (резонаторы). Электронная пушка содержит термоэлектронный катод и фокусирующий электрод и служит источником потока электронов. Резонатор представляет собой полость, ограниченную проводящими стенками, и с электрической точки зрения является аналогом колебательного контура, то есть, обладает резонансными свойствами на некоторой частоте, определяемой размерами резонатора. Поток электронов имеет возможность проходить сквозь резонатор, при этом скорость электронов, пролетающих через резонатор, изменяется в зависимости от того, в какой фазе находятся колебания в резонаторе, и происходит группирование электронов в потоке. Пролетный клистрон имеет несколько резонаторов и может работать как усилитель или как автогенератор в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн в непрерывном и импульсном режимах с высоким (до 40%) к.п.д. Такие клистроны изготавливаются для работы на определенной частоте или в узкой полосе частот, выходная мощность – от единиц ватт до десятков киловатт в непрерывном режиме. В настоящее время они применяются и в наземной, и в аэрокосмической аппаратуре, например, в передатчиках систем спутникового телевещания. Отражательные клистроны - это маломощные автогенераторы СВЧ колебаний.

Другой тип электровакуумного прибора СВЧ – это магнетрон. Магнетроном называют двухэлектродную электронную лампу (диод), предназначенную для генерирования электромагнитных колебаний. Главная особенность магнетрона – движение электронов от катода к аноду под действием не только электрического, но и магнитного поля. Как известно, если вектор скорости электрона составляет с вектором напряженности магнитного поля некоторый угол, то траектория движения электрона будет криволинейной. Если анод имеет вид полого круглого цилиндра, катод расположен на оси анода и вектор напряженности магнитного поля направлен вдоль оси анода, а радиус кривизны траектории электронов будет определяться величиной магнитной индукции. Чем больше индукция, тем меньше радиус траектории электрона. При некотором значении индукции магнитного поля, называемой критической В_кр, электроны не достигнут анода, а вернутся к катоду, и ток в цепи анод – катод прекратится (см. рис. 13). Величина критической индукции зависит, кроме прочего, от напряжения на аноде: чем больше это напряжение, тем больше и критическая индукция магнитного поля. Если на постоянную составляющую анодного напряжения наложить переменную составляющую, то ток анода будет изменяться в соответствии с переменной составляющей.

Источником переменной составляющей анодного напряжения в современных магнетронах является резонатор (точнее, резонаторы, так как их обычно несколько), представляющий собой цилиндрическую полость в металлическом аноде (см. рис. 14). Для связи резонатора с источником электронов служит щель вдоль образующей цилиндра. Такой резонатор подобен вырожденному колебательному контуру, в котором щель представляет собой емкость, а стенка цилиндра – индуктивность. Резонансная частота определяется геометрическими размерами резонатора. В процессе работы магнетрона электроны, вылетающие из катода, под действием постоянного магнитного поля движутся в зазоре между катодом и анодом, при этом они возбуждают в резонаторе колебания на резонансной частоте. В щели резонатора образуется переменное электрическое поле, и электроны, подлетающие к щели со стороны катода, отдают этому полю часть своей энергии, если фаза поля этому благоприятствует, или продолжают движение вдоль катода в противном случае. Отбор мощности сверхвысокой частоты осуществляется посредством связи между одним из резонаторов и волноводной или коаксиальной линией, ведущей к внешней нагрузке.

Магнетрон не может усиливать сигнал, но является весьма эффективным автогенератором. Выпускаются магнетроны на разные уровни выходной мощности и для работы в непрерывном и импульсном режимах. Источником постоянного магнитного поля для магнетрона обычно служит постоянный магнит. Большинство типов магнетронов предназначены для работы в узком диапазоне частот и на согласованную нагрузку, однако широко применяются и магнетроны, выходная мощность которых используется для нагрева проводящих сред с переменными электромагнитными параметрами, например, магнетроны для бытовых микроволновых печей, магнетроны для технологических нагревательных установок (для сушки пластмасс, древесины и т.п.).

Кроме клистронов и магнетронов, для генерации (и усиления) колебаний СВЧ используют лампы бегущей волны ЛБВ и лампы обратной волны ЛОВ. В этих электровакуумных приборах поток электронов в виде луча взаимодействует с полем бегущей электромагнитной волны на относительно протяженном участке. ЛБВ и ЛОВ характеризуются большими коэффициентами усиления и широкополосностью. По конструкции ЛБВ представляет собой длинный стеклянный или металлический баллон, внутри которого размещены электронная пушка, замедляющая система и коллектор (аналог анода обычной электронной лампы). Для фокусировки электронного потока в узкий луч используют электростатические и магнитные системы. В последних источником постоянного магнитного поля могут быть постоянный магнит, соленоид с постоянным током или группа соленоидов. Замедляющую систему обычно выполняют в виде проволочной спирали. В начале замедляющей системы (со стороны электронной пушки) выполняют волноводный вход, на конце – волноводный выход. У лампы обратной волны направление сигнала обратное.