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 v ₀, определяемой ускоряющим напряжением U _o (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 v ₀ 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 i_конв промодулированного электронного потока вдоль ЗС. Максимальные значения i_конв 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.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Дулин В.Н. Электронные приборы. – М.: «Энергия», 1977.

2. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника СВЧ. – М.: «Радио и связь», 1981.

3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.– М.: Высш.школа, 1988.

4. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. – /под ред. к.т.н. В.Н.Дулина, М.С.Жука/.– М.: «Энергия», 1978.

5. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. – /под ред. д.т.н. А.А.Куликовского/, 1977.

6. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высш.школа, 1990.

7. Веселов Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ. М.: Высш.школа, 1988.

8. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. – Изд-во «Высшая школа», 2002

Дополнительная

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами. М.: Высш.школа, 1980

2. Советов Н.М. Техника СВЧ. М.: Высш.школа, 1976.

3. Техническое описание передатчика типа РЦТА.

4. Техническое описание передатчика ФТР-1.

Дата добавления: 2014-01-03