Cтраница 2
Клистрон может быть эффективно использован и как умножитель частоты. Это связано с тем, что в сгруппированном токе величина амлитуд гармоник ( гп 2lQjn ( nX)) основной частоты достаточно высока. [16]
Однако назначение последнего каскада многорезонаторного клистрона - не получение возможно большего усиления по мощности, что может быть достигнуто в предшествующих каскадах, а максимальное увеличение абсолютного уровня мощности на выходе клистрона. Это может быть получено, если значительно увеличить сгруппированный ток в зазоре ( п - 1) - го резонатора и далее его догруппировать в последней пролетной трубе для достижения возможно большего значения амплитуды первой гармоники. Такой результат на приведенной векторной диаграмме будет отображаться тем, что фазовый угол между векторами / ( i) и Д будет стремиться к нулю, а сами векторы практически будут складываться алгебраически. [17]
Сущность метода последовательных приближений состоит в вычислении высокочастотной составляющей сгруппированного тока ( или высокочастотных продольных смещений электронов), возникающих под действием заданных высокочастотных полей, а затем в вычислении поля, возбуждаемого в волноведущей системе током, который считается теперь заданным. Далее процедуру можно повторять, получая приближения более высоких порядков. В качестве нулевого приближения задаются ВЧ-поля в волноведущей системе без пучка. Важно, что для вычисления пусковых условий в ЛОВ достаточным оказалось первого приближения. Здесь нельзя не отметить, что широкие возможности и высокая эффективность аппарата метода последовательных приближений, впервые примененного Компфнером к ЛБВ, была обоснована основателем Саратовской научной школы по сверхвысокочастотной электронике профессором Владимиром Николаевичем Шевчиком. Метод последовательных приближений применялся впоследствии для решения широкого круга задач СВЧ-электроники [7, 8] и, в первую очередь, применительно к анализу ЛОВ. [18]
После модуляции пучка входным сигналом по скорости в первом ВЧ-зазоре 4 происходит группирование электронного потока по плотности в трубе дрейфа 5 и появление переменной составляющей тока. Тогда второй резонатор улучшает процесс модуляции и увеличивает величину i первой гармоники сгруппированного тока. Последующие резонаторы также настроены таким образом, чтобы улучшить группировку электронного потока к выходному устройству. [19]
Вид выражения для сгруппированного тока (4.55) показывает, что динамика пучка в поперечном направлении ( периодические колебания с пространственным периодом 2тг /) оказывает существенное влияние на процессы группировки электронов. Рассмотрим этот вопрос подробнее, для чего найдем наведенное в линии передачи сгруппированным током ВЧ-поле и, следовательно, величину электронной мощности взаимодействия ВЧ-поля с непрямолинейным ионно-фокусируемым пучком. [20]
Для интегрирования (1.75) задается функция 0, найденная из теории слабого сигнала в предположении, что усиление велико и можно ограничиться в выражении для 0 слагаемым, которое соответствует нарастающей волне. Подставляя заданное значение 0 во второе уравнениеиз (1.75), можно найти аналитическое выражение для первой гармоники сгруппированного тока, что позволяет, используя первое уравнение из системы уравнений (1.75), определить возбужденное в линии передачи поле. Мы остановимся более подробно на изложении этого метода в гл. [21]
Отсюда видно, что для определения пусковых параметров генератора и его свойств в стационарном режиме достаточно вычислить мощность взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем, запасенную в резонаторе энергию и знать характеристики ОР. Причем, как уже обсуждалось выше, для вычисления интегралов в уравнениях (15.14), (15.15) достаточно знать сгруппированный ток в приближении заданного поля, которое дает искомое решение для оротрона. [22]
Для обеспечения самосогласованности задачи необходимо в дополнение к электронной части уметь находить возбужденные поля в периодической структуре сгруппированным током. Дискретный анализ, основанный на представлении реальных электродинамических структур эквивалентными схемами и формулировке уравнений возбуждения таких эквивалентных схем сгруппированным током, автоматически учитывает взаимодействие со всеми пространственными гармониками. Такой подход является эквивалентным интегрированию непосредственно уравнений Максвелла. Более того, дискретный подход, как уже отмечалось, позволяет, хотя бы в принципе, построить единую теорию СВЧ-приборов типа О как резонансных, так и нерезонансных. [23]
Анализ каскадного группирования, описанный выше, носит нелинейный характер. Поэтому, если на электронный поток воздействует ВЧ поле определенной частоты, то в пучке возбуждается весь спектр гармоник Фурье сгруппированного тока. Очевидно, что при многочастотном нелинейном группировании в электронном потоке возникает спектр комбинационных гармоник тока. Этот спектр тем богаче, чем большее число полей с разными частотами взаимодействуют с пучком. [24]
Кроме того, одновременно будет изменяться и частота генерируемых колебаний, вследствие того что электронные сгустки в зависимости от угла 02 будут проходить в зазоре резонатора при различных фазах высокочастотного напряжения. При этом будет изменяться сдвиг по фазе между напряжением на резонаторе и первой гармоникой наведенного тока, который определяется первой гармоникой сгруппированного тока i2; следовательно, в резонатор будет вноситься реактивная электронная проводимость, изменяющая резонансную частоту последнего. [25]
Напомним, что физически работа ЛБВ типа О в режиме подавления объясняется преимущественным попаданием электронов в ускоряющую фазу поля при определенных значениях относительного угла пролета Фо, где они забирают энергию у волны. Фоя при отсутствии пространственного заряда и затухания соответствует оптимальному взаимодействию электронов и волны: на определенной нормированной длине пространства взаимодействия ( СЛ Фо11) ВЧ поле обращается в нуль, а ВЧ сгруппированный ток становится максимальным. [26]
ВЧ поля вдоль длины прибора при взаимодействии с прямой волной в линии передачи совпадает по форме с распределением поля в обычном приборе типа М с отрицательным холодным катодом при взаимодействии с обратной волной в линии передачи и наоборот. Как показано в [47], в адиабатическом приближении при синхронном взаимодействии электронов с прямой волной ( схема является сопряженной схеме обычного усилителя обратной волны типа М) имеет место затухание ВЧ поля волны вдоль длины прибора, при этом сгруппированный ток в конце пространства взаимодействия максимален. Поэтому данная схема может быть использована в качестве группирователя электронов. [27]
Описанные выше методы так или иначе связаны с получением и использованием дисперсионного уравнения задачи. Сущность метода последовательных приближений состоит в вычислении переменной составляющей тока ( или ВЧ смещений электронов), возникающей под действием заданных ВЧ полей ( при этом можно исходить либо из уравнений движения и закона сохранения заряда, либо из дифференциального уравнения для сгруппированного тока (1.73), либо из уравнений для ВЧ смещений электронов), а затем в вычислении поля, возбуждаемого в линии передачи током, который считается теперь заданным. Причем в качестве нулевого приближения задаются ВЧ поля в линии передачи без электронного пучка. Подчеркнем, что решение задачи методом последовательных приближений может быть получено с любой степенью точности: это определяется лишь количеством рассматриваемых приближений. [28]
Действительно, как мы уже говорили, поле в линии передачи у выхода лампы создает модуляцию электронов по скорости. Модуляция по скорости превращается в модуляцию по плотности при движении пучка в сторону коллектора. Сгруппированный ток, возникающий в результате этого, создает в замедляющей системе волну, энергия которой распространяется к пушечному концу лампы, вызывая дальнейшую группировку. Увеличение сгруппированного тока приводит к еще большему увеличению энергии, распространяющейся по направлению к пушке. При малых токах пучка получается регенеративное усиление; при больших токах ( / о / п) в лампе начнется генерация. [29]
Отражательный клистрон представляет собой резонансный автогенератор клистронного типа, в котором модуляция электронов по скорости и взаимодействие сгруппированного потока с ВЧ-полем происходят в единственном резонаторе. Схема отражательного клистрона приведена на рис. 2.11. Группирование потока осуществляется в тормозящем поле между резонатором и специальным электродом - отражателем, на который подается отрицательный относительно резонатора потенциал Vr. В предгенерационном режиме сгруппированный ток характеризуется бесконечно большим набором временных шумовых гармоник. Таким же числом гармоник обладает и ток, наведенный во внешней цепи зазора. Однако так как резонатор представляет собой колебательную систему с высокой добротностью, он выделяет из бесконечного набора шумовых гармоник ту, частота которой близка к его собственной частоте. [30]