Техника СВЧ (стр. 3 из 10)

Процессы при неравномерном поле практически не изучались и весьма сложны. Проведем качественные пояснения, объясняющие явления. Прежде всего надо отметить, что в соответствии с формулой

Рис.2.6. Завмсимость максимума конвекционного тока от угла пролета при различных амплитудах напряжения.

Рис.2.7. Зависимости I_1max/I₀ , L₁₂ , L_opt , L' , h_е от ширины зазора d₁

вблизи эффективного угла пролета q=2.8p Ge=0 и коэффициент электронного взаимодействия М проходит через максимум (по абсолютному значению). Поэтому можно получить достаточно большие значения n.

Для пояснения процесса скоростной модуляции рассмотрим случай с углом пролета 3p. Если электрон проходит через центр зазора в момент максимального напряжения, то он становится замедленным так как он ускоряется в течении одного полупериода, а тормозится в течении двух.

Для получения эффективного группирования важно не только иметь достаточно большие значения n , но и получить распределение скоростей, близкое к пилообразным. При таком распределении область группирования увеличивается. Чтобы получить форму кривой скоростной модуляции близкую к пилообразной, надо увеличить значение v_max и уменьшить значение v_min см.рис 2.8. Это можно реализовать, если поле в начале и в конце пролета через промежуток сделать сильнее (рис.2.9 ). Различные кривые распределения напряжения в высокочастотном зазоре представлены на рис.2.10. Кривая 1 соответствует равномерному полю. Для других двух кривых эффективность группирования возрастает. Обратимся теперь к различным формам резонаторов, реализующих рассмотренное распределение напряжений. На рис.2.11 представлены различные конструкции резонаторов и соответствующие им распределение полей. Кривые на рис.2.11.б,в,г приведены без учета провисания поля в пролетном канале. Кривая 1 на рис.2.11.а соответствует полю по оси пролетного канала, а кривая 2 - у края пролетного канала. Более сильное поле слева на рис.2.11.в получено за счет небольшого выступа пролетной трубы. Кольцо на рис.2.11.г немного ослабляет поле в середине промежутка, кроме того, оно увеличивает емкость, что необходимо в приборе с одним двухзазорным резонатором для получения заданного отношения напряжений.

Анализ показывает, что достижение максимального I_1max/I₀ желательно при меньших значениях d₁, особенно при d₁, меньших того значения, при котором h₁ =0.

Рис.2.8. Диаграмма изменения скоростей электронов при синусоидальной и пилообразной модуляции

а) б) в)

Рис.2.9. Картина распределения напряженности электрического поля во времени при q»3p для:

а) замедленного электрона в равномерном поле

б) замедленного электрона в неравномерном поле

в) ускоренного электрона в неравномерном поле

Рис.2.10. Кривые распределения напряжения в высокочастотном зазоре.

2.2. Взаимодействие сгруппированного электронного потока с полем выходного зазора .

В первой части данной главы были рассмотрены проблемы группирования электронного потока с входными зазорами. Не менее важной задачей, для получения высокого КПД, является подбор оптимальных параметров для выходного резонатора. Для предварительных оценок качества группирования Мираном был предложен показатель качества.

,

где I₁/I₀ - относительная амплитуда первой гармоники тока

v_min/v₀ - относительная скорость самого медленного электрона

Эти проблемы были исследованы на кафедре ЭП [12]. В этой работе даются графики, изображенные на рис.2.12,2.13. Эти зависимости были исследованы для реального сгустка электронов, имеющего I_1max/I₀=1.4 при x_n-1 =0.4. Расчеты проводились по пятислойной одномерной модели потока из деформирующихся элементов по программе описанной в [13,14]. На рис.2.12 показаны зависимости электронного КПД h_е от амплитуды напряжения на выходном зазоре x_n при различных углах пролета q. Кривая 1 соединяет точки, в которых электроны начинают поворачивать назад. Кривая 2 соединяет точки, соответствующие выбросу части электронов из зазора. Максимум КПД достигается при больших значениях x_n (кривая 3) при этом от 4 до 6% электронов возвращается назад. Кривая 4 соединяет точки, в которых падает не более чем на 0.5%, по сравнению с максимальным значением. При этом количество выбрасываемых электронов уменьшается примерно на 2%. При x_n>1.35 КПД практически не увеличивается, даже при больших q.

На рис.2.12 представлены кроме того результаты расчета взаимодействия этого же сгустка с полем зазора при q=1.6 для различных x_n в кинематическом приближении (кривая 5).

На рис.2.13 приведены зависимости x_n и h_е от q построенные по данным рис.2.12. Кривые 1-4 имеют тот же смысл. На этом рисунке нанесена кривая, соответствующая часто используемой оценке x_n=1/М, где М- коэффициент взаимодействия бессеточного зазора, которая расположена примерно на 0.1ниже кривой 4 при изменениях q от 1 до 2. На рис.2.13 воспроизведены также взятые из книги Варнека и Генара кривая 5, выше которой появляются отраженные электроны и прямая 6, выше которой часть электронов выбрасывается из зазора назад. Заштрихованная между этими линиями область колеблющихся электронов совершенно не совпадает с соответствующей областью между кривыми 1 и 2. Это является следствием пренебрежения пространственным зазором и распределением скоростей. Учет распределения скоростей в рамках кинематического рассмотрения приводит к смещению вниз области колеблющихся электронов (кривые 7,8). Таким образом, часто применяемая оценка x_n=1/М близка к значениям, соответствующим h_еmax , однако физические причины, ограничивающие амплитуду напряжения на зазоре, другие. Это не первое появление колеблющихся или выбрасываемых назад электронов. Максимальная амплитуда устанавливается в режиме выбрасывания электронов из зазора назад в результате баланса энергии, отдаваемой быстрыми электронами и отбираемой электронами, получившими возвратное движение. С этой точки зрения о качестве группирования следует судить не по скорости самого медленного электрона, а по усредненному значению определенной части медленных электронов. Зависимость h_е от q можно считать пропорциональной М^3/2, отклонение при этом не превышает 1%. Выше сказанное позволяет предложить новое выражение показателя качества, позволяющего оценивать качество группирования и электронный КПД

где vmin - усредненное значение скоростей некоторой части самых медленных электронов.В качестве приближения можно считать vmin =xn-1 /2

С помощью полученного коэффициента качества можно определять не только параметры выходного зазора, но и определять оптимальную амплитуду на предпоследнем резонаторе .

Рис.2.12. Зависимость электронного КПД h_е от амплитуды x при различных углах пролета q.

Рис.2.13. Зависимость амплитуды x и КПД h_е от угла пролета q.

2.3. Приборы, использующие широкие зазоры рассчитанные ранее

Как уже отмечалось на кафедре ЭП работы по созданию клистрона с широким зазором ведутся уже несколько лет. За это время было рассчитано три варианта конструкций. Они представлены на рис.2.14.

2.3.1. Однорезонаторный двухзазорный клистрон с q₁»1.5p.

Достоинством однорезонаторного прибора в его компактности, а следовательно меньшей стоимости. Недостатком является влияние нагрузки на работу генератора. Нагрузка является частью колебательного контура и вносит свою активную и реактивную составляющие. Реактивная составляющая влияет на частоту генерируемых колебаний. Активная составляющая влияет на амплитуду колебаний и при больших флюктуациях проводимости нагрузки может произойти даже срыв колебаний.

Первым генератором был однорезонаторный двухзазорный клистрон на “p“- виде колебаний (см рис 14.а). Прибор расчитывался на первой зоне колебаний. Первый зазор был широким с q₁=1.5p. Мощность этого прибора Р=2-2.5 кВТ при напряжении U₀=4 кВ. Электронный КПД h_е=56.3% при следующих параметрах: d₁=11.3 мм., x₁=1.75, x₂=-1.75, L₁₂=17.5 мм., В=2В_вр.

2.3.2. Однорезонаторный двухзазорный клистрон с q₁»3p.

Следующий прибор это однорезонаторный двухзазорный автогенератор, работающий на “0”- типе колебаний (рис.2.14.б). Отличительной особенностью этого прибора является, то что входной зазор имеет ширину d₁=18 мм., что соответствует углу пролета около 3p.. Поскольку при этом имеет место инверсия условий самовозбуждения т.е. они совпадают с условиями для "p" - вида при q<2p. Осуществление однорезонаторного генератора наиболее целесообразно в области III (см. рис.2.1), из-за того что h_е не сильно отрицательно или даже положительно. Это важный момент, так как при большом отрицательном КПД первого зазора не удается сделать большой суммарный КПД, из-за того, что h_е1 будет вычитаться из h_е2 . Поле в первом зазоре является неравномерным.