Основы электротехники
1. Обмен энергией между
движущимся электроном и электрическим полем
Взаимодействие электронов с
электрическим полем является основным процессом в электровакуумных и
полупроводниковых приборах.
Электрон является частицей материи с
отрицательным электрическим зарядом, у которого абсолютное значение e =
1,610-19Кл. Масса неподвижного электрона равна m = 9,110-28 г. С возрастанием
скорости движения масса электронов увеличивается. теоретически при скорости
движения, равной с = 3·108 м/с, масса электрона должна стать бесконечно
большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает
0,1 с. При этом условии можно считать массу электрона постоянной, равной т.
Если разность потенциалов между
электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля
равна: Е= U/d. Для однородного электрического поля величина Е является
постоянной.
Пусть из электрода, имеющего более
низкий потенциал, например из катода, вылетает электрон с кинетической энергией
W0 и начальной скоростью v0, направленной вдоль силовых линий
поля. Поле действует на электрон и ускоряет его движение к электроду, имеющему
более высокий потенциал, например к аноду. То есть электрон притягивается к
электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называется
ускоряющим.
В ускоряющем поле происходит
увеличение кинетической энергии электрона за счет работы поля по перемещению
электрона. В соответствии с законом сохранения энергии увеличение кинетической
энергии электрона W-W0 равно работе поля, которая определяется
произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность
потенциалов U: W-W! = mv2/2 - mv20/2 = eU. Если начальная скорость
электрона равна нулю, то W0 = mv20/2 = 0 и W=mv2/2 = eU, т.е.
кинетическая энергия электрона равна работе поля. Скорость электрона в ускоряющем
поле зависит от пройденной разности потенциалов.
Пусть направление начальной скорости
электрона v0 противоположно силе F, действующей на электрон со
стороны поля, т.е. электрон вылетает с некоторой начальной скоростью из
электрода с более высоким потенциалом. Так как сила F направлена
навстречу скорости v0, то электрон тормозится и движется прямолинейно,
равномерно замедленно. Поле в этом случае называется тормозящим. Следовательно,
данное поле для одних электронов является ускоряющим, а для других - тормозящим
в зависимости от направления начальной скорости электрона. В тормозящем поле
электрон отдает энергию полю. В обратном направлении электрон движется без
начальной скорости в ускоряющем поле, которое возвращает электрону энергию,
потерянную им при замедленном движении.
Если электрон влетает с начальной
скоростью v0 под прямым углом к направлению силовых линий поля, то поле
действует на электрон с силой F, определяемой по формуле F= eE и направленной в сторону более высокого потенциала. При отсутствии
силы потенциал совершил бы равномерное движение по инерции со скоростью v0. А
под действием силы F электрон должен равноускоренно двигаться в
направлении, перпендикулярном v0. Результирующее движение электрона происходит
по параболе, причем электрон отклоняется в сторону положительного электрода.
Если электрон не попадает на этот электрод и выйдет за пределы поля, то дальше
он будет двигаться по инерции прямолинейно и равномерно. Электрон движется по
некоторой параболе, причем либо попадает на один из электродов, либо выходит за
пределы поля.
Электрическое поле всегда изменяет в
ту или другую сторону кинетическую энергию и скорость электрона. Таким образом,
между электроном и электрическим полем всегда имеется энергетическое
взаимодействие, т.е. обмен энергией. Если начальная скорость электрона
направлена не вдоль силовых линий, а под некоторым углом к ним, то
электрическое поле еще и искривляет траекторию электрона.
. Представьте устройство
и принцип действия лампы обратной волны типа «О» как генератора,
управляемого напряжением
генератор
электрический полупроводниковый
Лампа обратной волны (ЛОВ) -
генератор эл-магн. колебаний СВЧ-диапазона, принцип действия которого основан
на преобразовании энергии электронных пучков в энергию СВЧ-излучения в
результате длительного синхронного взаимодействия этих пучков с обратными
волнами. ЛОВ во многих отношениях аналогична лампе бегущей волны (ЛБВ) - как по
формированию электронных пучков, так и по сходности процессов их
самосогласованного взаимодействия с СВЧ-полями. Почти каждому варианту ЛБВ
можно поставить в соответствие аналогичный вариант ЛОВ.
Схематическое изображение одной из
ЛОВ приведено на рис. Статическое электрическое поле в электронной пушке 1
ускоряет пучок электронов 2, движущихся прямолинейно. Часть кинетической
энергии электронов отдаётся в пространстве взаимодействия обратной эл-магн.
волне, фазовая скорость vф которой близка поступательной скорости
электронов ve:
(1)
а групповая скорость 
имеет противоположное направление
Остаточная энергия пучка рассеивается на коллекторе.
Условие фазового синхронизма обеспечивает
длительное, по сравнению с периодом колебаний
(f - частота), синфазное взаимодействие электронов с
волной, если она имеет отличную от нуля продольную компоненту электрич. поля 
. Волна с такой структурой поля формируется с помощью замедляющей
системы в качестве которой часто используются волноводы с периодически
изменяющимися параметрами. Подбором пространственного периода d
волновода достигается фазовый синхронизм электронов с одной из гармоник
обратной волны, вклад других несинхронных гармоник оказывается незначительным.
Условная схема лампы обратной волны
типа «О»: 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок; з
- замедляющая система; 4 - сгусток электронов; 5 - коллектор;
П.В. - пространство взаимодействия.
Из-за неравномерного взаимного
смещения частицы собираются в периодичную последовательность сгустков 4
(рис. 1), т.е. в пучке возникает ВЧ-ток. Это явление наз. группировкой или
фазировкой частиц. Наведённый ВЧ-ток электронов возбуждает (излучает) ВЧ-поле,
которое, складываясь с первоначальной волной, приводит к её усилению. Чтобы
сгруппированный пучок излучал, а не поглощал эл-магн. волны, начальная скорость
электронов ve должна слегка превышать фазовую 
. По существу эти два взаимосвязанных процесса - частный случай т.
н. индуцированного излучения, составляющего основу большинства генераторов и
усилителей с распределёнными параметрами (как классических, так и квантовых -
лазеров). Элементарным излучателем в ЛОВ, изображённой на рис. 1, является
одиночный электрон (или сгусток электронов), движущийся равномерно вдоль оси со
скоростью 
Излучение
такого электрона наз. черепковским, а основанные на нём приборы соответственно
относят к классу черенковских. По характеру группировки их называют приборами
типа «О» («осевое» движение) или приборами с инерционной группировкой,
поскольку процесс этот может продолжаться и на участках свободного дрейфа
электронов.
В ЛОВ постулат. движение электронов
и поток энергии обратной эл-магн. волны направлены навстречу друг другу, это
приводит к образованию распределённой внутренней обратной связи. Поэтому при
превышении электронным током I некоторого стартового значения 
возникает автоколебательный режим даже при условии полного
согласования входа и выхода замедляющей системы. Частота автоколебаний fа
определяется условием фазового синхронизма (1) и, следовательно, зависит
от величины скорости электронов 
которая,
в свою очередь, определяется ускоряющим напряжением U, подаваемым на
электронную пушку (электронная перестройка частоты). Для иллюстрации
перестройки частоты на диаграмме
(рис.
2; k - волновое число) приведены возможные дисперсионные характеристики
обратной эл-магн. волны (кривая 1) и волн электронного ВЧ-тока в пучке
(линии 2); сплошные и пунктирные линии соответствуют разным U.
Так как частота генерации fа определяется пересечением линий 1
и 2, то при изменении U изменяется и частота. Кривая 1 в
области пересечения её с линиями 2 наклонена вниз 
поскольку 
Каждой
линии 2 соответствуют две волны электронного ВЧ-тока, одна из которых
переносит «отрицательную» энергию (этим понятием пользуются, когда в целом
положительная энергия пучка при возбуждении волны уменьшается). Взаимодействие
волн с положительными. и отрицательными энергиями, если одна из них обратная,
приводит к возникновению абсолютной неустойчивости, что и является причиной
существования автоколебательного режима в ЛОВ.
Дисперсионные характеристики
обратной электромагнитной волны 1 и высокочастотных электронных волн в
пучке 2.
ЛОВ - один из самых
широкодиапазонных СВЧ-автогенераторов с электронной перестройкой частоты. Этим
объясняется многообразное применение их в радиотехнической и измерительной
аппаратуре в качестве свин-генераторов, гетеродинов, быстроперестраиваемых
задающих СВЧ-генераторов и т.д. При токе электронного пучка, меньшем стартового
ЛОВ работает как узкополосный регенеративный усилитель,
перестраиваемый напряжением U, что широко используется на практике. Если
то в ЛОВ возникает автомодуляционный режим - генерируется
периодическая последовательность радиоимпульсов. Дальнейшее увеличение тока I
может привести к генерации последовательности уже не повторяющихся по форме
импульсов.
ЛОВО работают в диапазоне частот от
0,5 до 790 ГГц. В основном на практике их используют в качестве маломощных
задающих генераторов, перестраиваемых напряжением в широком диапазоне частот.
Выходная мощность ЛОВО в
дециметровом диапазоне KWIH - несколько ватт, в сантиметровом - доли ватт, ft
миллиметровом - единицы милливатт. К. п. д. не превышает нескольких процентов.
В генераторной ЛОВО при широком диапазоне перестройки получают невысокую
стабильность генерируемой частоты. Дифференциальная крутизна частотной
характеристики составляет 2,5-10,5 Мгц/В. Типичное значение температурного
коэффициента частоты равно rh 0,001%/град. Крутизна ухода частоты по накалу
составляет 5-10 Мгц/В; по первому аноду 0,5-1,5 Мгц/В. Перепад выходной
мощности при перестройке 5-10 дБ.
. Схема стабилизации и
модуляции частоты магнетрона с использованием внешнего генератора
Магнетроны представляют собой
важнейшие электронные приборы для генерации колебаний СВЧ большой мощности. Они
применяются в передатчиках радиолокационных станций, в ускорителях заряженных
частиц, для высокочастотного нагрева и в других случаях. В результате
совместного действия электрического и магнитного полей на потоки электронов в
магнетронах возникает генерация колебаний высокой частоты. В настоящее время
широкое распространение получили многорезонаторные магнетроны.
Устройство магнетрон
Резонаторы магнетрона в виде
четвертьволновых короткозамкнутых линий
Магнитная связь между соседними
резонаторами.
Устройство магнетрона показано на
рис. 1. Он представляет собой диод с анодом особой конструкции. Катод в
большинстве случаев применяется оксидный подогревный с большой площадью
поверхности. На торцах катода расположены диски, препятствующие движению
электронов вдоль оси. Анод сделан в виде массивного медного блока. Вакуумное
пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия.
В толще анода размещается четное число, например восемь, резонаторов,
представляющих собой цилиндрические отверстия, соединенные щелью с
пространством взаимодействия. Щель выполняет функцию конденсатора. На ее
поверхностях образуются переменные электрические заряды, а в самой щели
возникает электрическое поле. Индуктивностью резонатора служит цилиндрическая
поверхность отверстия, которая эквивалентна одному витку. Большая площадь поверхности
витка приводит к уменьшению активного сопротивления и индуктивности. Такой
резонатор представляет собой нечто среднее между колебательной системой с
сосредоточенными параметрами и четвертьволновой резонансной линией. В некоторых
типах магнетронов резонаторы делают в виде щели глубиной в четверть волны (рис.
2).
Модуляции электронного потока
способствует передаче энергии от электронов к резонаторам, напоминающая
модуляцию в двухрезонаторном клистроне. Каждый предыдущий резонатор в
магнетроне служит модулятором для вращающегося электронного облака, а каждый
следующий резонатор - уловителем. Однако процесс модуляции здесь сложнее, чем в
клистроне. В двухрезонаторном клистроне электронный поток, движущийся
поступательно, подвергается скоростной модуляции и разбивается на отдельные
сгустки (группируется). Последний процесс совершается в пространстве дрейфа,
где нет электрического и магнитного поля.
Вращающееся электронное «облачко» в
магнетроне при колебаниях в резонаторах
В магнетроне вращающийся электронный
поток также подвергается действию переменного электрического поля данного
резонатора и за счет этого осуществляется модуляция скорости электронов. Но это
поле не однородное, как в клистроне. Поэтому оно меняет не только скорость, но
и траекторию движения электронов. Процесс усложняется тем, что происходит в
радиальном постоянном электрическом поле, которое изменяет скорость электронов
и совместно с постоянным магнитным полем влияет на их траекторию.
В результате скоростной модуляции и
изменения траекторий электронов вращающееся электронное «облачко» из кольцевого
превращается в зубчатое. Оно напоминает колесо со спицами, но без обода (рис.
4). Число электронных «спиц» равно половине числа резонаторов. Конечно, резких
переходов от этих «спиц» к промежуткам между ними нет. «Спица» представляет
собой сгущение электронного потока в результате скоростной модуляции и из-за
различных траекторий «полезных» и «вредных» электронов. А между сгущениями
имеются более разреженные области.
Литература
. Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы:
Учебник для вузов. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1979.
. «Электронные приборы», под ред. проф. Шишкина Г.Г., М.,
«Энергоиздат», 1989
. Харвей А.Ф. «Техника сверхвысоких частот», Т. 1,2, М.,
«Советское радио», 1965.
. Интернет источник http://tubeamplifier.narod.ru.