ГЛАВА 12. ЛАМПЫ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ И ГЕНЕРАЦИЯ ВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

12.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ

12.1.1. Усиление

Лампы, электрическое поле которых направлено перпендикулярно направлению движения частиц, обладают высоким к. п. д., поскольку в энергию высокочастотного поля здесь преобразуется потенциальная энергия электронов, а ввиду того, что кинетическая энергия частиц остается неизменной, взаимодействие с замедляющей структурой может быть осуществлено в течение длительного времени. Электронный пучок проходит между отрицательным электродом, или основанием, и замедляющей системой. Когда волна распространяется вдоль замедляющей системы в режиме синхронизма, взаимодействие электронов с высокочастотным полем обеспечивает фазовую фокусировку [306]. При этом электроны, поглощающие энергию, искривляют свой путь по направлению к основанию и таким образом выходят из пространства взаимодействия. В свою очередь электроны, отдающие энергию распространяющейся в системе волне, искривляют свой путь по направлению к замедляющей системе и, находясь в одной фазе с высокочастотным полем, группируются в отдельные сгустки.

В лампах типа Е [126, 278] электронный пучок пролетает между стенками плоско-параллельной передающей линии, свернутой в кольцо. Поперечное электростатическое поле, приложенное между двумя проводниками, вынуждает пучок двигаться по круговой траектории, на которой центробежные силы и электростатические силы равны и противоположно направлены. Вблизи внутренней проводящей поверхности возбуждается замедленная волна, которая

усиливается при взаимодействии с электронным пучком. Для получения удовлетворительной фазовой фокусировки требуется, чтобы число электрических длин волн за полный оборот пучка было порядка

Рис. 12.1. Лампы со скрещенными электрическим и магнитным полями: а — плоская конструкция лампы Т.Р.О.М.; б - замкнутая конструкция—карсинотрон типа М. (См. [290].)

Время взаимодействия пучка с контуром можно увеличить, если придать пучку начальную аксиальную скорость, так чтобы его электроны двигались вдоль замедляющей структуры по спирали. Эта идея воплощена в спиратроне [266], однако с пучком здесь взаимодействует только аксиальная компонента высокочастотного поля, в то время как угловая компонента во взаимодействии не участвует. Гелитрон [296] представляет собой устройство, в котором электроны

пучка движутся по спирали вокруг контура, состоящего из передающей линии, образованной четырьмя проводниками.

Так как в данном случае электроны взаимодействуют с угловой и радиальной компонентами высокочастотного поля контура, то эта лампа относится к типу Е, в котором магнитное поле не требуется. Одна из ламп, пусковой ток которой при длине замедляющей структуры составлял генерировала колебания в диапазоне при изменении потенциала от 650—1700 в. Впоследствии была предложена видоизмененная конструкция с использованием допплеровского смещения частоты [342]; такой прибор, в котором электронный пучок небольшой энергии взаимодействует с волной, распространяющейся в контуре со скоростью, близкой к скорости света [344], имеет преимущество для миллиметрового диапазона, поскольку в этом случае не требуется замедляющей системы.

Однако более широкое применение находят лампы по скрещенными электрическим и магнитным полями. Взаимодействие пучка с такими полями, так называемое взаимодействие типа М, позволяет осуществлять лампы, эквивалентные лампам типа О [341]. Если пучок окружен стенками, обладающими идеальной проводимостью, то внутри пучка существует только поле, обусловленное пространственным зарядом. В этом случае всегда возбуждаются нарастающие волны [35, 114, 288, 295, 320], поскольку при скрещенных полях для этого требуется лишь монотонное изменение скорости электронов. При некоторых определенных условиях нарастающие волны могут существовать [69] и в том случае, когда проводимость стенок имеет активные или реактивные компоненты.

В плоской структуре [149, 287], показанной на рис. 12.1, а, имеет место взаимодействие с бегущей волной [31, 66, 67]. Постоянное магнитное поле данного прибора перпендикулярно постоянному электрическому полю и направлению движения электронов. Если расстояние между основным электродом и замедляющей структурой равно а напряжение между ними и

то траектории электронов параллельны электродам.

При условии малой амплитуды сигналов и пренебрежении пространственным зарядом увеличение переменного тока между плоскостями вдоль пучка должно быть пропорционально амплитуде высокочастотного электрического поля и интервала, т. е.

Изменение потока мощности вдоль линии обусловлено усилением, производимым пучком. Последнее пропорционально

и поскольку Р пропорционально пропорционально то

Исключая или из уравнений (12.2) и (12.3), имеем

где

Более сложные вычисления показывают, что при условии синхронизма действительно и равно

где расстояние между пучком и основанием.

Величина равна

Распределение полей вдоль линии при условии, что если определяется формулой

представляет собой коэффициент усиления лампы. При большой амплитуде сигналов эти результаты несколько видоизменяются [86, 329].

К. п. д. такого прибора можно оценить следующим образом. Предположим, что первоначально электроны движутся прямолинейно вдоль эквипотенциали Тогда при наличии высокочастотного поля электроны начинают двигаться к замедляющей структуре по траекториям, ортогональным к силовым линиям. В постоянном электрическом поле электроны приобретают энергию поскольку кинетическая энергия их остается постоянной и равной то энергия преобразуется в энергию высокочастотного поля.

При этих условиях

Фактически замедляющей структуры достигают не все электроны, и указанный выше к. п. д. следует умножить [291] на 0,8. К. п. д. уменьшается также вследствие взаимодействия пучка с интерферирующими [304] пространственными гармониками и усиления волн пространственного заряда [289]. Другим источником уменьшения к. п. д. является движение электронов по циклоиде, при котором их энергия вращения обычно не используется для преобразования в высокочастотную энергию.

При своем движении по циклоиде электрон достигает

эквипотенциального уровня 4V0, и энергия, которая преобразуетсяв высокочастотную, составит только.

Таким образом к. п. д. равен

где А лежит между 1 и 4 в зависимости от траекторий электронов [64].

Рассмотренная плоская конструкция не является, конечно, единственно возможной, и лампы, у которых замедляющая структура Свернута в кольцо, проще в изготовлении и требуют магнитов меньших размеров.

В одной из таких типичных ламп [290] для получения малой дисперсии и высокого сопротивления связи была применена стержневая замедляющая структура (система «пальцы в пальцы»). В диапазоне частот усиление при этом составило 10—20 дб, к. п. д. 35—40% и мощность на выходе

Принцип действия ламп со скрещенными полями может быть использован в мощных импульсных усилителях. Например, на частоте можно получить мощность в импульсе усиление 10 дб и к. п. д. 40% при ширине полосы пропускаемых частот 12%.