книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление
.pdfV. Направления работ в области магнетронных усилителей с распределенной эмиссией
инезамкнутым электронным потоком
Внастоящее время ведется разработка магнетронного усилителя 5-сантиметрового диапазона с выходной мощ ностью 1 Мет. По своей общей конструкции и типу з а медляющей системы этот прибор является вариантом опи санного выше прибора 3-сантиметрового диапазона. Вне
сены лишь некоторые изменения с целью увеличить к. п. д. и усиление, отнесенные к длине замедленной волны. На первых экспериментальных образцах получе на мощность более 1 М ет, другие характеристики качест венно остались такими же, как и у усилителя 3-санти- метрового диапазона. Полный к. п. д. этих образцов превышает 35%, и, как ожидается, его удастся повысить до 45—50%.
Значительные усилия сейчас направлены на разработ ку вариантов спиральных замедляющих систем с таким закреплением, которое позволяет получать очень боль шие средние мощности. Вполне вероятно, что в ближай шем будущем удастся реализовать приборы, работающие со средней мощностью до 50 кет в 10-сантиметровом диапа зоне. Достижимый уровень импульсной мощности в ос новном зависит от частоты и величины пробивного на пряжения. Так, например, в 10-сантиметровом диапазоне путем масштабного моделирования существующих кон
струкций, вероятно, можно |
будет |
достичь уровня |
10 Мет. |
процесса |
взаимодействия |
Уникальные возможности |
в скрещенных полях в сочетании с простотой конструк ции и свойством автомодуляции магнетронных усилителей с холодным катодом, распределенной эмиссией и незамк нутым потоком открывают перед приборами этого нового типа широкую область применений.
2.4. ШУМОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ПРИБОРАХ СО СКРЕЩЕННЫМИ ПОЛЯМИ
М а к - Д а у э л л , Ф а р ни
I. Введение
Шумовые генераторы со скрещенными полями (М-ти- па) появились в связи с потребностью в генераторах мощного некогерентного шума для применения в систе мах создания помех радиолокаторам противника. Вполне вероятно, однако, что использование некогерентного мощ ного шума даст определенные преимущества в энергети ческих применениях колебаний сверхвысоких частот. В некоторых случаях СВЧ-нагрев лучше вести энергией некогерентного шума, чем энергией от когерентного источника. В частности, это справедливо, когда нагрузка не обладает резонансными свойствами. При работе на такие нагрузки относительная нечувствительность источ ника шумов к к. с. в. н. нагрузки может дать определен ные выгоды по сравнению с такими резонансными гене раторами, как магнетроны или клистроны, обычно имею щими более высокую чувствительность к нагрузке.
Шумовые генераторы по существу представляют собой магнетронные усилители с инжектированным потоком или эмиттирующим отрицательным электродом. Входной шумовой сигнал вводится в усилитель в виде нестабиль ностей пространственного заряда, которые в свою оче редь усиливают дробовой шум катода. После возбужде ния шумовой волны в замедляющей системе происходит ее усиление в результате обычного процесса взаимодейст вия в скрещенных полях. Следовательно, шумовые гене раторы М-типа будут обладать многими свойствами магне тронного усилителя, если его возбуждать широкополос ным шумовым сигналом. Поскольку механизм генерации в пространственном заряде характеризуется весьма ши рокой полосой, ширина полосы шумового сигнала на вы ходе прибора определяется в основном свойствами анод ной системы и сравнима с полосой, которую может иметь магнетронный усилитель. Выходная мощность шумовых
генераторов также примерно соответствует выходной мощности магнетронных усилителей. Шумовые генера торы могут быть рассчитаны на импульсный или непре рывный режим, но в настоящее время большинство раз рабатываемых приборов предназначено для работы в не прерывном режиме. По к. п. д. шумовые генераторы не сколько уступают имеющимся магнетронным усилителям. Однако это различие не вытекает из принципов действия прибора и, возможно, просто характеризует уровень, достигнутый в данной области. По-видимому, благодаря успехам в развитии шумовых генераторов именно М-типа можно ожидать в ближайшее время появления мощных и эффективных шумовых СВЧ-источников для энергети ческих применений.
II. Механизм генерирования шумов
Первичным источником шума в шумовом генераторе М-типа являются флуктуации плотности эмиссии и раз брос начальных скоростей вылета электронов из катода. Совместное действие этих факторов создает в пространст венном заряде шум, плотность мощности которого может быть на несколько десятков децибел выше уровня теп ловых шумов при комнатной температуре. С другой сто роны, известно, что типичные магнетронные усилители имеют усиление порядка 10—20 дб. Очевидно, что су ществует некий механизм усиления, повышающий уро вень тепловых шумов до уровня шумов в пространствен ном заряде, который и индуцирует шумовой сигнал на входе замедляющей системы шумового генератора. Дета ли этого механизма пока еще не совсем ясны. Однако было предложено немало гипотез, которые могли бы объяс нить этот механизм усиления шумов1). По-видимому, в про цессе усиления шумов пространственного заряда в об ласти потенциального минимума у катода до уровня шу мового сигнала, наведенного в замедляющей системе, участвуют два механизма. Первый из них — механизм
4) |
См., например. |
Электронные сверхвысокочастотные |
прибо |
||
ры со |
скрещенными |
полями, ИЛ, |
1961, т. 1, работу В а н |
Д у- |
|
д е р а |
и У и н н е р |
и . |
— Прим. |
ред. |
|
усиления в потоке со скользящими слоями, известный под названием диокотронного эффекта. Второй механизм обусловлен обратным влиянием (обратной связью) шума пространственного заряда на электроны в области мини мума потенциала у катода. Сначала мы рассмотрим диокотроиный эффект, а затем сделаем некоторые замечания относительно обратной связи.
Диокотроииый эффект теоретически исследовался в ряде работ [1—31. Исследовавшаяся система была в зна чительной степени идеализирована, но тем не менее она дала важные результаты, которые показывают как диокотронное усиление зависит от параметров пространства взаимодействия и по которым можно сравнительно хо рошо рассчитать действующую величину диокотронного усиления. Эта идеализированная система (фиг. 1а) пред ставляет собой луч, расположенный в скрещенных элек трическом и магнитном полях между двумя гладкими пластинами —- анодом и отрицательным электродом. Пред полагается, что луч начинается на катоде, величина по тенциала которого находится между потенциалами анода и отрицательного электрода. Луч, показанный на фиг. 1а, считается идеальным и известен под названием потока Бриллюэна. В этом потоке каждый электрон движется по прямолинейной траектории в условиях, когда сила электрического поля, направленная к аноду, точно урав новешена силой магнитного поля, действующей на элек трон и направленной к отрицательному электроду. Ско рость дрейфа электронов определяется, как обычно, отно шением электрического и магнитного полей. Так как часть линий электрического поля, начинающихся на ано де, заканчивается на зарядах в области потока, электри ческое поле в сечении потока не остается постоянным. Не постоянство электрического поля в сечении потока вле чет за собой изменение скорости электронов внутри потока. Легко можно показать, что изменение электрического по ля и скорости электронов в сечении потока согласуется с эквипотенциальностыо катода, с которого начинается поток. Таким образом, поток, показанный на фиг. 1а, теоретически может существовать. Чтобы создать такой поток, возможно потребуется применить идеальную систе му инжекции электронного луча. Реальные системы ин-
жекции дают лучи, в которых траектории электронов колеб лются относительно идеальной. Следовательно, электро ны в потоке интенсивно перемешиваются, а сам поток может быть в несколько раз более толстым, а значит, и менее плотным, чем идеальный бриллюэновский поток. Несмотря на все сказанное, анализ системы, изображен ной на фиг. 1а, дает полезные сведения относительно диокотронного эффекта.
Отрицательный электрод
Эквипотенциальный уровень катода
Фи г . 1а. Бриллюэновский поток в приборах со скрещен ными полями.
Магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа. Внутри потока йу/<1у = ©ц = еВ/т, где V — скорость электрона, й> — цикло
тронная частота.
Из рассмотрения этой системы вытекает, что нарастаю щая волна появляется в результате небольшого различия в скоростях на верхней и нижней границах потока. Если исходить из концепции связанных волн, то усиление можно объяснить связью поверхностных волн в нижнем и верхнем слоях потока. Чтобы изложить физический подход к механизму усиления, обратимся к фиг. 1а—в. Итак, на фиг. 1а изображен идеальный бриллюэновский поток между двумя заземленными плоскостями. Допустим теперь, что на поток наложено периодически отклоняю щее возмущение, как показано на фиг. 16. Тогда можно доказать, что по отношению к такому отклонению поток неустойчив, т. е. действуют силы, которые стремятся увеличить возмущение вместо того, чтобы вернуть поток к его исходному состоянию. На фиг. 16 показано направ
ление сил пространственного заряда, действующих в воз мущенном потоке. Видно, что эти силы действуют в на правлении дальнейшего увеличения возмущения. Когда увеличиваются скорости движения электронов к аноду или отрицательному электроду, их траектории отклоняют ся магнитным полем, как показано на фиг. 1в. Результи рующие силы пространственного заряда теперь стремятся замедлить электроны в области А и ускорить в области В.
Равнодействующая сил пространственного заряда
. вмаксимумах возмущения
Анод
^ Ч ч \Ч \\Ч Ч Ч \\\\Ч \4
Отрицательный электрод
^Направление сил пространственного заряда
ввозмущенном потоке
Фи г. 16. Схема сил, действующих на электроны инжек тированного потока в скрещенных полях при синусоидаль
ном возмущении.
Силы пространственного заряда направлены так, что первоначальное возмущение увеличивается.
Это приводит к уменьшению действующей силы магнит ного поля в области Л и к увеличению в области В , что вызывает дальнейшее увеличение возмущения. Таким образом, мы видим, что электронный поток в скрещенных полях принципиально неустойчив и усиливает возмуще ния, которые в него вводятся. Эта неустойчивость границ потока является фундаментальным различием между при борами магнетронного типа и линейными приборами, к ко торым относятся и клистроны и ЛБВ. Несмотря на не устойчивость потока, магнетронные усилители работают удовлетворительно благодаря тому, что для фокусировки пространственного заряда нужной конфигурации в них
используются достаточно сильные ВЧ-поля замедляющей системы.
Поток, показанный на фиг. 1, можно ввести в шумовой генератор М-типа с инжектированным потоком, схемати чески изображенный на фиг. 2. Шумовой генератор состоит из пушки со скрещенными полями и про странства взаимодействия. Замедляющая система при бора выполнена в анодном блоке. Уровень шумов на вы-
Направлвний результирующих сил пространственного заряда
/ у / У |
х / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / |
\\ч \< \ч ^ ^ ^ ^ ^ Ч ч ч ч ч ч ч \ч ч ч ^
Электроны в этих участках замедляютсясилами пространственного заряда
Фиг . 1в. Схема распределения пространственного заряда в процессе дальнейшего развития неустойчивости.
Возмущенные участки потока отклоняются наверху вправо и внизу влево, где магнитное поле отклоняет электроны, имеющие увеличен ную радиальную скорость. Возникающие силы пространственного за ряда имеют тенденцию замедлить электроны, располагающиеся слева от основного сгустка. Таким образом, на эти электроны действует нап равленная наружу результирующая сила, формирующая периодически
сгруппированное облако пространственного заряда.
ходе п\-шек со скрещенными полями — особенно тех, кото рые имели сравнительно длинные катоды в направлении электронного потока, — оказался значительно выше, чем можно было объяснить одним диокотронным усилением дробового шума в минимуме потенциала. Пришлось согла ситься с тем, что в пушке должен существовать допол нительно еще какой-то механизм усиления шумов [4]. По-видимому, этим механизмом является обратная связь, благодаря которой шумовая модуляция пространствен ного заряда, полученная в результате диокотронного усиления дробового шума, в свою очередь модулирует
минимум потенциала и тем самым повышает уровень шумов на входе системы. Уровень шумов на выходе пуш ки, как оказалось, резко возрастает, когда длина катода превышает некоторое критическое значение, приблизи тельно равное длине одной циклоиды (длина циклоиды — среднее расстояние дрейфа электрона в течение одного периода циклотронной частоты). В конструкции пушки с длинным катодом диокотронное усиление дробового шума в токе, эмиттируемом с дальней части катода, приведет к модуляции пространственного заряда шумом. Этот про странственный заряд модулирует затем ток, входящий в общий поток с ближней части катода. Таким образом, быстрое нарастание шумов на выходе пушки при уве личении длины катода качественно согласуется с посту лированным механизмом усиления шумов благодаря дейст вию обратной связи. Еще одним подтверждением справед ливости механизма обратной связи служит тот факт, что уменьшение мощности подогрева катода, работающего в режиме температурного ограничения, вызывает сниже ние уровня шумов на выходе пушки. В режиме темпера турного ограничения у поверхности катода нет минимума потенциала и вследствие этого механизм обратной связи менее эффективен. Кроме того, было установлено, что введение сетки между минимумом, потенциала и основным пространственным зарядом позволяет значительно умень шить уровень шумов на выходе пушки со скрещенными полями. Роль сетки в данном случае состоит в том, что она не допускает влияния электрического поля пространст венного заряда, промодулированного шумами, на ми нимум потенциала. Все эти результаты, по-видимому, качественно подтверждают справедливость постулирован ного механизма обратной связи.
Итак, можно сформулировать основные особенности шумового генератора с инжектированным потоком (фиг. 2):
1.Случайный характер распределений плотности тока эмиссии и начальных скоростей электронов, эмиттируемых катодом.
2.Усиление дробового шума диокотронным механиз
мом.
3. Наличие обратной связи, выражающейся |
в том, |
что шумовые ВЧ-поля пространственного заряда |
вблизи |
от катода модулируют минимум потенциала и повышают уровень шумов на входе системы.
4.Возбуждение шумовых токов в замедляющей си стеме шумами электронного потока в входной области замедляющей системы.
5.Обычный процесс усиления в скрещенных полях шумовой волны, возбужденной в замедляющей системе.
III.Шумовые генераторы с инжектированным потоком
Шумовой генератор с инжектированным потоком схема тически изображен на фиг. 2. По существу это магнетрон ный усилитель с инжектированным потоком, у которого
Ф и г. 2. Схематическое изображение шумового генератора с инжектированным потоком.
на входе ВЧ-системы включена нагрузка, а пушка рассчи тана на усиление шумов. Последнее достигается тем, что длина катода берется равной нескольким циклоидам. Отношение величины магнитного поля в области пушки к его критическому значению (поле отсечки) в типичном случае приблизительно равно двум. Сильное магнитное поле необходимо для того, чтобы избежать эффекта высо кочастотной отсечки в механизме генерации шумов. По
этой причине шумовые генераторы могут иметь несколько большие размеры, чем магнетронные усилители сравни мой мощности.
В шумовых генераторах с инжектированным потоком обычно используются замедляющие системы прямой вол ны. (Системы обратной волны привели бы к возникнове нию генерации на обратной волне, как в ЛОВ М-типа.) Ширина полосы шумов зависит от дисперсии замедляющей системы. В приборах, замедляющие системы которых об ладают значительной дисперсией, удается перестраивать шумовую выходную мощность в широком диапазоне частот путем регулировки скорости потока. Такая регулировка достигается, например, модуляцией напряжения между катодом и замедляющей системой. Чтобы сохранить при этом сравнительно постоянный уровень мощности на выходе прибора, можно регулировать соответствующим образом ток луча, модулируя напряжение на ускоряю щем электроде. Сконструированные шумовые генераторы непрерывного действия работали с выходной мощностью 200—1000 в т в дециметровом диапазоне. Мгновенная полоса генерируемых частот составляла 10—20%, а полоса перестройки достигала октавы. К. п. д. этих приборов был около 20%, но при некоторых, условиях, по-видимому, достижимы к. п. д. до 40%. Описанные приборы проектировались с учетом требований минималь ности габаритных размеров и работоспособности в небла гоприятной окружающей среде, и поэтому можно считать, что в разработках данного направления достигнута ста дия получения промышленного образца.
Особенность шумовых генераторов, представляющих интерес для энергетических применений СВЧ-колебаний,— это относительная нечувствительность к изменению на грузки. Как видно на схеме фиг. 2, шумовой генератор является прибором бегущей волны, а не прибором резо нансного типа. Отражения от нагрузки в шумовом гене раторе проходят по замедляющей системе и поглощаются нагрузкой, подключенной на ее входе. Если эта входная нагрузка хорошо согласована с замедляющей системой, то даже значительные отражения от выходной нагрузки не вызовут ухудшения основных параметров шумового генератора.