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.

2. 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 v_e:

(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 v_e 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 f_а 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 f_а 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.

3. 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.

1. Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ.

2. Федоров Н. Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: Учебник для вузов. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Атомиздат, 1979.

3. «Электронные приборы», под ред. проф. Шишкина Г. Г., М., «Энергоиздат», 1989.

4. Харвей А. Ф. «Техника сверхвысоких частот», Т. 1,2, М., «Советское радио», 1965.

5. Интернет источник http://tubeamplifier.narod.ru.