Рнс. 3.12 Фазовая фокусировка потока электронов




Приборы с электростатическим управлением электронным потоком.

3.1 Принцип действия и основные конструкции СВЧ приборов с электростатическим управлением электронным потоком.

Принцип действия приборов с электростатическим управлением основан на изменении числа электронов, проходящих от одного электрода к другому, за счет изменения потенциала электродов.

Наиболее простой прибор этого класса – двух электродная лампа (диод) (рис. 3.1).

Он состоит из катода (подогреваемого или прямого накала), служащего для создания «облака» электронов внутри баллона, из которого откачан воздух, и анода к которому приложено внешнее напряжение.

 

 

Рис.3.1

 

Если рассмотреть распределение потенциала между катодом и анодом, то он будет выглядеть таким, как изображено на рис. 3.2.

 

 

Рис. 3.2

При холодном катоде потенциал между анодом и катодом имеет линейную зависимость. При подогреве у катода образуется облако электронов, беспорядочно движущихся от катода и к катоду. Это вызвано тем, что при вылете электрона катод приобретает положительный заряд и возникает сила, стремящаяся вернуть его обратно, но этому препятствуют вновь вылетевшие электроны. Наличие отрицательного пространственного заряда приводит к снижению потенциала между катодом и анодом, как изображено на рис. 3.2. Наличие потенциальной ямы приводит к тому, что не все электроны вылетевшие из катода могут достичь анода. С ростом напряжения эта яма уменьшается и ток анода растет , где А – константа, зависящая от свойств катода и его температуры. При напряжении потенциальная яма исчезает и все электроны практически достигают анода, что приводит к его насыщению при дальнейшем увеличении напряжения, как изображено на рис. 3.3.

 

 

Рис. 3.3

 

Ясно, что на низких частотах такой прибор можно использовать лишь, как выпрямительный прибор. В СВЧ диапазоне при углах пролета электроны в процессе движения от катода к аноду электроны могут приобретать различные скорости за счет того, что напряжение успевает изменится. Это приводит к появлению «сгустков» и «разряжений» в потоке электронов и появлению наведенного тока в цепи анода. При определенных условиях переменный анодный ток может отставать от переменного анодного напряжения на угол больший, чем 90 градусов, что эквивалентно появлению отрицательного дифференциального сопротивления между катодом и анодом. При подключении к такому диоду колебательной цепи и выполнении условий самовозбуждения возможно появление стационарных по амплитуде СВЧ колебаний на частоте близкой к резонансной частоте колебательной цепи. Такое устройство называют монотрон. Однако на практике оно практически не используется из-за низкого коэффициента полезного действия КПД.

Для усиления на низких частотах используют многоэлектродные лампы. Наиболее простой – триод, в котором между анодом и катодом введен дополнительный электрод – сетка (см. рис. 3.4).

 

 

Рис. 3.4

 

Изменяя потенциал сетки, можно управлять числом электронов, преодолевающих потенциальную яму образующуюся вблизи сетки (см. рис. 3.5, на котором изображено распределение потенциала в триоде).

 

 

Рис. 3.5

Ток анода зависит как от напряжения на аноде , так и от напряжения на сетке (см. рис.3.6)

 

 

 

Рис.3.6

 

При положительных сеточных напряжениях небольшая часть электронов, двигающихся от катода к аноду, могут оседать на сетке, что приводит к появлению сеточного тока.

В усилительном режиме на управляющую сетку поступают сигналы, подлежащие усилению, а для выделения полезного усиленного сигнала в анодную цепь включается элемент нагрузки, например резистор . Простейший усилитель на триоде показан на рис. 3.7.

 

 

Рис.3.7

 

Для исключения появления сеточных токов, нагружающих источник сигнала, в цепь управляющей сетки включается источник отрицательного напряжения . Напряжение смещения определяет положение исходной рабочей точки на характеристике электронной лампы. В режиме покоя в анодной цепи лампы проходит ток покоя . На рис. 3.8 приведены временные диаграммы токов и напряжений в усилителе синусоидального входного напряжения .

 

 

 

Рис.3.8

 

За счет наличия переменного напряжения на сетке изменяется анодный ток и появляется переменная составляющая напряжения на аноде , где - постоянная составляющая напряжения на аноде, а - амплитуда выходного напряжения. При определенном выборе сопротивления резистора амплитуда выходного напряжения будет амплитуды входного напряжения. С ростом амплитуды входного напряжения за счет нелинейных характеристик лампы форма переменной составляющей анодного тока все больше будет отличаться от синусоидальной. Поэтому для выделения первой гармоники выходного напряжения часто вместо резистора включают резонансный контур, настроенный на частоту входного сигнала. С ростом частоты входного сигнала на работу усилителя все большее влияние оказывают пролетные явления.

3.2 Особенности работы приборов с электростатическим управлением в СВЧ диапазоне.

Рассмотрим влияние времени пролета электронов на характеристики усилителя на триоде на примере прибора, у которого в анодной цепи отсутствует сопротивление нагрузки (см. рис. 3.9)

 

 

 

Рис. 3.9

 

Для анализа работы прибора рассмотрим пространственно-временную диаграмму, изображенную на рис. 3.10. Рассмотрим движение электронов, вылетающих с катода через равные промежутки времени. Будем полагать, что период входного напряжения сравним со временем пролета электронов между электродами.

 

 

Рис. 3.10

Электрон вылетев с катода в момент времени под воздействием ускоряющего поля, существующего за счет положительного потенциала анода, начинает двигаться по направлению к аноду с увеличивающейся скоростью. Изменение скорости характеризуется изменением производной пространственно-временной диаграммы. При отсутствии переменного напряжения, приложенного между сеткой и катодом, все электроны двигаются по подобным траекториям смещенными на одинаковый интервал времени. Наличие переменной составляющей приводит к тому, что электроны вылетевшие с катода при одинаковых ускоряющих полях в процессе движения между катодом и сеткой подвергаются воздействию различных полей и поэтому приобретают разные скорости и траектории движения (сравни траектории движения электронов и ). Это приводит с одной стороны к появлению «сгустков» электронов и возникновению наведенного тока в сеточной цепи, а с другой стороны к расплыванию импульса анодного тока. Оба этих процесса приводят как к уменьшению коэффициента усиления по мощности усилителя СВЧ сигнала, так и уменьшению коэффициента полезного действия. Эффективность работы лампы можно повысить, уменьшив пролетные углы, например, за счет сближения электродов и повышения напряжения на них. Однако это должно приводить к увеличению межэлектродных емкостей и, значит, к уменьшению эквивалентных сопротивлений контуров, подключенных к лампе. Это обстоятельство заставляет значительно сокращать геометрические размеры электродов и, следовательно, уменьшать средние мощности ламп. Поэтому в настоящее время электровакуумные приборы со статическим управлением электронным потоком находят применение в качестве усилителей и генераторов низкочастотной части СВЧ диапазона. Конструктивно, обычно, приборы этого диапазона изготавливают с дисковыми электродами и уменьшенными межэлектродными расстояниями, как,например, маячковый триод 6С5Д, конструкция которого приведена на рис. 3.11.

 

Рис. 3.11

1- анод; 2-сетка; 3-катод; 4-подогреватель; 5- прокладка из слюды; 6 и 7-дисковые выводы

 

На более высоких частотах применяют электровакуумные приборы с динамическим управлением электронным потоком.

3.3 Динамический способ управления электронным потоком.

Рассмотрим гипотетическую модель прибора, в котором была бы исключена модуляция плотности электронного потока за счет статического управления. Такая модель состоит из сеток (см. рис.3.11), между которыми прикладывается нарастающее во времени напряжение . До сеток и после них электроны равномерно движутся в эквипотенциальном пространстве. При прохождении же через сетки происходит прирост их скорости Ау, соответствующий мгновенной раз­ности потенциалов. Если этот прирост нарастает во времени, то для электронов, прошедших сквозь сетки в более ранние моменты, прирост скорости будет меньше, нежели для электронов, прошедших через сетки позже, когда ускоряющая разность потенциалов достигла больших значений. Графически этот процесс представлен на рис. 3.12, где означает координату движущегося электрона, - текущее время. Здесь линии изображают траектории отдельных электронов в -координатах, пунктиром нанесено положение сеток. На нижней части рисунка изображена зависимость

.

 

 

Рнс. 3.12 Фазовая фокусировка потока электронов

 

По выходе из сеток электроны движутся по инерции с неизменной скоростью. Поэтому на графике их траектории будут представлять собой прямые линии, наклон которых соответствует скорости электро­нов. Видно, как более поздние, но быстрые электроны догоняют мед­ленные, прошедшие сетки в более ранние моменты времени. Траектории электронов все более сходятся, пока не пересекутся в точке Ф, называемой фазовым фокусом и обладающей координатой xф. Здесь в момент времени соберутся все электроны, прошедшие сквозь сетки в промежуток времени от до .

Для схождения всех электронов в одной точке фазового фокуса требуется напряжение, изменяющееся по вполне определенному закону. Однако на практике удовлетворительное уплотнение электронного потока удается получить и при напряжении произвольной формы, лишь бы оно имело нарастающий во времени участок. Периодически прикладывая к сеткам такие импульсы, можно получить на некотором расстоянии от сеток периодическое изменение плотности электронного по­тока.

Такого рода управление потоком называется динамическим. Идея разбиения однородного электронного потока на периодически следующие сгустки за счет динамического управления была предложена в 1932 г. советским физиком Д. А. Рожанским.

В обычных электронных лампах статическое управление неизбежно сопровождается динамическим, однако в условиях, когда время пролета намного меньше периода колебаний, взаимными перемещениями электронов в потоке можно пренебрегать. На высоких частотах эффект динамического управления сказываются в полной мере, существенно усложняя работу электронных приборов и изменяя ее не всегда в лучшую сторону. Однако при правильном использовании динамическое управление оказывается мощным средством воздействия на электронные потоки. Именно при использовании динамического управления были созданы все современные виды электронных приборов, с помощью которых удалось освоить участки диапазона СВЧ, недоступные для приборов со статическим управлением.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: