Учтем одновременное действие продольной и поперечной составляющих электрического ВЧ-поля. На рис. 10.28 справа от пунктирной линии поперечная составляющая ВЧ-поля противоиоложна направлению поля между анодом и катодом, слева - совпадает с направлением этого поля. Следовательно, слева npoHCJiOjftirr увеличение скорости движения электронов по сравнению с Vg, спраьа - ее уменьшение. Таким образом, электроны группируются вблизи пунктирной линии, где продольное тормозящее поле СВЧ максимально, а поперечное электрическое поле СВЧ равно нулю. Когда направдпие продольного ускоряющего поля противоположно указанному на рис. 10.28, слева от пунктирной линии произойдет уменьшение скорости движения электронов, а справа - увеличение. Следовательно, электроны группируются в тормозящем и разгруппировываются в ускоряющем продольном поле. Поэтому число электронов, движуш,ихся вместе с замедляющим полем, по мере группирования увеличивается.

Рассмотрим собственно механизм передачи энергии электронов полю СВЧ, т. е. механизм усиления. Проведем рассуждения для боль-ишиства электронов, которые движутся синхронно с тормозящим продольным полем {Va = Уф). Под действием этого поля происходит уменьшение скорости движения электронов вдоль ocii г и, слё/юва-тельно, кинетической энерши электронов. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию ВЧ-иоля, и происходит его усиление. Сумма поперечных сил и F не равна нулю и направлена в сторону анода. Происходит перемещение электронов в сторону анода (см. рис. 10.29, а) и уменьиюние их потенциальной энергии. Самой большой потенциальной энергией электроны обладают на катоде, самой малой - на аноде Снижение потенциальной энергии сопровождается увеличением скорости продольного движения злектроноь за счет дополнительной силы /мд,и и восстановлением кинетической энергии. Увеличение скорости происходит до скорости = и , при которой сумма поперечных сил обращается в нуль, т. е. прекращаетея поперечное движение. Таким образом, уменьшение кинетической энергии электронов, связанное с усилением поля СВЧ, компенсируется за счет потенциальной энергии. Электронный поток осуществляет непосредственное преобра-зование потенциальной энергии электрического ноля между анодом и катодом в энергию колебаний СВЧ. Меобзюдимым условием усиления является условие синхронизма движения электронов и электромагнитной волны: Уц = Уф. Это равенство не нарушается в процессе взаимодействия электронного потока и волны СВЧ. Электроны, движущиеся синхронно с тормозящим полем и прошедшие путь от катода до анода, преобразуют всю потенциальнуюэшргш), запасенную в анодном поле, в энергию колебаний СВЧ. К. п. д. в этом случае составляет 100%. В действительности к. п. д. получаемся меньше*, в частности потому, что существуют электроны с иными нвчальными скоростями и электроны, двигающиеся в ускоряющем поле и отбирающие энергию от поля СВЧ. К тому же некоторые электроны, движущиеся в замедляющем поле, попадают на анод, обладая некоторой

Но больше, чем у приборов типа О. 184

поперечной скоростью. Тогда часть энергии расходуется на нагр-г? анода, который является коллектором для электронов. При рабо;е на ВЧ, когда размеры анода (замедляющей системы) малы, возникают трудности с отводом тепла. Возможности теплоотвода ограничивают среднюю мощность приборов сантиметрового и особенно миллиметрового диапазонов. В приборах типа О и клистронах, где есть отдельный коллектор, который может быть любых размеров, такое ограничение отсутствует. Поэтому максимальные уровни средней мощности на ВЧ, достигнутые с помощью клистронов и их гибридов*, существенно выше, чем для приборов типа М.

Таким образом, приборы типа М, потенциально обладая высоким к. п. д. и сравнительно малыми габаритами, уступают клистронам по максимальным значениям средней выходной мощности.

Схема взаимодействия электронного потока и поля СВЧ в ЛБВ и ЛОВ типа М представлена на рис. 10.28. Усиление поля в ЛБВ происходит способом прямой волны вдоль оси г, усиление поля в ЛОВ- способом обратной волны в направлении, противоположном оси г (СМ. § 10.5). В последнем случае из-за ОС по электронному потоку (СМ. § 10.7) генерируются колебания СВЧ.

§ 10.9. Многорезонаторпые магнетроны

Многорезопаторный магнетрон (рис. 10.31) представляет собой мощный генератор СВЧ-колебапий. Основными его частями являются цилиндрический катод / (в импульсном магнетроне - оксидный, в магнетроне непрерывного действия - торированнтдй), вся поверхность которого эмнгтирует электроны, и медный анодный блок 2. Цилиндрические отверстия в анодном блоке вместе со щелями, связывающими их с простран- . ством между катодом и анодом, образуют - резонаторы 3. Число резонаторов в магнетроне четное, вместе они образуют замкнутую замедляющую систему. В приборе имеется магнитное поле внешнего постоянного магнита, перпендикулярное плоскости рисунка. Когда приложено Рис. 10.31

анодное напряжение, электроны движутся между анодом и катодом по сложным траекториям н взаимодействуют с полем СВЧ, распространяющимся по кольцевой замедляющей системе. Первоначально это поле возникает вследствие шумов электронного потока. Замкнутая замедляющая система обеспечивает ОС по электромагнитному полю, которая на некоторых частотах может быть положительной. Усиление колебаний получается за счет потенциаль.

* В гибридных приборах комбинируют элементы, характерные для ЛБВО и многорезонаторных клистронов. Так, например, в твистроне предварительное группирование электронов производится с помощью резонаторов, как в кли-троне, а передача энергии от электронов полю СВЧ происходит вблизи замедляющей системы, как в ЛБВО,

пол энергии электронов, запасенпоп в анодном поле, при вьтолнении условия синхронизма = (см. § 10.8). Так как условие синхронизма выполняется в кольцевой системе для поля прямых и обратных гармоник, усиление поля осуществляется способами прямой и обратной волн или двумя способами одновременно. Происходит преобразование энергии источника анодного напряжения в энергию колебаний СВЧ. Мощность СВЧ выводится в линию с помощью устройства связи.

Рассмотрим траектории движения электронов в статическом режиме, когда отсутствуют колебания СВЧ. Мысленно развернем за-

медляющую систему магнетрона. Тогда траектория движения представляет собой циклоиду (см. рнс. 10.27) с радиусом изображающей окружности R - mSJ ЦеВ) и скоростью движения центра окружности (скоростью переноса электронов) ид = Обозначим расстояние между анодом и катодом магнетрона d, а анодное напряжение Е- Если диаметр изображаюнтей окружности 2R = d, то электронная траектория коснется анода. Такой режим называют критическим Критический режим характеризуется критическими значениями анодного напряжения и магнитной индукции £акр и Вкр:

2 - 2 - 2 - d, Еа . (10.1)

Кривая, отражающая связь между Екр и Вкр, является параболой критического режима. Парабола изображена на диа1рамме, где по осям отложены произвольные значения и В (рис. 10.32). Если точка диаграммы, характеризующая режим (при данных Е и В), лежит левее параболы (точка Л), то имеет место докритический режим (ДР), когда все электроны достигают анода {2R >й(), и в анодной цепи существует ток. Если точка диаграммы принадлежит параболе (точка Л а), то устанавливается критический режим (КР) i2R = d). Если точка диаграммы (точка Лд) находится правее параболы, то имеет место закритический режим (ЗР), при котором все электроны возвращаются на катод {2R < d). В отсутствие поля СВЧ при ЗР в анодной цепи магнетрона тока нет. Траектории движения электронов показаны на рис. 10.33. Кривые о, Ь, с соответствуют докритическому, критическому и закритнческому режимам*.

Рассмотрим особенности усиления поля в магнетроне. В отсутствие ВЧ-поля в ЗР электроны движутся по циклоидальным траекториям (пунктирная кривая на рис. 10.34). В момент выхода из катода элек-

* При заданном анодном напряжении £3 кр (рис 10.32) критический режим наступает при В = бцр, докритический - при В < б р, закритический -- при В> Вкр В реальных приборах из-за разброса скоростей электронов, вылетающих из катода, небольшой ток анода будет и в закритическом режиме.