Некоторые лампы СВЧ диапазона

С увеличением частоты время пролета электронов между электродами сравнимо с периодом колебания напряжения на сетке и в обычной электронной лампе управление нарушается. В этом случае применяют специальные лампы, где используется принцип пространственной группировки электронов.

Отражательный клистрон.

Катод эмитирует электроны (рис.1.5), которые формируются в электронный луч и направляются к модулятору. Далее, электроны проходят его и достигают отражателя, находящегося под потенциалом катода, отражаются от него и возвращаются в модулятор, представляющий собой СВЧ колебательный контур (резонатор). В переменном электрическом поле резонатора электроны в отдельные моменты ускоряются, в другие – тормозятся. В результате за модулятором происходит группировка электронов: быстрые электроны догоняют медленных, а следующие за ними электроны (медленные) отстают.

Рис. 1.5. Отражательный клистрон.

1 – катод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – резонатор; 4 – отражатель.

Группировка происходит за модулятором и рассчитывается таким образом, чтобы при входе в модулятор после отражения электроны были сгруппированы, и, проходя вторично через модулятор, усилили электрическое поле в нем. Для этого время пролета до отражателя и обратно должно составлять t = (N +3/4) T, где N – целое число, T – период колебаний. При нарушении этого соотношения электроны либо не успеют сгруппироваться, либо снова разгруппируются. Усиленные электрические колебания можно отбирать от резонатора. Это усиление возникает только в узком диапазоне частот, т.к. резонатор имеет высокую добротность (его геометрические размеры соответствуют целому числу волн). В клистроне возникает только небольшое усиление (порядка десяти) из-за малого времени взаимодействия пучка электронов с полем резонатора при скоростях электронов много меньших скорости света.

Лампа бегущей волны.

В лампе бегущей волны с целью уравнивания скорости электрона и волны прибегают не к ускорению электрона до скорости света, а к замедлению волны до скорости электронов. С этой целью волну заставляют следовать вдоль направляющего проводника, свернутого в спираль (рис. 1.6). Степень замедления определяется отношением длины витка к шагу спирали. Продольные магнитное поле способствует фокусировки электронного пучка. После входного волновода электроны, как и в клистроне, группируются. Их скорость должна быть несколько больше скорости распространения волны, чтобы при взаимодействии с волной они усиливали поле.

Рис. 1.6. Лампа бегущей волны.

1 – стеклянный баллон; 2 – катод; 3 – управляющий электрод; 4 – первый анод; 5 – второй анод; 6 – коллектор; 7 – фокусирующая катушка; 8 – металлический каркас катушки; 9 – спираль; 10 – цилиндры связи; 11 – входная коаксиальная линия; 12 – выходная коаксиальная линия; 13 – устройство согласования лампы с входом и выходом; 14 – поглотитель.

Магнетрон.

Магнетрон представляет собой генератор электромагнитных колебаний, в котором анод и катод являются коаксиальными цилиндрами, магнитное поле - аксиальное, а замедляющая система является резонансной. Для магнетронов характерна замкнутая в кольцо колебательная система и замкнутый электронный поток, образуемый с помощью цилиндрического катода, расположенного по оси прибора (рис.1.7).

Принцип действия магнетрона основан на преобразовании колебаний электронного потока в электромагнитную волну с определенной частотой (близкой к частоте резонатора). Сами колебания поддерживаются за счет источника постоянного напряжения анод - катод.

Анодный блок магнетро­на (рис. 1.7) представляет собой невы­сокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным отверстием, они образуют объемные ре­зонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров. Часть анодного блока, заклю­ченная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии расположен катод в виде цилин­дра, боковая поверхность которого покры­та оксидным слоем. Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь по­ток электронов, движущийся от катода к аноду, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрирован­ными вблизи щелей колебательных систем, и группируется. Электрическое и магнитное поле рассчитывается так, чтобы вблизи анода электроны двигались по окружности (условие касания анода). В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия высо­кочастотных колебаний отводится из маг­нетрона. Как правило, анодный блок маг­нетрона заземляется, а катоду сообщает­ся достаточно высокий отрицательный по­тенциал. Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, образуемое постоянным магнитом, полюса которого находятся вблизи торцовых поверхностей анодного блока.

Рис. 1.7. Магнетрон.

1 – анодный блок; 2 – катод; 3 – резонатор; 4 – сегмент; 5 – петля связи.

Магнетроны служат генераторами незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.