eng
Содержание
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА ...........................................12
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................13
СПИСОК АВТОРОВ ..............................................................................14
1.
ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ .......................................................17
1.1.
Введение .............................................................................................. 17
1.1.1.
Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп ................... 17
1.1.2.
История разработки ......................................................................... 18
1.1.3.
Основные принципы работы и определения терминов............................ 20
1.2.
Клистроны ................................................................................................ 27
1.2.1.
Клистронные усилители ...............................................................27
1.2.2.
Многолучевые клистроны ................................................................34
1.2.3.
Лампы с индуктивным выходом (IOT) (ЛБВ) ............................................... 38
1.3.1.
Введение .............................................................................................. 38
1.3.2.
Конструкция и принцип работы ЛБВ ....................................................... 39
1.3.3.
Физические основы работы ЛБВ ............................................................... 43
1.3.4.
Применение ЛБВ ...................................................................... 58
1.4.
Клистроны с распределенным взаимодействием ........................... 63
1.4.1.
Введение ..................................................................................................... 63
1.4.2.
Конструкция приборов с распределенным взаимодействием ................. 64
1.4.3.
Типичное исполнение и приложения ОРВ ............................................... 64
1.5.
Лампа обратной волны (ЛОВ) .............................................................................. 65
1.5.1.
Введение ........................................................................................ 65
1.5.2.
Принцип действия ЛОВ ........................................................... 66
1.5.3.
Области применения ЛОВ ........................................................... 68
1.6.
Магнетроны и усилители со скрещенными полями ............................ 68
1.6.1.
Магнетроны ................................................................................ 68
1.6.2.
Усилители со скрещенными полями (УСП) .............................................. 72
1.6.3.
Генератор обратной волны со скрещенными полями ............................... 73
1.7.
Устройства на быстрых волнах .............................................................................. 74
1.7.1.
Принципы взаимодействия ............................................................. 75
1.7.2.
Диаграмма рассеяния при быстроволновых взаимодействиях ................ 78
1.7.3.
Гиротроннный генератор ................................................................... 82
1.7.4.
Гироусилители ............................................................................................ 86
1.7.5.
Гиротронные ЛОВ ...................................................................... 90
1.7.6.
Мазер на свободных электронах (МСЭ) ................................................... 90
1.8.
Перспективные тенденции и приложения ........................................................... 92
Литература ................................................................................. 94
2.
ВАКУУМНЫЕ ДИСПЛЕИ .................................................................96
2.1.
Введение .......................................................................................... 96
2.1.1.
История разработки дисплеев ................................................ 96
2.1.2.
Обзор современных дисплеев ................................................... 97
6
Содержание
2.1.3.
Основные принципы работы дисплеев ........................................ 99
2.1.4.
Основные параметры дисплеев .....................................................103
2.1.5.
Сравнение различных технологий производства дисплеев ..............109
2.2.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) .....................................................................110
2.2.1.
История разработки ..................................................................................110
2.2.2.
Электрофизические основы ......................................................................110
2.2.3.
Современное состояние технологии .........................................116
2.2.4.
Будущие направления разработок ............................................120
2.3.
Плазменные панели (ПП) ....................................................................................120
2.3.1.
История развития ...............................................................120
2.3.2.
Электрофизические основы ......................................................................121
2.3.3.
Современное состояние технологий и применения ....................124
2.3.4.
Будущие направления развития ...............................................126
2.4.
Вакуумные флуоресцентные дисплеи (ВФД) ......................................................126
2.4.1.
История разработки ....................................................................126
2.4.2.
Электрофизические основы ......................................................................127
2.4.3.
Современное состояние технологий и применения ......................128
2.4.4.
Будущие направления развития ................................................130
2.5.
Дисплеи с автоэлектронной эмиссией (FED) .....................................................130
2.5.1.
История разработки ..................................................................................130
2.5.2.
Электрофизические основы ......................................................................131
2.5.3.
Современное состояние технологий и применения ........................132
2.5.4.
Будущие направления разработок ...............................................133
Литература 133
3.
ВАКУУМНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И УСТРОЙСТВА,
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ К РАДИАЦИИ ..................................................135
3.1.
История разработки ..............................................................135
3.2.
Электрофизические основы ................................................................................136
3.2.1.
Фотоэлектронная эмиссия ...........................................................136
3.2.2.
Вторичная электронная эмиссия .................................................138
3.2.3.
Электронная оптика ..................................................................................139
3.3.
Современное состояние технологий и применения ...........................................139
3.3.1.
Умножители вторичных электронов ...........................................139
3.3.2.
Преобразователи и усилители изображения ............................................144
3.3.3.
Передающие телевизионные трубки ........................................................149
3.4.
Перспективные разработки радиационно-чувствительных
вакуумных электронных компонентов ..................................................157
Литература ................................................................................158
4.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ОБРАБОТКИМАТЕРИАЛОВ И АНАЛИЗА .................................. 159
4.1.
Введение и история разработки ...........................................................................159
4.1.1.
Электронная оптика ..................................................................................160
4.1.2.
Источники электронов ..............................................................................167
4.2.
Термическая обработка материалов ....................................................................173
4.2.1.
Сварка ...........................................................................................176
4.2.2.
Термическая обработка поверхности .............................................180
Содержание 7
4.2.3.
Скоростное испарение материалов с использованием
электронных пушек .......................................................................183
4.2.4.
Электронно-лучевое плавление и очистка материалов
в вакуумной металлургии ........................................................186
4.3.
Нетермические технологии обработки материалов ............................................190
4.3.1.
Химические эффекты, вызванные электронными пучками ...................190
4.3.2.
Электронно-лучевая литография.................................................193
4.3.3.
Электронно-лучевая обработка .......................................................197
4.3.4.
Отверждение органических покрытий и поверхностных слоев ..............200
4.3.5.
Рафинирование полимерных материалов ...................................202
4.3.6.
Борьба с патогенными организмами ...............................................204
4.3.7.
Обработка газообразных и жидких отходов ...................................206
4.4.
Анализ, визуализация и тестирование материалов .............................................208
4.4.1.
Растровая электронная микроскопия.............................................208
4.4.2.
Электронная микроскопия ............................................................211
4.4.3.
Электронно-лучевая спектроскопия и анализ ..............................219
4.4.4.
Электронно-лучевое тестирование ...............................................220
Литература ......................................................................................224
5.
ИОННО-ЛУЧЕВЫЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ ................................. 231
5.1.
Ионно-лучевой анализ .........................................................................................231
5.2.1.
История разработки ..................................................................................231
5.1.2.
Электрофизические основы ......................................................................231
5.1.3.
Методы анализа .........................................................................................232
5.2.
Ионно-лучевая обработка материалов и восстановление шаблонов и масок ...236
5.2.1.
История разработки ..................................................................................236
5.2.2.
Электрофизические основы ......................................................................237
5.2.3.
Современное состояние технологий и применения ................................238
5.2.4.
Перспективные разработки ..........................................................245
5.3.
Имплантация ионов .............................................................................................246
5.3.1.
История разработок...................................................................................246
5.3.2.
Электрофизические основы ......................................................................247
5.3.3.
Современное состояние технологий и применения ................................247
5.3.4.
Перспективные разработки .............................................................253
5.4.
Высокоэнергетические ионные пучки ................................................................253
5.4.1.
История разработки ..................................................................................253
5.4.2.
Введение .........................................................................................253
5.4.3.
Физические принципы действия ускорителя ..........................................254
5.4.4.
Транспортировка пучка .............................................................................258
Литература ........................................................................................258
6.
ИОННЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ..............................................263
6.1
Электростатические и индукционные ионные ракетные
двигатели малой тяги с СВЧ-ионизацией .................................................263
6.1.1.
Введение ....................................................................................................263
6.1.2.
История разработки ионных ракетных двигателей (RIT) .......................263
6.1.3.
Электрофизические основы ......................................................................264
8
Содержание
6.1.4.
Современное состояние технологий и применения
ионных ракетных двигателей малой тяги .................................................265
6.1.5.
Применения ионных ракетных двигателей ..............................................266
6.1.6.
Будущие направления развития ................................................................268
6.2.
Электрический ракетный двигатель с полевой эмиссией (FEEP) .....................269
6.2.1.
История разработки ..................................................................................269
6.2.2.
Электрофизические основы ......................................................................270
6.2.3.
Современное состояние технологий и применения ................................271
6.2.4.
Будущие направления развития ................................................................274
6.3.
Ионные двигатели на эффекте Холла .................................................................275
6.3.1.
Введение ....................................................................................................275
6.3.2.
Эксплуатационные характеристики .........................................................275
6.3.3.
Примеры применений НЕТ для полетов в космос ..................................281
6.4.
Высокоэффективные многоступенчатые плазменные
двигатели малой тяги ...........................................................................................283
6.4.1.
Введение ....................................................................................................283
6.4.2.
Конструкция и принцип действия ...........................................................284
6.4.3.
Конструкция и рабочие характеристики ..................................................288
6.4.4.
Будущие разработки и потенциальные применения ...............................291
Литература .......................................................................................................292
7.
ИНФРАКРАСНЫЕ, СВЕТОВЫЕ, УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ,
ЛАЗЕРНЫЕ И РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛАМПЫ ...................................... 296
7.1.
Общие физические принципы генерации фотонов ............................................296
7.1.1.
История разработки ..................................................................................296
7.2.
Лазеры .....................................................................................................300
7.2.1.
Введение ....................................................................................................300
7.2.2.
Типичные лазерные устройства ....................................................301
7.2.3
Ионные лазеры ..........................................................................................302
7.2.4.
Эксимерные лазеры ...................................................................................303
7.2.5.
Электронно-лучевая накачка мощных KrF-лазеров ...............................305
7.3.
Эффект Смита–Парселла ....................................................................................307
7.3.1.
История разработки ..................................................................................307
7.3.2
Электрофизические основы ...........................................................307
7.3.3.
Современное состояние технологий ..............................................307
7.3.4.
Перспективы для терагерцевых источников ............................................309
7.4.
Источники миллиметрового и инфракрасного излучения.................................309
7.4.1.
История разработки ..................................................................................309
7.4.2.
Генерация ИК-излучения ..........................................................................310
7.4.3.
ИК-применения ........................................................................................310
7.4.4.
Генерация терагерцевого излучения .............................................311
7.4.5.
Применения терагерцевого излучения ..........................................311
7.4.6.
Перспективы развития ..............................................................................313
7.4.7.
Обнаружение терагерцевого излучения .........................................313
7.5.
Источники видимого света ..................................................................................314
7.5.1.
История разработки и производства ...........................................314
7.5.2.
Лампы накаливания ..................................................................................314
7.5.3.
Газоразрядные лампы ................................................................................315
7.5.4.
Флуоресцентные покрытия ........................................................317
Содержание 9
7.5.5.
Газоразрядные лампы высокого давления ................................................320
7.5.6.
Общая информация об источниках света.................................................325
7.6.
Ультрафиолетовые источники света ....................................................................325
7.6.1.
Введение .........................................................................................325
7.6.2.
Тепловые вольфрамовые лампы для калибровки интенсивности ...........326
7.6.3.
Дейтериевые лампы ...................................................................................326
7.6.4.
УФ дуговые лампы .....................................................................................327
7.6.5.
Ртутные лампы...........................................................................................328
7.6.6.
Лампы с полым катодом ............................................................................328
7.6.7.
Эксимерные источники света ...........................................................329
7.6.8.
Эксимерные лампы с разрядным возбуждением тлеющего разряда .......331
7.6.9
Эксимерные лампы с электронно-лучевым возбуждением.....................333
7.7.
Рентгеновские лампы ...........................................................................................333
7.7.1.
История получения рентгеновского излучения .......................................333
7.7.2.
Генерация рентгеновских лучей ................................................................334
7.7.3.
Рентгеновские фильтры ............................................................................335
7.7.4.
Рентгеновская дозиметрия ........................................................................335
7.7.5.
Рентгеновские трубки ...............................................................................336
7.7.6.
Синхротроны .............................................................................................338
7.7.7.
Обнаружение рентгеновского излучения .................................................339
7.7.8.
Применения ...............................................................................................339
7.7.9.
Перспективные разработки – миниатюрные рентгеновские трубки .....340
Литература ................................................................................................340
8.
УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ ................................................................. 345
8.1.
История изобретения и типы ускорителей .........................................................347
8.1.1.
Статические ускорители............................................................................347
8.1.2.
Круговое резонансное ускорение ...............................................348
8.1.3.
Линейное резонансное ускорение ................................................350
8.1.4.
Индукционное ускорение (бетатрон) ...........................................352
8.1.5.
Источники частиц .....................................................................................353
8.1.6.
Коллайдеры ....................................................................................355
8.1.7.
Источники синхротронного излучения .........................................356
8.2.
Основы динамики пучка ......................................................................................358
8.2.1.
Эмиттанс пучка и фазовое пространство .................................................359
8.2.2.
Уравнения движения и сильная фокусировка .........................................360
8.2.3.
Синхротронное излучение ........................................................................364
8.3.
Требования к вакууму ускорителей частиц .........................................................367
8.3.1.
Взаимодействие пучка с газом ........................................................367
8.3.2.
Статические и динамические аспекты вакуумных
систем ускорителей ...................................................................................371
8.4.
Положение дел, оборудование. Конструкция вакуумных
систем ускорителей ..............................................................................................374
8.4.1.
Расчеты профиля давления для одномерных систем ...............................375
8.4.2.
Насосы .......................................................................................................377
8.4.3.
Вакуумное оборудование ..........................................................................381
8.4.4.
Выбор материала и проекта ......................................................................381
8.4.5.
Очистка и обработка вакуумных камер ....................................................385
8.5.
Специальные конструкции вакуумных систем ускорителей ..............................385
10
Содержание
8.5.1.
Ускорители с холодными вакуумными системами ..................................385
8.5.2.
Объекты с синхротронным излучением ...................................................388
8.5.3.
Системы сверхвысокого вакуума без присутствия частиц ......................389
Литература .....................................................................................................390
9.
ВАКУУМНЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ .....................................................392
9.1.
Историческое развитие ........................................................................................392
9.2.
Физические основы ..............................................................................................393
9.2.1.
Прерывающая способность ...........................................................393
9.2.2.
Диэлектрические свойства ........................................................................398
9.2.3.
Эффекты перехода тока через нуль...........................................................400
9.2.4.
Механические и тепловые основы работы ...............................................400
9.3.
Современное состояние знания и приложений ..................................................401
9.3.1.
Конструкция и технология производства вакуумных прерывателей ......401
9.3.2.
Вакуумные выключатели среднего напряжения ......................................404
9.3.3.
Контакторы среднего напряжения ...........................................................404
9.3.4.
Низковольтные выключатели ...................................................................405
9.3.5.
Контакторы низкого напряжения ............................................................406
9.3.6.
Высоковольтные вакуумные выключатели ..............................................406
9.3.7.
Выключатели нагрузки ..............................................................................407
9.3.8.
Трансформаторные переключатели ..........................................................407
9.3.9.
Другие приложения ...................................................................................408
9.4.
Аспекты будущего ................................................................................................408
Литература ...................................................................................10.
ВАКУУМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОНОВ.
МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ......................................................... 411
10.1.
Термоэмиссионные вакуумные источники электронов .....................................411
10.1.1.
История разработки ..................................................................................411
10.1.2.
Физические основы термоэмиссии ..........................................................413
10.1.3.
Типы термокатодов, их характеристики и приложения ..........................416
10.2.
Нетепловые источники электронов ....................................................................430
10.2.1.
История разработки ..................................................................................430
10.2.2.
Автоэмиссионные катоды .........................................................................431
10.2.3.
Автоэмиссионные термокатоды ...............................................................432
10.2.4.
Холодные катоды для автоэлектронной эмиссии ....................................434
10.2.5.
Новые материалы для катодов ..................................................................436
10.2.6.
Тенденции современных разработок ........................................................436
10.2.7.
Материалы эмиттера металл–диэлектрик–металл (МДМ) ....................439
10.2.8.
Эмиттеры с алмазными пленками и скачковой проводимостью ............439
10.2.9.
Эмиттеры из углеродных нанотрубок .......................................................440
10.2.10.
Другие углеродные эмиттеры и перспективы развития .........................441
10.3.
Другие типы электронных эмиттеров ..................................................................442
10.3.1.
pn-эмиттеры ...............................................................................................442
10.3.2.
Вторичная эмиссия ...................................................................................445
10.3.3
Сегнетоэлектрическая электронная эмиссия ..........................................445
10.3.4.
Фотоэлектронная эмиссия ........................................................................446
10.4.
Вакуумные электронные конструкции ...............................................................448
Содержание 11
10.4.1.
Разделители для матричных автоэмиттеров .............................................448
10.4.2.
Анодное склеивание ..................................................................................448
10.4.3.
Создание вакуума при производстве вакуумных электронных
устройств на кристалле ..............................................................................450
10.5.
Материалы для вакуумных электронных источников ........................................451
Литература ........................................................................................455
11.
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА ............................................................... 459
11.1.
Введение и история разработки ...........................................................................459
11.2.
Газы в вакуумных системах ..................................................................................459
11.2.1.
Физические основы вакуума .....................................................................459
11.2.2.
Идеальный газ ...........................................................................................460
11.2.3.
Диапазоны давлений в вакуумной технике .........................................460
11.2.4.
Поверхностные взаимодействия и дегазация ...................................462
11.3.
Вакуумные насосы................................................................................................463
11.3.1.
Введение ....................................................................................................463
11.3.2.
Низко- и средневакуумные насосы сверхвысокого вакуума (СВВ) ..................................................................465
11.3.4.
Выбор насоса .............................................................................................472
11.4.
Измерение давления вакуума ..............................................................................472
11.4.1.
Введение ....................................................................................................472
11.4.2.
Вакуумметры полного давления ...............................................................472
11.4.3.
Вакуумметры парциального давления ......................................................479
11.5.
Вакуумные материалы и компоненты .................................................................481
11.5.1.
Критерии выбора материалов для вакуумной техники ............................481
11.5.2.
Стандарты и конструкции элементов вакуумных камер .........................484
11.5.3.
Процедуры очистки ...................................................................................484
11.6.
Течи и их обнаружение .........................................................................................486
11.6.1.
Введение ....................................................................................................486
11.6.2.
Методы обнаружения течей ......................................................................486
11.6.3.
Гелиевые течеискатели ..............................................................................486
11.6.4.
Испытания на герметичность вакуумной микроэлектроники ................488
11.7.
Примеры вакуумных систем ................................................................................488
11.7.1.
СВВ-система для получения характеристик автоэмиссии ......................489
Предметный указатель ......................................................................... 492
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
В современном мире электроника является одной из наиболее динамично развиваю-
щихся областей науки и техники. В полной мере это относится и к имеющей более
чем столетнюю историю электронике вакуумной. Периодически предпринимаются
попытки обобщить накопленные знания и опыт, провести их анализ и на его основе
оценить перспективы важнейших направлений развития. В известной мере такая по-
пытка осуществлена и в книге, предлагаемой вашему вниманию, в подготовке которой
приняли участие 36 (!) известных специалистов по вакуумной электронике. Несмотря
на крайне ограниченный объем, авторам удалось изложить принцип работы, техни-
ческие возможности и области применения основных электровакуумных приборов и
устройств, что позволяет использовать книгу в качестве своеобразного справочника
или учебного пособия для студентов высших учебных заведений и специалистов, за-
нимающихся вопросами разработки и применения электронных компонентов в раз-
личных системах радиоэлектроники. Книга написана доступным языком, методиче-
ски сбалансирована, что позволило при редактировании ограничиться минимальным
количеством замечаний.
Н. А. Бушуев
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 1989 году в издательстве R. Oldenbourg Verlag (Мюнхен, Вена) вышел «Handbuch
der Vakuumelektronik» («Справочник по вакуумной электронике») под редакцией
Дж. Aйхмайера и Г. Гейниша. За последние 18 лет достигнут значительный прогресс в
области вакуумных электронных компонентов, систем и процессов. В настоящей кни-
ге группа из 36 известных специалистов в области производства, из научных институ-
тов и университетов представили свои сообщения об основах вакуумной электроники,
ее состоянии в настоящее время, а также информацию о последних событиях в этой
области и свой собственный опыт во всех важных областях этой науки. Работа вакуум-
ных электронных компонентов и устройств основана на движении электронов или ио-
нов под влиянием электрических, магнитных или электромагнитных полей. В настоя-
щее время исследовательская деятельность сосредоточена на разработке новых СВЧ-
устройств, особенно ламп бегущей волны, клистронов, гиротронов и СВЧ-устройств
магнетронного типа, разрядников (электронно-лучевых коммутаторов) и вакуумных
реле фотоумножителей, преобразователей и усилителей видеоизображения, а также
вакуумных и плазменных дисплеев (панелей), систем электронных и ионных пучков,
ускорителей частиц, электронных и ионных микроскопов, плазменных и ионных
двигательных установок, источников света и газовых лазеров, рентгеновских трубок,
газоразрядных систем вакуумных электронных систем для полупроводниковой техно-
логии и наконец методов измерения вакуума.
Вакуумные электронные компоненты, системы и процессы применяются для пере-
дачи информации, измерения и контроля различных параметров, а также в высокоча-
стом, ядерном, плазменном и биомедицинском оборудовании. Эта книга представля-
ет современное состояние исследований, разработки и производства вакуумной элек-
троники. Для понимания читатель должен иметь базовые знания в области электро-
ники, особенно относительно принципов вакуумной электроники. Книга может стать
полезным источником необходимой информации для студентов электротехнических
и физико-технических специальностей, а также для инженеров и физиков, которые
разрабатывают или применяют вакуумные электронные компоненты и устройства в
различных технологических областях. Для дополнительной информации предлагают-
ся дополнительные литературные источники. Все главы начинаются с исторической
справки и ссылок на уважаемых ученых и инженеров, которым принадлежат прорывы
и достижения в различных областях вакуумной электроники.
От имени всех соавторов, редакторов хочу поблагодарить Springer-Verlag, Берлин,
Гейдельберг, Нью-Йорк, за тщательное планирование и печать этой книги. Редакция
благодарит всех соавторов за их большой вклад.
Дж. Айхмайер, M. K. Тамм
Мюнхен, Карлсруэ
Январь 2008
14 Глава. Колонтитул
СПИСОК АВТОРОВ
Гельмут Баснер
Niemöllerallee 8
81739 Мюнхен, Германия
helmut.bassner@T-online.de
Карлхайнц Бланкенбах
Университет Пфорцхайма
Лаборатория дисплеев
Tiefenbronnerstr. 65
75175 Пфорцхайм, Германия
kb@displaylabor.de
Ганс-Йоахим Блум
Исследовательский центр Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
hansjoachim.bluhm@ihm.fzk.de
Маттиас Борн
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
matthias.born@philips.com
Эрнст Бош
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
ernst.bosch@thalesgroup.com
Анджей Г. Хмелевский
Институт ядерной химии и технологии
16 Dorodna street
03-185 Варшава, Польша
a.chmielewski@ichtj.waw.pl
Дитрих фон Добенек
pro-beam GmbH
Behringstr. 6
82152 Planegg bei,Мюнхен, Германия
dietrich.dobeneck@про-beam.de
Джозеф А. Айхмайер
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Elektronik
Arcisstr. 21
80290 Мюнхен, Германия
eichmeier@tum.de
Жорж Фэйллон
Thales Electron Devices
2, Rue Latécoère
F-78941 Велизи, Франция
georges.faillon@wanadoo.fr
Георг Гертнер
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
georg.gaertner@philips.com
Герхард Гесслер
Samtel Group, Германия
Söfl ingerstr. 100
89075 Ульм, Германия
gerhard.gassler@samtelgroup.de
Уве Гош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
uwe.gohs@fep.fraunhofer.de
Юрген Гстотнер
Atmel Germany GmbH
Theresienstr. 2
74072 Хейльбронн, Германия
juergen.gstoettner@hno.atmel.com
Бумсу Хань
EB-Tech Co, Ltd
Yongsan-dong 550, Yuseong-gu
Daejoen 305-500, Республика Корея
bshan@eb-tech.com
Список авторов 15
Герхард Хоблер
Technische Universität Wien
Institut für Festkörperelektronik
Floragasse 7/362
A-1040 Вена, Австрия
gerhard.hobler@tuwien.ac.at
Томас Йастель
Университет прикладных наук Мюнстера
Stegerwaldstr. 39
48656 Штайнфурт, Германия
tj@fh-muenster.de
Райнер Киллингер
EADS-Astrium
Langer Grund
74239 Мокмул, Германия
Rainer.killinger@astrium.eads.net
Вольфрам Кнапп
Университет Отто фон Герике
Магдебург
Институт экспериментальной физики
Universitätsplatz 2 39106 Магдебург, Германия
wolfram.knapp@physik.uni-magdeburg.de
Норберт Кох
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
norbert.koch@thalesgroup.com
Ганс В. П. Купс
HaWilKO PSS
Эрнст Людвиг ул. 16
64372 Обер-Рамштадт, Германия
hans.koops@T-online.de
Гюнтер Корнфельд
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
guenter.kornfeld@thalesgroup.com
Геста Матош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
goesta.mattausch@fep.fraunhofer.de
Йоханнес Миттерер
Technische Universität Wien
Institut für Photonik
Gusshausstr. 27-29
A-1040 Вена, Австрия
joh.mitterauer@nextra.at
Генри Моргнер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
henry.morgner@fep.fraunhofer.de
Леопольд Пальметшофер
Johannes Kepler Universität Linz
Abteilung für Festkörperphysik
Altenbergerstr. 69
4040 Линц, Австрия
leopold.palmetshofer@jku.at
Аксель Рейхман
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
axel.reichmann@fep.fraunhofer.de
Роман Ренц
Siemens AG
Передача и распределение энергии
Rohrdamm 88
13623 Берлин, Германия
roman.renz@siemens.com
Олаф Редер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.roeder@fep.fraunhofer.de
Фридрих Rеденауэр
Австрийские исследовательские
центры/FM
Boltzmannstr. 1
2444 Зайберсдорфе, Австрия
fritz.ruedenauer@aon.at
16 Список авторов
Зигфрид. В. Шульц
(понижен в должности в 2003 г.)
Surface Solutions, Inc.
7989 Ranchers Road
Фридли, MN 55432, США
info@tincoat.net
Майк Зейдель
Институт Пауля Шеррера
CH-5232 Виллиген, Швейцария
mike.seidel@psi.ch
Манфред К. Тамм
Universität und Forschungszentrum
Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
manfred.thumm@ihm.fzk.de
Андреас Ульрих
Technische Universität München
Fakultät für Physik E 12
James-Franck-Straße
85748 Garching bei Мюнхен, Германия
andreas.ulrich@ph.tum.de
Бернд Венцель
Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Plattleite 19/29
01324 Дрезден, Германия
wenzel.bernd-dieter@vonardenne.biz
Кирстен Запф
Немецкий электронный синхротрон
Notkestr. 85
22607 Гамбург, Германия
kirsten.zapfe@desy.de
Олаф Зивитски
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.zywitzki@fep.fraunhofer.de
Напомним, что в результате действия законов масштабирования (1.27) первеанс Р
остается постоянным в случае линейного масштабирования всех размеров.
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
18 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Хотя для характеристики эффективности СВЧ-ламп, как правило, используются
такие параметры, как мощность, КПД и усиление, однако необходимо принимать во
внимание и другие характеристики, которые будут интересны пользователю с практи-
ческой и профессиональной точек зрения. К ним относятся: ширина полосы частот,
линейность характеристик, отношение сигнал/шум, способ взаимодействия СВЧ-
колебаний с электронным пучком, масса лампы и передатчика, надежность и т. д.
1.1.2. История разработки
Более ста лет назад, в 1904 году, сэр Дж. А. Флеминг изобрел электронный вакуум-
ный прибор – диод, который сразу же начал использоваться для обнаружения элек-
тромагнитных волн, незадолго до этого продемонстрированных Г. Р. Герцем. На са-
мом деле, диод был первой электронной вакуумной лампой, конечно, пусть и с не-
достаточным уровнем вакуума. Спустя пару лет, в 1906 году, Ли де Форест, вдохнов-
ленный этим изобретением, предложил новую конструкцию – добавление в элек-
тронную лампу третьего электрода. Так появился триод. Примерно после 10 лет ис-
пытаний и дискуссий новая вакуумная лампа была успешно использована в качестве
усилителя, что в 1920-х годах привело к быстрому развитию и распространению ра-
диовещания и радиосвязи.
Исследования проводилось не только для улучшения работы триодов, также рас-
сматривались другие вакуумные устройства, работающие в высокочастотном диапа-
зоне. В 1920 году Г. Баркгаузен изобрел лампу с тормозящим полем (или рефлекс-
триод), которую можно рассматривать как первую пролетную лампу. Магнетрон был
открыт А.В. Халлом в 1921 году, а затем последовали открытия Э. Габанна и А. Жачека.
Двенадцать лет спустя был понят принцип работы такого генератора, а в 1939 году
А.Г. Бут и Дж.Т. Рэндалл использовали резонатор «клистронного» типа для концен-
трации ВЧ-полей. Изобретение оксидного катода с высоким коэффициентом вторич-
ной эмиссии было также значительным продвижением вперед. Во время Второй миро-
вой войны сильная необходимость в СВЧ-генераторах высокой мощности для радиоло-
кационных передатчиков привела к развитию магнетронов до современного уровня.
В 1953 году В. К. Браун представил усилитель со скрещенными полями (CFA), маг-
нетрон с разделением ВЧ цепи по входному и выходному сигналу. В то же время по
обе стороны Атлантического океана был создан генератор обратной волны (MBWO –
ЛОВ), или «карсинотрон», разработанный на основе усилителя со скрещенными по-
лями, но с инжектированным электронным пучком и особой конструкцией замедля-
ющей системы. Этот генератор имел преимущество – он мог настраиваться в пределах
широкого диапазона частот.
Тем не менее ни триоды, ни магнетроны не обладали широким диапазоном ча-
стот и высоким коэффициентом усиления. В 1934–35 годах, А. и О. Хайли были первы-
ми учеными, которые использовали периодическое и локализованное изменение ско-
рости электронов для получения электронных сгустков. После регистрации патентов
в 1937 году Хан и Меткаф и особенно братья Р. и Г. Варианы дали точное описание мно-
горезонаторного клистрона. Первый прототип усиливал ВЧ-сигнал до мощности около
50 Вт на частоте 3 ГГц с коэффициентом усиления 30 дБ, вскоре в клистроне было полу-
чено усиление от 30 до 50 дБ на частоте от 1 до 10 ГГц для использования, например,
в радиолокационных станциях и ускорителях частиц. По принципу действия этого
клистрона и на основе предыдущих исследований электронных отражателей без ВЧ-
полей был создан «отражательный клистрон», который с большим успехом использо-
вался в качестве собственных генераторов в радарах.
Возможность взаимодействия бегущих волн с электронным пучком была описана
в 1942 году Р. Компфнером, который разработал первую лампу бегущей волны (ЛБВ),
а спустя год использовал спираль в пространстве взаимодействия. Но реальное нача-
ло разработки ЛБВ возникло после 1946 года, когда Дж.Р. Пирс создал теоретический
фундамент работы этих ламп и решил проблему подавления большинства паразит-
ных колебаний. Связанные резонаторы были введены в конструкцию ЛБВ в 1950 году.
Эволюция ЛБВ впечатляет, когда мы узнаем, что они по-прежнему используются и
сейчас, правда, в современном исполнении.
С этого времени вследствие больших потребностей военной промышленности и
выпуска бытовых приборов началось промышленное производство электронных ламп.
Конечно, исследования и разработка новых устройств сильно продвинулись вперед не
только в деле улучшения действующих ламп и замены их новыми в соответствии с
требованиями пользователей (более высокие частоты, более продолжительный срок
службы, большие мощности и ширина полосы частот), но также вследствие конкурен-
ции с транзисторами и твердотельными приборами, а в настоящее время – для созда-
ния комбинированных устройств.
Последние 40 лет можно охарактеризовать следующими основными инновацион-
ными разработками [1]:
• коаксиальный магнетрон, магнетрон с быстрой перестройкой частоты.
Массовое производство магнетронов в 1960-х годах для производства микровол-
новых печей;
• ЛБВ с паяными и обжатыми спиралями, в основном использовавшиеся до 1980-х
годов в радиолокационных передатчиках и наземных станциях радиосвязи.
ЛБВ со спиралями с переменным шагом для повышения эффективности взаи-
модействия.
Электронные пушки с сетками и внедрение пропитанных катодов в 1970-х годах.
Затем разработка ЛБВ была сориентирована на внедрение коллекторов с мно-
гоступенчатой рекуперацией и коллекторов с охлаждением за счет излучения.
С 1962 ЛБВ космического назначения используются на спутниках;
• настраиваемые клистроны или клистроны с мгновенной шириной полосы частот
(10 %) для телевидения и связи.
Лампы с индуктивным выходом (IOT).
Многолучевые клистроны средней мощности, которые в основном использова-
лись в СССР с 1960-х по 1980-е годы.
Пароохлаждаемые коллекторы и 300-киловольтные импульсные электронные
пушки.
Клистроны непрерывного действия с высоким КПД (65 %), высокой импульс-
ной (десятки мегаватт) и непрерывной (1,3 МВт) мощностью.
Многолучевые клистроны высокой мощности (МЛК), применяемые с 1995 года;
• недавно появившиеся гиротроны, которые представляют собой лампы, способ-
ные генерировать большую мощность (порядка нескольких мегаватт) при высо-
ких частотах (100 ГГц).
В 1959 году, не зная о работах астрофизика Р. К. Твисса, Й. Шнайдер в США и
А. В. Гапонова в России, предложили объяснение механизма усиления, основанно-
го на гироизлучении свободных электронов. Но первые успешные эксперименты
имели место в 1970-х и привлекли внимание в 1980-е годы благодаря поддержке на-
учного сообщества, занимающегося вопросами термоядерного синтеза и получения
плазмы, особенно в Европе. И теперь после решения большинства трудных техно-
логических проблем (создание сверхпроводящих электромагнитов, окон из сапфи-
ра или алмаза) налажено производство и продолжаются новые разработки гиротро-
нов и многомодовых волноводов с малыми потерями или с квазиоптическими ли-
ниями передачи.
Структура рынка начала меняться примерно 20 лет назад и требования стали более
конкретными, серьезными и жесткими, что помешало массовому производству электрон-
ных ламп. Тем не менее после слияния и реорганизации многих производителей элек-
тронных ламп сложилась структура их применения, как показано в подразделе 1.1.
В то же время новые исследования и разработки ведутся в направлении повышения
эффективности [1] как более высокочастотных устройств, так и ламп большей мощно-
сти, а также в направлении передовых технологий: эмиссия с холодных катодов, нано-
технологии, миниатюризация и оптимизация усилителей в целом.
1.1.3. Основные принципы работы и определения терминов
Основные принципы работы
Электронной СВЧ-лампой называется откачанный (вакуумный) прибор, внутри ко-
торого электронный пучок взаимодействует с электромагнитными волнами [2, 3]. Это
означает, что электроны пучка отдают часть своей кинетической или потенциальной
энергии электромагнитной волне, создавая или усиливая ее. Поскольку в целом из-
вестно, как создавать, а затем ускорять электронный пучок или, другими словами, да-
вать ему энергию, особенно благодаря использованию электронных пушек высокого
напряжения, цель этой книги заключается в том, чтобы пойти дальше и представить
физические процессы взаимодействия и передачи энергии электронного пучка элек-
тромагнитной волне. Такой процесс включает в себя несколько отдельных или одно-
временно происходящих физических явлений.
1. Формирование и ускорение электронного пучка.
2. Периодическая группировка электронов с частотой f. Эта группировка начина-
ется под действием входной ВЧ-мощности, которой является мощность возбуж-
дения колебаний Pd в случае усилителя или мощность электромагнитного шума в
случае генератора.
3. Замедление пучков (или сокращение их релятивистской массы) таким образом,
что их кинетическая или потенциальная энергия превращается в электромагнит-
ную или СВЧ-энергию с частотой f.
4. Передача этой микроволновой энергии за пределы лампы – превращение ее в
выходную мощность лампы POUT.
Характеристики и определения
Для обеспечения работы СВЧ-лампы [4] прежде всего необходимо нагреть катод, из-
лучающий электроны, путем подключения нити накаливания к источнику электроэ-
нергии PF = VFIF. Затем на катод и анод подается питание (P0 = V0I0) в целях получения
электронного пучка с необходимой энергией, который будет двигаться со скоростью
v0, проводя ток силой I0, что задается двумя нерелятивистскими выражениями (реля-
тивистские выражения будут даны ниже):
mv0
2/2 = eV0, (1.1)
I0 = PV0
3/2, (1.2)
где P – коэффициент, относящийся к конструкции пушки и именуемый первеансом.
Для фокусировки пучка используется магнитное поле [5]. Это поле создается либо
постоянным магнитом (магнитами), либо электромагнитом с потребляемой мощно-
1.1. Введение 21
стью PFOC. В случае генератора входной СВЧ-сигнал отсутствует и лампа непосред-
ственно преобразует энергию пучка в СВЧ-энергию с частотой f. Пусть POUT явля-
ется выходной мощностью лампы. Тогда общий КПД лампы составляет η = POUT/
(PF + V0I0 + PFOC), а КПД взаимодействия – ηвз = POUT /V0I0.
Колебания начинаются не сразу после приложения напряжения V0, а спустя вре-
мя задержки τ1, которое может иметь различную продолжительность, как показано на
рис. 1.2. Затем в течение времени нарастания τ2 выходная мощность увеличивается до
номинального уровня POUT. В течение этого времени τ2 частота f изменяется, а затем
стабилизируется.
Мощность POUT зависит от силы анодного тока I0 и сопротивления нагрузки ZL, как
показано на диаграмме Рика (рис. 1.2). Пусковое Δf/ΔI0 и затягивающее Δf/ΔφL отно-
шения, измеренные при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки (или ко-
эффициенте стоячей волны (КСВ)), характеризуют чувствительности частоты лам-
пового генератора, где φL является фазой сопротивления нагрузки ZL. Иногда имеет
смысл ограничивать или контролировать частоту колебаний f с помощью управляю-
щего сигнала мощностью Рс < РOUT при частоте fC (близкой к f), который подается на
выход лампы. Для данной мощности Pc отношение Адлера дает полный диапазон ча-
стот, в пределах которых возможно это ограничение: Δfmax = 2 fc / Qх / c OUT P P .
В случае усилителя ВЧ-сигнал мощностью Рd и частотой f подается на вход лампы
и затем усиливается до мощности POUT. Общий КПД усилителя определяется практиче-
ски тем же способом, что и для генератора: η = POUT / (PF + V0I0 + PFOC + Pd), а КПД взаимодействия опять же составляет ηвз = POUT/V0I0. Соотношение G = POUT/Pd является величиной усиления, которое часто выражается в децибелах (дБ) как G = 10log10(POUT/Pd).
Обычно передаточная характеристика POUT/Pd (рис. 1.3) показывает почти линейную
зависимость при низких уровнях сигнала и участок насыщения при больших сигна-
τ1: длительность фронта
импульса запуска
τ2: Rise time – время
нарастания
СВЧ сигнала
τ1 τ2
: крутизна нарастания частоты
: затягивание частоты при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки
ΔflΔI0
ΔflΔФL
Высокое напряжение на катоде V0
Выходная СВЧ мощность POUT
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
Рис. 1.2. Генераторы
Амплитудноzчастотная
характеристика
Pd – постоянная входная мощность
POUT – максимальная мощность
на частоте f0
Pd – настраивается, чтобы везде
получить максимальную
мощность POUT
Pd – постоянная мощность
малого уровня
1 дБ
Рис. 1.3. Усилители
22 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
лах. Ширина диапазона, как правило, измеряемая на уровне -1 дБ, определяется на
основе изменения выходной мощности POUT в зависимости от частоты с коррекцией
Pd на каждой частоте, чтобы максимально увеличить POUT. Ширина диапазона может
быть определена при постоянной Pd, например, с поправкой на величину данной мак-
симальной POUT (см. рис. 1.3).
Групповая задержка τg = dφ/dω представляет собой задержку сигнала внутри лампо-
вого усилителя φ(f), которая является сдвигом фаз между входом и выходом. Влияние
сопротивления нагрузки ZL представлено на диаграмме Рика, где построены кривые
зависимости POUT (ZL).
Основные физические законы движения электронных пучков
Уравнение движения электронов и релятивистские поправки
На электроны в СВЧ-лампах при их взаимодействии с высокочастотными волнами
влияют только определенные силы, которыми нельзя пренебречь. Эти силы называ-
ются электромагнитными силами Лоренца. Все другие силы, например обусловлен-
ные спином или гравитацией соответственно, на 11 или 16 порядков ниже.
Из релятивистского уравнения движения одного электрона
d(meve)/dt = −e(E + veB), (1.3)
mc = 0
1 ( / )2 B
m
− v c
, (1.4)
ve = c 1 1/(1 ( / ))2 n − +V V , (1.5)
где заряд е = 1,60 × 10-19 Кл, ve – релятивистская скорость электронов, me – релятивистская
масса электрона; т0 = 9,11 × 10-31 кг – масса покоя электрона, с – скорость света, V – уско-
ряющее напряжение; Vn = т0с2/е = 511 кВ – ускоряющее напряжение для получения экви-
валента массы покоя одного электрона с учетом релятивистского увеличения массы.
Можно сделать вывод, что кинетическая энергия электрона (или другой заряжен-
ной частицы) может быть изменена только электрическим, а не магнитным полем B,
так как вектор магнитной силы Лоренца FL = –е(vВ) перпендикулярен скорости v и
B, и потому, что скалярное произведение двух ортогональных векторов всегда равно
нулю. Таким образом, передача энергии от пучка электронов ВЧ-волне и в обратном
направлении происходит всегда только за счет электрических компонентов поля ВЧ-
волны и объемного заряда пучков.
dEкин = Fds = −e(E + v B)v dt = −eEv dt, (1.6)
где ds является элементом линейного пути вдоль траектории.
Это не означает, что магнитное поле В не так важно. Наоборот, магнитное поле не-
обходимо для поддержания свойств сфокусированных пучков (см. подраздел 1.3).
Уравнения Максвелла
Поскольку расчет движения большого числа электронов в пучке находится далеко за
пределами вычислительной мощности современных компьютеров, во многих случа-
ях движение частиц можно описать с помощью теоретических уравнений Максвелла.
Здесь напряженности полей Е и В самосогласованно определяются собственными
плотностями заряда и тока ρ и j, для определения которых требуется решение множе-
ства дифференциальных уравнений в соответствии с граничными и начальными усло-
виями для полей E и B. Уравнения Максвелла не способны описать локализованные
процессы столкновения или даже прохождения частиц, которые происходят в элек-
тронных лампах в состоянии, близком к насыщению. Тем не менее они позволяют
сделать полезные выводы и выдвинуть общие соображения симметрии, а также соз-
дать основу для различных видов компьютерного моделирования.
divE = ρ/ε0 плотность заряда источника электрических полей E; (1.7)
rotE = −δB/δt закон индукции; (1.8)
divB = 0 магнитное поле является источником
свободных немагнитных единичных полюсов; (1.9)
rot B = −μ0j + ε0μ0δE/δt; rot B = −μ0 j для стационарных пучков. (1.10)
Из стационарных уравнений Максвелла можно заключить, что электрические и
магнитные поля E и B могут быть получены из скалярного потенциала φ и векторно-
го потенциала А в виде
E = −grad φ, (1.11)
B = rotA. (1.12)
Вводя эти выражения в уравнения Максвелла (1.7) и (1.10), получим уравнения для
тех потенциалов, которые определены в пространстве плотностью заряда ρ и плотно-
стью тока пучка j соответственно:
div grad φ = −ρ/ε0 уравнение Пуассона (уравнение Лапласа для ρ = 0); (1.13)
rot rotA = −μ0 j. (1.14)
Поскольку влиянием плотности тока j на магнитное поле можно в большинстве
случаев полностью пренебречь по сравнению с внешними магнитными полями, чет-
вертое уравнение Максвелла (1.10) сводится для стационарного случая к следующему
выражению:
rot B = 0 при незначительном текущем воздействии
на магнитное поле B; (1.15)
B = −μ0 grad Ω если магнитное поле B определяется
скалярным потенциалом Ω; (1.16)
div grad Ω = 0 магнитный эквивалент уравнения
Лапласа для электрического поля. (1.17)
В этом случае, как и для скалярного электрического потенциала φ, можно опреде-
лить магнитный скалярный потенциал Ω, тогда выражение (1.17) станет магнитным
эквивалентом уравнения Лапласа (1.13) для электрического поля.
24 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Теорема Буша
Как прямое следствие уравнений Максвелла в
аксиально-симметричной (цилиндрической)
системе координат, теорема Буша очень важ-
на для анализа магнитной фокусировки ли-
нейных электронных пучков (рис. 1.4). Она
констатирует закон сохранения, действую-
щий вдоль траектории электрона: сумма мо-
мента mevθr углового движения электрона от-
носительно оси z и магнитного потока Φ, па-
раллельного оси симметрии, проходящей че-
рез круговую область траектории с радиусом r,
и умноженного на коэффициент e/2π, являет-
ся величиной постоянной.
mev θ r + e/2π·Φ = const теорема Буша действительна (1.18)
вдоль траекторий заряженных частиц
в цилиндрических симметричных
те θ' r2 + e/2π·Φ = const системах координат (рис. 1.4).
Поскольку при катодной эмиссии угловая скорость равна нулю в соответствии с
теоремой Буша (1.18), угловая скорость v θ, или θ' в S, просто определяется двумя зна-
чениями потока ΦK, Φ и радиусом r (при θ’, равной угловой скорости вокруг оси z).
Есть много других приложений теоремы Буша. Некоторые из них будут приведены в
главе, посвященной фокусировке электронного пучка.
Законы масштабирования
Геометрическое подобие (масштабирование) СВЧ-ламп часто используется, когда по
отработанной конструкции лампы, работающей на частоте f1, нужно создать лампу но-
вой конструкции, работающую на частоте f2. Поскольку размеры лампы масштабиру-
ют при длине ВЧ-волны λ или обратно пропорционально частоте f, то коэффициент
масштабирования γ для всех линейных размеров составляет
γ = λ2 / λ1 = f1/ f 2 масштабирование по частоте. 1.19)
Теперь возникает вопрос, как масштабировать электромагнитные свойства лампы,
чтобы получить идентичные траектории электронного пучка в масштабе системы ко-
ординат х2.
Ответ можно получить с помощью уравнений Максвелла. Легко показать с помо-
щью подстановки, что уравнения Максвелла остаются инвариантными при масшта-
бировании в новой системе координат х2 при применении следующих законов мас-
штабирования:
х2 = γ х1 линейное геометрическое масштабирование всех (1.20)
размеров в системе х1 с коэффициентом γ
для новой системы координат х2;
E2 = γ-1 E1 для электрического поля, (1.21)
Рис. 1.4. Теорема Буша в цилиндрической
симметричной системе координат
B2 = γ -1B1 для магнитного поля; (1.22)
φ2 = γ0 φ1 для электрического потенциала; (1.23)
А2 = γ0А1 для векторного потенциала; (1.24)
j2 = γ-2 j1 для плотности тока (1.25)
I2 = γ0I1 для общего тока (электронной пушки); (1.26)
Р2 = γ0P1 для первеанса P = IV-3/2. (1.27)
С учетом указанных выше законов масштабирования понятно, почему можно при-
мерно масштабировать допустимую мощность POUT СВЧ-лампы данной конструкции
на частоте f2 или что POUT · f2 = const.
Допустим, лампа масштабируется с коэффициентом γ = 1/ 2 для удвоения частоты
f2 = 2 f1. Если все потенциалы электродов остаются постоянными, то будут постоянны-
ми общий ток и потребляемая мощность. Но так как плотность тока масштабируется
с коэффициентом γ-2, мы получаем в 4 раза большую тепловую нагрузку в критически
важных областях. Поэтому, чтобы сохранить значение тепловой нагрузки на матери-
ал в тех же самых пределах, при удвоенной частоте нужно использовать для допусти-
мой мощности коэффициент масштабирования только 1/4. Ссылки по теме масшта-
бирования даны в [6].
Формирование пучка в электронной пушке
Вначале рассмотрим эмиссию электронов с поверхности катода. В настоящее время в
основном используются диспенсерные катоды пропитанного типа на основе Ва-, Са-
алюминатов. Так как они подробно описаны в главе 10, мы ограничимся здесь только
напоминанием законов эмиссии для этого типа термоэлектронных излучателей, кото-
рые имеют работу выхода φ и температуру катода T .
Электронная эмиссия нагретого катода (термоэлектронная эмиссия)
В режиме термоэлектронной эмиссии с ограничением рабочих температур (все ис-
пускаемые электроны покидают поверхность катода) плотность тока js насыщения
эмиссии задается уравнением Ричардсона–Дешмана (1911 г.; Нобелевская премия,
1928 г.):
js = А (1 – r )T2 e–φ /kТ, (1.28)
где A = 4πem0k2/h3 = 120 A/(см2K2), k – постоянная Больцмана, r – квантово-меха-
нический коэффициент отражения, на границе металл/вакуум равен нулю.
Более совершенная формула Шоттки включает электрическое поле Е на поверхно-
сти и называется уравнением Ричардсона–Дешмана–Шоттки:
js = A T2 e−φ/kT eKa*E
1/2
при Ka = (e3/4πε0)1/2/kT. (1.29)
Эмиссия, ограниченная пространственным зарядом
В связи с ограничением, накладываемым пространственным зарядом, максималь-
ный ток эмиссии катода js не может быть получен в СВЧ-лампах с линейными пучка-
ми. Только катоды гиротронов могут работать в режиме температурного ограничения.
Электронные заряды, инжектируемые в определенном объеме, который соответствует
26 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
граничным условиям для электростатического потенциала
φ, изменяют распределение потенциала внутри этого объ-
ема. Как следствие, данный объем будет проницаем толь-
ко для тока определенной величины, поскольку простран-
ственный заряд ограничивает ток эмиссии. Следующие вы-
ражения описывают эмиссию планарного диода (рис. 1.5),
ограниченную пространственным зарядом:
j0 = [(2,335 · 10−6) Vа
3/2 ]/d2 закон Чайлда–Ленгмюра (1.30)
для диода с плотностью тока, ограниченного
пространственным зарядом;
I0 = (2,335 · 10–6) Vа
3/2(F/d2) закон Чайлда–Ленгмюра для полного тока;
P = 2,335 · 10–6(F/d2) P – первеанс диода, F – площадь диода. (1.31)
Нужно отметить, что ток, ограниченный пространственным зарядом, не зависит
ни от температуры катода, ни от природы эмиссии катода (работы выхода φ), но толь-
ко от приложенного напряжения и геометрии пушки. Здесь d – размер диода, F – пло-
щадь диода (см. рис. 1.6 и 1.7). Результат (1.30) можно обобщить в следующем виде:
I0 = P Vа
3/2 – закон Чайлда–Ленгмюра для полного тока. (1.32)
Катод
В
Анод
Рис. 1.5. Планарный диод
Область тока
в тормозящем поле
Область пространственного заряда (II)
Область температурного ограничения (I)
Рис. 1.6. График зависимости катодной эмиссии от приложенного анодного напряжения. При
достаточно высоких напряжениях сила тока ограничивается током насыщения согласно уравне-
нию Ричардсона–Дашмана–Шоттки
Область температурного
ограничения (I)
Область пространственного заряда (II)
Область тока
в тормозящем поле (III)
Рис. 1.7. График зависимости катодной эмиссии от температуры. При низких температурах ка-
тодная эмиссия ограничена температурой. При так называемых переломных температурах эмис-
сию ограничивает пространственный заряд, и она перестает зависеть от температуры
1.2. Клистроны 27
Напомним, что в результате действия законов масштабирования (1.27) первеанс Р
остается постоянным в случае линейного масштабирования всех размеров.
1.2. Клистроны
1.2.1. Клистронные усилители
Введение
Клистроны являются электронными ламповыми усилителями, предназначенными в
основном для использования на высоких частотах от 0,3 ГГц до примерно 30 ГГц. Они
характеризуются высоким усилением (около 50 дБ) и высокой выходной мощностью:
• 3 кВт при настройке частоты непрерывных колебаний от 14 до 14,5 ГГц с КПД η =
40 %,
• 60 МВт при импульсах длительностью 4 мкс и частоте 3 ГГц (η = 38 %),
• 1,3 МВт на частоте непрерывных колебаний 352 МГц с КПД до 65 %,
• 500 кВт на частоте непрерывных колебаний 3,7 ГГц с КПД η = 45 %.
Однако почти у всех клистронов мгновенная полоса частот довольно ограничен-
на. В клистроне (рис. 1.8) основные функции разделены, поэтому их конструкцию и
технологические параметры можно оптимизировать для каждой отдельной функции.
Этими функциями являются эмиссия электронов, магнитная фокусировка пучка,
Вода
Диафрагма
Окно
Выходной контур
Электромагнит
Входная ВЧ
мощность (Pd)
Анод
Высоковольтный
изолятор
Высоковольтные соединения
(F: нить накала , FK: катод)
Катод
Электронный пучок
Пространство
дрейфа (4)
Система
настройки (5)
Резонатор (5)
Входной резонатор
Выходной резонатор
Коллектор
Ионный насос
Выходная
мощность
в нагрузку (Pout)
Рис. 1.8. Поперечное сечение клистрона
28 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
группировка электронов или модуляция плотностью пучка, получение ВЧ-энергии и,
наконец, рассеяние остаточной энергии пучка.
Взаимодействие в клистроне: модуляции и отбор энергии
Благодаря более высоким напряжениям V0 на катоде по сравнению с анодом, элек-
тронная пушка Пирса формирует электронный пучок, который переносит ток силой
I0 = PV0
3/2 согласно выражению (1.2). Магнитное поле Bz (z) поддерживает форму пуч-
ка, приближенную к цилиндрической по всей длине лампы. После выхода из анода
электроны проходят через первый, или входной объемный резонатор. Этот резонатор
возбуждает слабый входной сигнал мощностью Pd, который подвергается усилению.
Частота f этого сигнала примерно равна f0 – резонансной частоте резонатора. Входной
резонатор предназначен для создания резонанса на его основной моде TM110 (прямоу-
гольной) или TM010 (круговой) с максимальной напряженностью электрического поля
E1 в центре лампы, где пролетают электроны [7]. Кроме того, это электрическое поле
электронный пучок
зазор
пространство
дрейфа
1 й резонатор 2 й резонатор
зазор
Рис. 1.9. Модуляция пучка вдоль клистрона
1 й резонатор
2 й резонатор
3 й резонатор
или
Рис. 1.10. Диаграмма Аплгейта z (t)
1.2. Клистроны 29
усиливают резонаторы, расположенные по обе стороны пространства дрейфа, вход-
ные зазоры которых открываются в полость этого пространства (рис. 1.9).
Электроны, движущиеся через узкий зазор из полости резонатора, находятся под
действием периодического электрического поля E1еjωt. Половину периода они ускоря-
ются, а вторую половину замедляются (рис. 1.10). Следовательно, быстро движущие-
ся электроны данного полупериода догоняют медленно движущиеся электроны преды-
дущего полупериода, в результате формируются электронные сгустки. Другими слова-
ми, модуляция скорости электронов во входном резонаторе создает модуляцию тока
пучка в пространстве (трубе) дрейфа, который выражается как Iсгустка(z, t) [8, 9].
Во втором резонаторе на расстоянии L1 формируются сгустки электронов. Ток
пучка Iпучка (z, t) индуцирует ток I2 в этом резонаторе, который вызывает напряже-
ние V2 = Z2 I2 (или электрическое поле Е2) на разных концах зазора при сопротивле-
нии резонатора Z2. В свою очередь напряжение V2 (или электрическое поле E2) соз-
дает новую модуляцию по скорости электронов, которая, как правило, намного пре-
вышает предыдущую модуляцию. Опять же третий резонатор устанавливают на рас-
стоянии L2 и т. д.
Процесс повторяется в каждом пространстве дрейфа и в каждом резонаторе вдоль
клистрона, пока в последнем, или выходном, резонаторе пучок не станет очень узким
и плотным. В последнем, выходном резонаторе существует очень высокий индукци-
онный (наведенный) ток IN , который создает высокое напряжение резонатора VN = ZN
IN. Затем электронные сгустки сильно тормозятся этим напряжением VN (или ЕN), так
что они сами становятся генераторами энергии. Таким образом, в выходном резонато-
ре они отдают большую часть своей кинетической энергии электромагнитному полю,
которое усиливается и поддерживает VN (или EN). Эта энергия, запасенная в резонато-
ре, дает выходную мощность POUT =VN
2/ 2ZL, которая направляется в нагрузку через ди-
афрагму или петлю связи и окно связи (рис. 1.8 и 1.11). Выходная мощность POUT явля-
ется результатом усиления клистроном мощности Pd. Как правило, клистроны имеют
от четырех до шести резонаторов, коэффициент усиления (POUT/Pd) – примерно 50 дБ,
КПД взаимодействия (POUT/V0I0) – от 35 % до 65 %.
Взаимодействия между первым и вторым резонаторами
С учетом нескольких упрощений соотношение между V1 и Pd задается выражением
а Резонатор
б
в
Резонатор
Волновод Нагрузка
Нагрузка
пучка
Диафрагма или
петля связи
Рис. 1.11. Эквивалентная схема резонатора клистрона
30 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
2 1
2 2 0
1
0
8 ( / ) 1 x d
R f f
V QQ Q P Q
Q f f
− =⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠ ⎡⎢⎣⎢+ ⎛⎜⎝ − ⎞⎟⎠⎤⎥⎦⎥
, (1.33)
где f0 – резонансная частота резонатора, f – рабочая частота [8, 9, 11].
Решая уравнение для электрона, попадающего в зазор резонатора со скоростью v0
(1.1), получаем скорость v(d1) на выходе из зазора
v (d1) = v0
1 1
0
1 j t MV
e
V
ω ⎛ ⎞
⎝⎜ + ⎟⎠
, (1.34),
где t – момент времени, когда электроны проходят центр зазора, и
М1 = 1 1
0 0
sin /
2 2
d d
v v
М1 – коэффициент связи.
Электроны покидают резонатор и проходят в следующее пространство (трубу)
дрейфа на скорости, заданной уравнением (1.34).
Из-за периодичности модуляции (рис. 1.10) с течением времени электроны меня-
ют свое положение (одни собираются, другие рассеиваются) и формируются сгуст-
ки, по одному за период. Модуляция скорости, вызванная прохождением электро-
нов через первый резонатор, приводит к пространственной модуляции плотности
электронов, т. е. модуляции тока в трубе дрейфа. Этот ток вдоль оси z задается вы-
ражением
Ib (z, t) = I0 + 2 I0 1 n Σ∞J (nX) cos n (ωt – ωz/v0), (1.35)
где X = M1(V1/2V0) (ωz/v0), Jn – функции Бесселя, I0 – постоянный ток или средний ток
пучка, формулу для M1 см. выше.
Уравнение (1.35) позволяет рассчитать гармоники. Максимум первой гармоники
(п = 1) составляет 1,16 I0 и находится на расстоянии z = L1 от центра зазора первого ре-
зонатора, так что X = 1,84. Максимум второй гармоники (n = 2) составляет 0,96 I0, и он
находится на расстоянии z = L2, так что X = 1,54 [8, 9]. Второй резонатор, как прави-
ло, расположен на расстоянии примерно z = L1, где происходит формирование элек-
тронных сгустков.
В отличие от входа в первый резонатор скорость электрона v (L1, t) из (1.34) и ток
I (L1, t) из (1.35) у входа во второй резонатор изменяются и модулируются с течением
времени. Ток пучка Iпучка I (z, t) проходит через зазор (шириной d2) второго резонатора.
Iпучка(z, t) – мгновенный ток вдоль оси z в момент времени t.
Каждый электрон индуцирует положительный заряд на стенках трубы дрейфа и
особенно резонатора. Таким образом, в момент t ток I2 (t), индуцированный внутри
резонатора, представляет собой сумму всех зарядов, индуцированных электронами в
зазоре в момент времени t. Это может быть выражено математически, поскольку I2 (t)
является интегралом Iпучка(z, t) на интервале от L1 до L1 + d2..
После расчетов выражение для I2 (t) состоит из трех основных слагаемых:
• I0 – средний ток, который не взаимодействует с резонатором;
• I21 = M2Iпучка 1e jωt, (1.36)
1.2. Клистроны 31
где M2Iпучка 1e jωt – первая гармоника тока пучка Iпучка(z, t) при L1 + d2/2 и коэффици-
енте связи M2 , который определяется по формуле (1.38) (см. ниже);
• I22 = jG0(V2/D2)[exp(−jD2/2)][cos(D2/2) − sin(D2/2)/(D2/2)], (1.37)
где G0 = I0/V0 и D2 = ωd2/V0. Выражение для напряжения V2, индуцированного во вто-
ром резонаторе (между концами зазора, находящимися на расстоянии d2), будет дано
далее в подразделе 1.2.1.
Движение электронов во втором резонаторе
Коэффициенты связи, например M2, всегда меньше 1. Это отражает тот факт, что поле
E2 = −V2 ejωt/d2, воздействующее на электрон, является функцией времени и изменя-
ется, когда электрон проходит через зазор резонатора. В приведенных выше расче-
тах рассматривался идеальный зазор в виде воображаемой сетки [9]. Если теперь мы
рассмотрим реальный зазор с электрическим полем, которое простирается в соседние
пространства дрейфа, расположенные слева и справа, и изменяется в осевом и ради-
альном направлениях, то общее выражение для M2 будет иметь вид:
/
2 2
0
2
0
1
( ,0)
( ,0)
a
j z v
a M E z e rdrdz
E z rdrdz
ω
∞
∞
−∞
−∞
= ∫ ∫
∫ ∫
, (1.38)
где 2 2 E (z,0)rdrdz V
∞
−∞
∫ = .
Чем меньше ширина зазора d и радиусы а или b, тем ближе M2 к 1. Только когда D2 ≥
1,2 рад и ωb /v0 ≥ 1 рад, можно в значительной степени снизить величину M2. Эти фак-
торы определяют ширину зазора d2, диаметр трубы дрейфа 2b и диаметр пучка элек-
тронов 2а, учитывая, что коэффициент заполнения a/b ≈ 0,6 и что b и d2 также связаны
с величиной отношения R/Q резонатора.
Соотношение I22/V2 является проводимостью нагрузки пучка Yнагр.пучка = Gнагр.пучка +
jBнагр.пучка. Положительное значение Gнагр.пучка показывает, что модулированный элек-
тронный пучок отдает энергию, тогда как отрицательное значение свидетельствует,
что энергия отдается электронному пучку. Величина Gнагр.пучка достигает максимума при
D2 = π и становится отрицательной после D2 = 2π. Таким образом, если резонатор име-
ет зазор D2 = (ωd2/v0) > 2π, значение Gнагр.пучка будет отрицательным, Gнагр.пучка + Gс также
может быть отрицательным, и могут наблюдаться колебания (так называемые «моно-
тронные» колебания). Gс – это проводимость, характеризующая потери в резонаторе,
ω = 2πf связана не только с основной рабочей модой резонатора, но и с любым из мно-
гочисленных резонансов при высоких частотах.
Приведенные выше выражения определяют эквивалентную схему второго резона-
тора и подходят для любого из промежуточных резонаторов. Эта эквивалентная схе-
ма представляет собой колебательный контур, показанный на рис. 1.11, который воз-
буждается наведенным током I21, его нагрузкой являются «потери» проводимости Gс и
проводимость нагрузки пучка Yнагр.пучка.
Пространственный (объемный) заряд
До сих пор мы пренебрегали пространственным зарядом, т. е. отталкивающей силой
между электронами, которая, естественно, стремится разделить их, препятствуя тем
самым группировке. Если мы нарушим электронный пучок в состоянии равновесия пу-
тем перемещения одного электрона относительно других, то этот электрон будет оттал-
киваться своими соседями, а затем возвращаться в положение равновесия, из которого
снова будет вылетать, прежде чем перейдет обратно в равновесное положение, как кача-
ющийся маятник. Это движение имеет место в пределах пучка, движущегося со скоро-
стью v0. Частота таких колебаний (известная как плазменная частота fплазм = ωплзам/2π) за-
дается согласно выражению ω2
плазм = (е/m) (ρ0/ε0), где ρ0 = J0 / v 0 – плотность заряда пуч-
ка, J 0 ≈ I0/ πа2 – плотность тока [10]. Тем не менее это выражение несколько неточно,
поскольку при определении истинной плазменной частоты fq нужно принимать во вни-
мание параметры металлической или проводящей стенки трубы дрейфа.
С учетом объемного заряда изменяется второй член v(d, t) в выражении (1.34), ко-
торый должен быть умножен на cos(ωqz /v0). Кроме того, выражение (1.35) также при-
обретает другой вид при введении объемного заряда. X становится равным
X = М1 (V1/2V0)
0
cos q
q
z
v
ω ω
ω
При ωq ⇒ 0 это выражение принимает исходный вид.
Переход электронов из второго резонатора в выходной резонатор
Ток I2 создает напряжение V2 = Z2(f). Ток I2 проходит через зазор второго резонатора.
Напряжение в свою очередь модулирует скорость электронов, причем эта модуляция
необязательно происходит в фазе с предыдущими модуляциями, но значительно боль-
ше по величине. В трубе дрейфа между вторым и третьим резонаторами новые моду-
ляции скорости преобразуются в свою очередь в модуляции плотности или модуляции
тока (рис.1.10). Этот итерационный процесс продолжается до тех пор, пока каждый
добавленный резонатор не будет оказывать влияния на модуляции [9].
Последний резонатор является выходным и характеризуется высокой степенью
связи с внешней нагрузкой, то есть устройством пользователя, к которому подклю-
чена лампа. С практической точки зрения для этого соединения используются петли
связи или диафрагмы (см. рис.1.8). Эквивалентная схема, представленная выше, отно-
сится ко всем резонаторам, в том числе и к последнему выходному, который подклю-
чен к нагрузке (рис.1.11, б и рис. 1.11, в). Если теперь предположить, что выражение
для нагрузки пучка не имеет мнимой части (Y нагр.пучка = 1 / Z нагр.пучка = G нагр.пучка), как и
выражение для нагрузки (YL = 1 / ZL = GL = 1 / (R/Q)Q L ), мы получаем
Y N = (1 + 2 QNΔ) / (R / Q) QN , (1.39)
где Δ ≈ (ω – ω0) / ω0 = (f – f 0) / f 0 и 1/ Q N = 1/Q с + 1/ Q нагр.пучка + 1/ QL.
Тогда
V = IN/Y N. (1.40)
Таким образом, выходную мощность РOUT можно записать в виде
POUT = 1/2 VN
2 G L = 1/2 IN
2 GL QN
2 (R/Q)2/ (1 + 4 QN
2 Δ2). (1.41)
Это выражение может быть использовано для получения усиления G = POUT/ Pd и
КПД взаимодействия η = POUT / V0 I 0.
Методология, которую мы использовали в подразделе 1.2.1, показывает, как вели-
чину POUT можно вывести из Pd посредством формул (1.33)–(1.41). Однако важно иметь
в виду, что эти выражения имеют место только для «слабых» полей или сигналов. Как
только Pd возрастает по абсолютной величине (т.е. увеличиваются модуляции), мы уже
имеем дело не с линейной задачей и уравнением для POUT, как задано в (1.41), ситуация
становится все более сложной и плохо поддается анализу. Нелинейности в основном
появляются за счет сил группировки электронов и объемного заряда.
Для подобных случаев необходимы более полные и сложные расчеты, для кото-
рых обязательно потребуются расчетные мощности компьютера. Компьютер позволя-
ет проанализировать значительно больше информации, чем просто нелинейные явле-
ния, а также учитывать радиальные движения (которыми мы пренебрегали в предыду-
щих расчетах), трехмерный характер определенных явлений, релятивистские эффек-
ты и движение отраженных электронов. Образно говоря, такие возможности предпо-
лагают решение уравнения движения электрона для изменяющихся электромагнит-
ных полей и полей пространственного заряда.
Оптимизация выходной мощности
В настоящее время в основном применяются клистроны с четырьмя, пятью и шестью
резонаторами. Эти резонаторы постепенно увеличивают силу СВЧ-тока пучка Iпучка,
затем величины IN и POUT , несмотря на силы объемного заряда, которые становят-
ся все более действенными по мере увеличения Iпучка. В то же время для оптимизации
POUТ дисперсия скоростей должна быть низкой: (v − v0)/v0 ≤ (10 – 20 %), чтобы избе-
жать отражения электронов от выходного резонатора. Таким образом, частоты проме-
жуточных резонаторов должны быть тщательно настроены, чтобы привести в соответ-
ствие напряжения на зазоре по амплитуде и фазе и в то же время для контроля СВЧ-
тока пучка и дисперсии скоростей.
В некоторых клистронах используют резонатор, настроенный на вторую гармони-
ку, который резонирует на частоте, немного меньшей, чем 2f0. Такой резонатор воз-
буждает вторую гармонику тока пучка и генерирует напряжение, которое усиливает
группировку и повышает КПД. Этот резонатор обычно размещается после второго ре-
зонатора, где электроны уже сосредоточены в интервале фаз, меньшем или равном π.
В зависимости от значения импеданса ZL абсолютная величина VN = Z N I N может
превышать V0, которое представляет собой напряжение, соответствующее средней
скорости электронов. Если VN превышает V0, электроны будут тормозиться, а некото-
рые даже отражаться обратно в направлении резонаторов и катода, который будет соз-
давать перехват пучка, что может привести к нарушению работы клистрона или даже
необратимым повреждениям.
При прохождении сильных сигналов выходной резонатор действует как генератор
тока с внутренним сопротивлением R* вблизи рабочей точки. Таким образом, POUT ста-
новится максимальной, когда ZL = R*. Поскольку диафрагма или петля связи преоб-
разуют сопротивление нагрузки устройства пользователя (радиолокационная антен-
на или антенна передатчика, ускорители) в сопротивление нагрузки резонатора, эти
устройства связи должны быть настроены так, чтобы ZL = R* для максимизации вы-
ходной мощности.
Конструирование и технологии создания клистронов
Представление различных этапов взаимодействия электронов в клистроне позволяет
нам понять его устройство, которое строится вокруг пучка электронов с одной сторо-
ны и резонаторов и пространств (трубок) дрейфа – с другой. С технологической точки
зрения, как показано на рис. 1.8, составляющими элементами клистрона являются:
34 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
• электронная пушка Пирса с высоковольтным изолятором и катодом. Высоко-
вольтный изолятор представляет собой цилиндр из алюминия, расположенный
между анодом и катодом. Его размеры таковы, что напряженность постоянного
электрического поля меньше предельного напряжения пробоя. Эмиссия электро-
нов с тройной точки сведена к минимуму благодаря экрану, который называется
кольцом-антикороной. Анод заземлен по соображениям безопасности, поэтому на
пушке и катоде, как правило, отрицательное напряжение;
• модулирующие резонаторы (обычно частота настраивается на заводе-изго-
товителе);
• последний, или выходной, резонатор связан с выходным волноводом петлей связи
или диафрагмой;
• выходное окно (окна) расположено в волноводе (волноводах) и отделяет внешнюю
атмосферу от внутреннего вакуума (≈ 10-8 тор) внутри лампы. Для усиления возбуж-
даемой мощности, как правило, ее вводят в первый резонатор через коаксиальное
соединение, которое также герметично благодаря небольшому размеру окна ввода;
• коллектор, функция которого состоит в сборе электронов после их взаимодействия
в последнем резонаторе и рассеяния их оставшейся энергии. Кроме того, он дол-
жен быть в состоянии рассеять всю энергию пучка электронов, когда Pd = 0, а затем
POUT = 0. Следовательно, необходимо его эффективное охлаждение. Коллектор,
как правило, имеет тот же потенциал, что и корпус или анод;
• магнитный контур, включая электромагнит, или постоянный магнит (магниты),
и два полюсных наконечника, расположенных вблизи анода и между коллекто-
ром и выходным резонатором. Эти полюсные наконечники концентрируют маг-
нитный поток, чтобы получить необходимое фокусирующее поле BZ, параллельное
оси (значение ВR/BZ должно быть больше нескольких %).
Вакуум, как правило, поддерживается благодаря небольшому ионно-геттерному
насосу. Однако этот насос не всегда необходим, поскольку сам пучок выполняет отка-
чивающие функции. Ускоренные электроны ионизируют остаточные газы. Тогда по-
рожденные ионы электрически притягиваются к пучку и медленно перемещаются к
катоду.
1.2.2. Многолучевые клистроны
Ограничения в увеличении выходной мощности POUT в клистроне
Как было отмечено в подразделе 1.2.1, силы пространственного заряда препятствуют
идеальной группировке электронов. Эти силы отталкивания проявляются в виде плаз-
менной частоты ωq или ωплазм, которая пропорциональна квадратному корню из пер-
веанса P.
В обычном клистроне первеанс пучка находится в интервале от 0,5 до 2,5 × 10-6 А·В-3/2.
Значение первеанса Р = 2,5 × 10-6 А·В-3/2 является практическим пределом, превысив
который трудно сохранять цилиндрическую форму электронных пучков и фокусиро-
вать их без заметного токооседания. Когда первеанс высок, КПД низок. В то же вре-
мя мгновенная полоса частот расширяется примерно до 5 % или более, вместо обыч-
ных 1–2 %. Этот факт объясняется высоким значением проводимости нагрузки пучка
Gнагр.пучка, пропорциональной PV0
1/2, которая затухает во всех резонаторах.
Напротив, первеанс P = 0,5 × 10-6 А·В-3/2 является практическим нижним преде-
лом, меньше которого малая сила тока I0 диктует неприемлемо высокое напряже-
ние пучка V0 и вызывает множество трудностей с изоляцией клистрона, а также все-
го передатчика или оборудования. Но низкий первеанс благоприятен для высоко-
го КПД взаимодействия, поскольку можно добиться хорошей группировки электро-
нов. В заключение следует сказать, что наибольшая выходная мощность может быть
получена путем увеличения либо тока пучка I0, либо напряжения V0. В первом слу-
чае первеанс важен; однако КПД значительно снижается, а мгновенная ширина по-
лосы частот увеличивается, и возникают трудности с управлением и фокусировкой
пучка. Во втором случае первеанс сохраняется низким, КПД – высоким, но основ-
ные ограничения возникают из-за поломок и практического использования высоко-
го напряжения.
Многолучевые клистроны
Многолучевые клистроны (МЛК) позволяют достичь значительной выходной мощно-
сти с большим КПД и в то же время с приемлемо высоким напряжением пучка, несмо-
тря на очень высокий первеанс. В обычных или однолучевых клистронах (ОЛК) исполь-
зуется только один пучок электронов, который перемещается вдоль общей оси лампы
и магнита. В МЛК, наоборот, используется несколько (N) электронных пучков, кото-
рые вместе проходят все резонаторы, но каждый – по своей трубе дрейфа (рис. 1.12).
Окно
Коллектор
Резонатор
Электронный
пучок (4)
Электромагнит
Катоды (4)
Высоковольтная
изоляция
Рис. 1.12. Многолучевые клистроны (4 пучка)
36 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Таким образом, каждый электронный пучок имеет малый ток i0, что дает высокий КПД.
Принимается во внимание весь ток Ni0, следовательно, при одной и той же выходной
СВЧ-мощности POUT = V0ηNi0 напряжение на катоде является умеренным и даже низ-
ким. Например, рассмотрим клистрон с шестью или семью пучками (лучами). Первеанс
одного пучка составляет около (0,5–0,6) × 10-6 А·В-3/2, а общий первеанс P = Ni0V0
-3/2 ≈
≈ (3–4) × 10-6 А·В-3/2. КПД взаимодействия примерно равен 65 %.
По сравнению с ОЛК напряжение на катоде V0, как правило, уменьшается пример-
но на 40 %. Следовательно, напряженность электрических полей E0 снижается, про-
изведение E0V0 (кВ2/мм), которое интерпретируется как вероятность возникновения
пробоя, также сокращается более чем на 50 %, что приводит к возможности гораздо
более безопасной и надежной работы при более продолжительных импульсах или на-
пряжении постоянного тока.
Резонаторы этих клистронов имеют цилиндрическую форму. Режим СВЧ-резо-
нанса, как правило, является обычным – ТМ010-волна, а трубки дрейфа, через которые
проходят электронные пучки, сосредоточены вокруг оси [7], как показано на рис. 1.13.
Структура СВЧ-поля дает возможность взаимодействия в фазе каждого электронно-
го пучка, как и высокие коэффициенты связи M между электронами и электрическим
СВЧ-полем Е, несмотря на изменения величины E в зависимости от радиуса и воз-
можного влияния магнитного ВЧ-поля, которыми нельзя пренебречь.
Суммарный высокий первеанс электронных пучков увеличивает проводимость
нагрузки пучка в резонаторе. Следовательно, мгновенная полоса частот становится
шире примерно в 5 раз. Наконец, конструкция резонаторов разработана таким обра-
зом, чтобы соседние моды (режимы) значительно отличались от моды, действующей
в данный момент. Повод заключается в том, чтобы предотвратить монотронные коле-
бания (см. подраздел 1.2.1), возбуждаемые большим общим током пучков Ni0.
Пучок электронов достаточно трудно сфокусировать, поскольку его ось смеще-
на и не совпадает с осью трубы дрейфа, создавая значительное радиальное магнитное
поле BR. Поэтому электромагнит оснащен несколькими полюсными наконечниками.
Аксиальное поле остается почти постоянным, а относительная радиальная компонен-
та BR/BZ меньше, чем несколько процентов.
Короче говоря, основными характеристиками МЛК являются гораздо более низ-
кое напряжение на катоде, большие КПД и/или широкая полоса частот. В результа-
те мы получаем:
• небольшие габаритные размеры устройства и снижение электрической мощности
источника питания;
• снижение риска пробоя или искрения, следовательно, более широкое использова-
ние высоковольтной изоляции в воздухе, чем в масле;
• меньше рентгеновских паразитных излучений;
• повышенную надежность.
Рис. 1.13. Резонатор МЛК (7 пучков)
Однако разработчики должны принимать во внимание следующие две проблемы:
• фокусировка и передача N пучков, N – 1 из которых (по крайней мере) смещены
относительно оси трубы дрейфа и магнитного поля;
• ликвидация или затухание паразитных колебаний в резонаторах, которые могут
представлять множество мод высших порядков.
1.2.3. Лампы с индуктивным выходом (IOT)
В нижней части спектра частот, например около 500 МГц, в полосах для телевизион-
ного вещания наземные передатчики обычно оснащены выходными каскадами на па-
раллельно соединенных Si- и SiC-транзисторах. Однако выходная СВЧ-мощность
ограничена несколькими сотнями ватт. Для достижения гораздо большей выходной
мощности в диапазоне десятков киловатт уже в течение длительного времени исполь-
зуются вакуумные лампы благодаря своей надежности и высокой эффективности. Эти
лампы могут быть представлены триодами, тетродами [11], клистронами, а теперь в
основном лампами с индуктивным выходом (IOT).
Для триодов усиление мощности составляет от 13 до 15 дБ, у тетродов же усиление
очень низкое. С другой стороны, большой размер и непрактичный способ настройки
частоты в резонаторах ТВ-клистронов не очень привлекает производителей. Вот по-
чему примерно 20 лет назад были разработаны гибридные IOT-лампы для основного
использования в передатчиках, работающих в диапазоне 470–830 MГц, при мощности
несколько десятков киловатт и усилении от 20 до 23 дБ, что совместимо с твердотель-
ными генераторами.
Лампы с индуктивным выходом представляют собой модификацию, разработан-
ную на основе обычных коаксиальных ламп с сеткой с линейным пучком, только
с одним резонатором (рис. 1.14). Электронная пушка типа пушки Пирса со сфериче-
Выходная
мощность Pout
Пространство
дрейфа
Электронный пучок
Коллектор
Выходной
резонатор
Сетка
Высоковольтная
изоляция
Катод
Входная
мощность Pd
Рис. 1.14. Лампа с индуктивным выходом (IOT)
38 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
ским катодом и модулирующей сеткой G1 формирует сходящийся электронный пучок
со средним током I0, который модулируется периодическим напряжением VG в ВЧ-
диапазоне частот f.
Во избежание пробоев нельзя допускать никаких СВЧ-взаимодействий в ускоря-
ющем пространстве между сеткой и анодом. Вот почему пушка разработана так, что-
бы в этот промежуток не было доступа СВЧ-энергии. Такая энергия может подходить
снаружи лампы или вследствие утечки из коаксиального зазора между катодом и сет-
чатым резонатором, а также из выходного резонатора через анод. Кроме того, в этом
пространстве не должно возникать никаких колебаний, поэтому следует устранить все
микроволновые резонансы.
Электронные сгустки между сеткой и анодом ускоряются высоким напряжением
VA, которое достигает 30 кВ и выше, что значительно превышает 8–10 кВ – предельное
напряжение триодов. После анода электронные пучки проходят через резонатор кли-
стронного типа, где передают большую часть своей кинетической энергии волноводу
или коаксиальному кабелю, чтобы дать выходную СВЧ-мощность POUT. Процесс про-
исходит точно так же, как в выходном резонаторе обычных клистронов. Следует от-
метить, что слишком высокое напряжение торможения в резонаторе может отразить
электроны к катоду и повредить лампу.
Наконец, оставшаяся энергия электронов рассеивается в коллекторе. Поскольку
пучок короткий и не имеет цилиндрической формы, фокусировка упрощена, и про-
сто необходимо установить постоянный магнит вокруг анода. С технологической точ-
ки зрения наиболее важной частью является сетка электронной пушки, и не только
потому, что она расположена очень близко (на расстоянии примерно 1 мм) к горячему
катоду, но и потому, что нужно инжектировать мощность возбуждения колебаний Pd в
область пушки, которая имеет очень высокий потенциал V ≈ -30 кВ. Это реализовано
с помощью петли связи и СВЧ-ловушек, конструкция которых трудна для изготовле-
ния. Кстати отметим, что в большинстве ламп анод заземлен из соображений электро-
безопасности, именно поэтому напряжения пушки и катода повышены до –VА.
Прежде чем завершить этот подраздел, следует указать следующие особенности:
• наличие сетки рядом с горячим катодом и конструкция коаксиального резонатора
ограничивают максимальные рабочие частоты до 1,5 ГГц;
• высокое напряжение VА практически ограничено необходимостью использовать
воздух, а не масло для изоляции пушки, в том числе резонатора катод–сетка.
Наконец, IOT-лампы являются очень удобными устройствами, работающими с
частотами ниже 1,5 ГГц при высоком напряжении около 30 кВ. Усиление составляет
примерно 22–23 дБ, КПД – 55 % при выходной ВЧ-мощности от 10 до 100 кВт.
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ)
1.3.1. Введение
Возвращаясь к началу XXI века и посмотрев на историю и эволюцию приборов СВЧ
(как описано в подразделе 1.1.2), мы могли бы задаться вопросом, почему лампа бе-
гущей волны (ЛБВ) (Линденблад, 1940 г.; Компфнер, 1942 г.), которая является яв-
ной реализацией принципа генерации микроволн в электронных лампах, была изо-
бретена позже магнетрона (А. В. Халл, 1921 г.; К. Постумус, 1933 г.) и клистрона
(Р.Г. и С.Э. Варианы, 1937 г.). Ограниченный обмен информацией в ходе войны, воз-
можно, был причиной того, что о патенте США, выданном Линденбладу [12], не
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 39
было известно доктору Рудольфу Компфнеру, австрийскому беженцу, который рабо-
тал над СВЧ-устройствами для британского Адмиралтейства, и что прошли годы с мо-
мента подтвержденного документами изобретения принципа работы ЛБВ до опубли-
кования работ Компфнера [13] в 1946 году.
В самом деле, ЛБВ имеет все необходимые элементы для генерации СВЧ-энергии,
которые геометрически разделены в определенной, обоснованной физически форме.
Эти элементы служат для формирования электронного пучка и его ускорения в элек-
тронной пушке, передачи мощности от электронного пучка усиливаемой СВЧ-волне
в области взаимодействия и сбора электронов в коллекторе после их торможения.
Дополнительными элементами являются входное и выходное устройства связи в на-
чале и конце пространства взаимодействия и магнитная система фокусировки пучка.
В отличие от простого с физической точки зрения принципа работы ЛБВ для из-
готовления этих ламп используются самые сложные технологии среди приборов СВЧ.
Необходимо сфокусировать электронный пучок с высокой плотностью мощности,
чтобы он прошел через малоразмерные спирали, длина которых более чем в 100 раз
больше их диаметра (от 0,3 мм (60 ГГц) до 4 мм (1,5 ГГц)), что требует изготовления
устройства с очень малыми допусками между элементами, формирующими пучок, и
магнитной фокусирующей системой. Хрупкие структуры замедляющих систем огра-
ничивают достижимую ВЧ-мощность по сравнению с объемными резонаторами маг-
нетронов или клистронов. Разница в уровне технологий и возможности получения
мощности на момент появления ЛБВ представлена в таблице 1.1.
Хотя основное различие в возможности передачи мощности оставалось прежним
на протяжении многих лет (см. рис. 1.1), разработка ЛБВ продолжалась из-за их вы-
сокой линейности и способности работать в широкой полосе частот, и сейчас они
превратились в основные СВЧ-усилители, которые используются в наземных и осо-
бенно в космических телекоммуникационных системах. Другие области примене-
ния ЛБВ: источники когерентного СВЧ-излучения для обзорных радиолокаторов и
систем наведения, спутники на основе наземных обзорных радиолокационных стан-
ций и широкополосные усилители для устройств радиоэлектронной защиты (пода-
вления).
На рис 1.15 представлена конструкция ЛБВ в разрезе, показывающем основные функ-
циональные элементы, включая фокусирующие периодически расположенные посто-
янные магниты и четырехступенчатный электростатический коллектор.
Таблица 1.1. Выходная мощность и применение первых магнетронов С-диапазона, клистронов
и ЛБВ в период начала промышленного производства ЛБВ. Данные взяты из [14–16] для магне-
тронов, клистронов и ЛБВ соответственно
Данные Магнетроны Клистроны ЛБВ
Годы 1942 1949 1952
Производитель Western Electric
Братья Варианы
в Стэнфордском
университете
STC
Тип WE 718 Mark III
Приложение Радиолокационные
станции
Линейные ускорители
электронов
Телевидение,
наземные станции
связи
Частота 2,7–2,9 ГГц 2,85 ГГц 3,6–4,4 ГГц
Выходная мощность 193 кВт, импульсы 12 МВт, импульсы
длительностью 1 мкс
2 Вт, непрерывные
колебания
На рис 1.16 показана электрическая цепь, необходимая для работы ЛБВ (с двухсту-
пенчатым коллектором). Вакуумная оболочка, содержащая электронную пушку, про-
странство ВЧ-взаимодействия и коллектор, откачана до давления 10-9 Мбар. Для под-
вода электропитания к электронной пушке и коллектору, а также для герметизации
окон и СВЧ-устройств ввода и вывода использована технология пайки металл/кера-
мика. Далее мы рассмотрим движение электронов, начиная с их эмиссии до оседания
в коллекторе.
Электрическая цепь и электронная пушка
Для получения эмиссии электронного тока IK с поверхности термокатода его нагрева-
ют до рабочей яркостной температуры TC, равной примерно 1000°С, путем подведения
к нити накаливания мощности питания, создаваемой напряжением VF и током нака-
ла IF при отрицательном потенциале катода VK = -VH. Приложение положительных по-
тенциалов VG2, VH, VC1, VC2 заставляет электроны проходить через вакуум к соответству-
ющим электродам, а оттуда по замкнутым цепям через соответствующие источники
питания – обратно к катоду. При более подробном рассмотрении становится видно,
что вначале формируется пучок ускоренных электронов, который фокусируется пери-
одической системой постоянных магнитов. Пучок проходит через спираль простран-
ства взаимодействия и в конечном итоге большая часть пучка собирается электрода-
ми коллектора. Кинетическая мощность пучка ускоренных электронов Pпучка = IKVН,
СВЧ вход
катод спираль
Постоянные магниты
Замедляющая система Коллектор
СВЧ выход
Электронная пушка
Рис. 1.15. Конструкция ЛБВ в разрезе, показывающем основные функциональные элементы:
фокусирующие периодически расположенные постоянные магниты и электростатический че-
тырехступенчатый коллектор
Нить
накаливания
Катод
Электрод
Венельта
СВЧ вход
Спираль
СВЧ выход
Коллектор 1
Коллектор 2
Поглотитель
Магнитная фокусирующая
система
Анод
UF
5В
UG2
3500 В
UH
3370 В
UC1
1130 В
UC2
600 В
IG2 IH IK
Рис. 1.16. Электрическая схема ЛБВ с двухступенчатым коллектором
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 41
входящих в пространство взаимодействия при заземляющем потенциале, переходит в
потенциальную энергию, питающую различные электроды, при переходе отрицатель-
но заряженных электронов от электродов с потенциалами VG2, VH, VC1, VC2 к отрица-
тельно заряженному катоду VK = - VH. Таким образом, основными являются источни-
ки питания коллектора, поскольку анод и спираль пространства взаимодействия по-
лучают очень небольшую мощность PG2 = I G2 V G2 и PH = IH VH из-за малых токов пере-
хвата IG2 и IН.
На входе в пространство взаимодействия оптическая система электронной пушки
формирует электронный пучок с очень малым диаметром. Пучок характеризуется ко-
эффициентом сходимости CF, который является отношением площади поверхности
катода к площади поперечного сечения пучка. Для различных ЛБВ коэффициент CF
может варьироваться в диапазоне 1–100. Для очень хорошей фокусировки пучка ко-
эффициент CF нужно поддерживать ниже примерно 30.
Фокусирующая и замедляющая системы /область ВЧ-взаимодействия
Замедляющая система – это часть ЛБВ, где проходит основное взаимодействие в ЛБВ
и поддерживается потенциал корпуса. В этом кроется определенное преимущество,
поскольку величиной тока перехвата IH электронного пучка, который нужно контро-
лировать в безопасных эксплуатационных пределах, намного проще управлять при за-
земляющем потенциале. Здесь индекс «H» указывает на «спирали» (англ. helix) про-
странства взаимодействия, которые используются во многих конструкциях ЛБВ.
Чтобы избежать перехвата тока пучка замедляющей системой вследствие расталкива-
ющих радиальных сил пространственного заряда в пучке, в фокусирующую систему
вводят компенсирующую магнитную силу. Для этого используются постоянные осе-
симметричные магнитные поля, создаваемые соленоидами, или периодические поля,
создаваемые несколькими постоянными магнитами. Достаточно подробная инфор-
мация о концепции фокусировки представлена ниже в подразделе 1.3.2.
В пространство взаимодействия ВЧ-мощность P1 подается через окно ВЧ-ввода. Она
проходит по пространству взаимодействия с ограниченной фазовой скоростью vр, при-
близительно равной скорости электронов в пучке. Взаимодействуя с электронным пуч-
ком, СВЧ-волна усиливается по направлению к выходу до мощности P2. Как правило,
пространство взаимодействия разбивают на входную и выходную секции для ограниче-
ния усиления в каждой секции. В центральном разрыве пространства взаимодействия
волна ослабляется, чтобы избежать отражений и паразитных колебаний в этих частях.
Максимальное усиление может быть получено, когда электроны движутся немного
быстрее волны. При этом условии фазовая скорость равна скорости движущегося плот-
ного сгустка электронов vсгустка, который формируется в тормозящей фазе волны. Эта
скорость равна скорости медленной волны пространственного заряда минус скорость
электронного пучка, движущегося обратно, -vSC или, если смотреть из точки, располо-
женной за пределами лампы, то скорость сгустка равна ve − vsc. Таким образом,
vp = ve − vsc = vсгустка . (1.42)
Это основное условие синхронизма в ЛБВ. Понимание этого взаимодействия и
процесса СВЧ-усиления можно пояснить следующими наблюдениями. Предположим,
что электроны, движущиеся в замедляющей и ускоряющей фазах СВЧ-поля, ведут
себя как устойчивый поток машин, едущих по холмистой дороге. При подъеме авто-
мобили замедляются, и их плотность увеличивается. Противоположная картина на-
блюдается при спуске с холма. Таким образом, мы создаем «сгустки» автомобилей на
42 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
подъеме, которые могут существовать постоянно, несмотря на то, что отдельные ма-
шины давно уже съехали с холма. Для нашей электронной системы это означает, что
электронный сгусток существует и увеличивается определенное время в тормозящей
фазе по отношению к волне. В связи с торможением электронов сгустка, которое при-
водит к росту плотности пространственного заряда и соответственно росту СВЧ-тока,
максимальное количество кинетической энергии электронов при условии синхрониз-
ма расходуется на усиление волны. Таким образом, при идеальном синхронизме мы
получаем максимальное усиление мощности ЛБВ. Количественное рассмотрение вза-
имодействия электронного пучка и СВЧ-волны дано Пирсом в подразделе 1.3.3.
В конце замедляющей системы мы наблюдаем следующие процессы: а) передачу
мощности P2 усиленной СВЧ-волны через вывод энергии на нагрузку, б) замедление
пучка с широким спектром скоростей отдельных электронов. В зависимости от КПД
взаимодействия пучок отдает от 65 % до 95 % его первоначальной кинетической энер-
гии, которая восстанавливается в коллекторе электронов примерно до 80 %.
Для понимания физики взаимодействия следует отметить, что линейный ускори-
тель (LINAC), который передает энергию от распространяющейся волны потоку заря-
женных частиц (например электронов), можно понимать как устройство, действую-
щее по принципу, обратному ЛБВ. Для оптимального ускорения и группировки элек-
тронов в растущий сгусток необходима связь СВЧ-волны с быстро растущим про-
странственным зарядом пучка частиц, следовательно, условие синхронизма LINAC
можно представить в виде
vp = ve + vsc = vсгустка. (1.43)
Это означает, что в LINAC СВЧ-волны должны двигаться быстрее, чем заряжен-
ные частицы (например электроны) в целях поддержания синхронизма с растущим
сгустком во время ускорения отдельных частиц в сгустке. Другими словами, фронт
волны в ускоряющей фазе уплотняет медленно движущиеся одиночные частицы в ра-
стущем сгустке, который движется с фазовой скоростью.
Имея в виду эту инверсию, мы могли бы задаться вопросом, почему ЛБВ была изо-
бретена только в 1942 году, несмотря на то, что принцип линейного ускорителя был
описан еще в 1924 году Густавом Изингом, шведским физиком, и построен уже в 1928
году норвежским инженером Рольфом Видере.
Коллектор
Первые коллекторы для ЛБВ имели одну ступень, как и коллекторы клистронов с по-
тенциалом земли (VC = VH). В заземленном электроде коллектора токовая петля связи
была закрыта для большей части IС током электронного пучка Iпучка. Так как рассеян-
ный электронный пучок при входе в коллектор несет еще много кинетической энер-
гии, эта энергия термически рассеивается, когда электроны ударяются о стенки кол-
лектора. Теперь мы можем определить рассеиваемую мощность PC расс.
Предполагая, что генерация СВЧ-мощности P2 определяется только электронами,
входящими в коллектор, вследствие сохранения энергии мы можем записать для рас-
сеиваемой мощности в одноступенчатом коллекторе
PC расс = ICVC − P2, (1.44)
где P2 – СВЧ-мощность (основная и относящаяся к гармоникам), созданная в про-
странстве замедления.
Целью разработчиков ЛБВ является сокращение всех потерь, особенно потерь в
коллекторах. Согласно (1.44) для заданной выходной мощности P2 это можно сделать
двумя способами: во-первых, за счет снижения тока пучка и, следовательно, тока кол-
лектора IC, необходимых для получения выходной мощности P2, для чего следует улуч-
шить взаимодействие пучка и СВЧ-волны в замедляющей системе; во-вторых, за счет
снижения напряжения VC коллектора по сравнению с катодом. Это уменьшение на-
пряжения коллектора возможно до тех пор, пока самые медленные электроны рас-
сеянного пучка при входе в коллектор имеют достаточную кинетическую энергию
Екин,мин, чтобы достичь электрического потенциала на поверхности коллектора:
Ekin,min > |e(VH − VC)|, (1.45)
где е – элементарный заряд электрона.
В современных космических системах снижение напряжения в ЛБВ составляет до
(VH − VC)/V H = 0,55. Поскольку для постоянного шага спирали КПД взаимодействия
пучка η0 составляет около 13 %, Г. Фолькштейн произвел научный прорыв, когда в
1958 году добился КПД 30 % для ЛБВ с пониженным напряжением на одноступенча-
том коллекторе.
Аналогичные выводы могут быть сделаны, когда вводятся i ступеней коллектора
с последовательно понижаемым напряжением для дальнейшего замедления быстрых
электронов. В формуле (1.44) слагаемое ICVC является электрической мощностью ис-
точника питания одной ступени, его можно заменить суммой мощностей источни-
ков питания i ступеней гораздо меньшей величины, тогда мощность, необходимая для
рассеивания энергии электронов, будет иметь вид
PC,расс = i Ci Ci 2
Σ I V −P , (1.46)
Ei,кин > |e (VCi – VCi –1)|. (1.47)
В (1.47) входные условия для остаточной кинетической энергии электронов для
ступени i связаны с увеличением потенциальной энергии электронов, входящих в сту-
пень i + 1. Оригинальную конструкцию коллектора с 10 ступенями снижения напря-
жения создали Нойгебауер и Мигран [18] в 1972 году. Она позволила повысить КПД
данного клистрона с 54 % (одна ступень) до 70,9 %. В современных ЛБВ для косми-
ческого применения наилучшим компромиссом между повышением КПД и сложно-
стью конструкции являются коллекторы с 3–5 ступенями снижения напряжения в за-
висимости от спектра скоростей замедленных электронов пучка. В таких ЛБВ с четы-
рехступенчатым коллектором может быть получен общий КПД 74 % .
1.3.3. Физические основы работы ЛБВ
После качественного описания концепции ЛБВ и общих принципов работы ниже
приведены основные физические закономерности и более подробное рассмотрение ее
отдельных компонентов. Для детального изучения необходимы дополнительные учеб-
ники. Среди прочего мы рекомендуем три книги на английском языке [6, 19, 20].
Электронная пушка Пирса для создания электронного пучка, ограниченного простран-
ственным зарядом
Электронная пушка Пирса формирует пучок электронов с поверхности катода, попе-
речное сечение которого больше поперечного сечения конечного пучка. Это необходи-
44 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
мо для того, чтобы поддерживать плотность тока на катоде в пределах нескольких ампер
на квадратный сантиметр, поэтому температуру катода следует сохранять как можно бо-
лее низкой. Как видно из рис. 1.17, эти условия могут быть достигнуты при использова-
нии вогнутой сферической поверхности катода. Эквипотенциальные линии имеют кон-
центрическую форму, а траектории электронов перпендикулярны поверхности катода.
Первеанс такой пушки Пирса можно аналитически представить в виде модели ко-
нической части сферического диода, рассчитанного Ленгмюром–Блоджеттом [21].
Здесь мы ограничимся зависимостью первеанса пушки от геометрических параме-
тров, представленных на рис. 1.18.
Сегодня компьютерные программы позволяют рассчитывать первеанс и траекто-
рии электронов для любых геометрических модификаций электронных пушек
Фокусировка электронного пучка по всей длине пространства взаимодействия
Перед рассмотрением внешних сил, используемых для фокусировки электронного
пучка, обратимся к внутренним силам, действующим в самом пучке вследствие его за-
ряда и плотности тока.
Нить
накаливания Катод
Электрод
Венельта Анод Спираль
Эквипотенциальные
поверхности
Рис. 1.17. Формирование электронного пучка в модифицированной оптической электронной
пушке Пирса
Электрод
Пирса
а б
в г
Модифицированный
электрод
Рис. 1.18. Первеанс P электродов различной конфигурации в относительных единицах, А/В-3/2.
Электрод Венельта (Пирса) сохраняет потенциал катода во всех случаях. Первеанс увеличивает-
ся с уменьшением расстояния между катодом и анодом и увеличением угла полуконуса θ (ши-
риной катода)
Расталкивающие силы пространственного заряда и магнитные силы притяжения в пучке
Для создания однородного цилиндрического пучка с равномерным распределением
осевой скорости v радиальные силы, действующие на заряженные частицы в области с
радиусом r, должны быть заданы следующими выражениями:
Fsc = Qe / (2πrε0) внешняя радиальная сила пространственного заряда; (1.48)
Fm = Qeμ0v 2 / (2 πr) внутренняя радиальная магнитная сила, (1.49)
где Q – полный заряд на единицу длины в пределах области с радиусом r.
Подставляя выражение для физической идентичности ε0μ0 = 1/c2 в отношение обе-
их собственных сил, несложно получить
Fsc /Fm = c2 / v2. (1.50)
Приведенные выше уравнения имеют два интересных следствия:
• внешняя радиальная сила пространственного заряда доминирует над эффектом
взаимного притяжения электронов при всех скоростях пучка, так как v < c. Однако
есть исключение для положительно заряженных ионов, которые нейтрализуют
пространственный заряд пучка электронов, что может привести к преобладанию
внутренней сжимающей силы. (Пример: вакуумные выключатели, где этот разру-
шительный эффект нейтрализуется применением аксиального магнитного поля);
• на внутренней границе цилиндрических полых пучков внутренний заряд Q равен
нулю, таким образом, электроны внутри полого пучка не испытывают радиальной
силы пространственного заряда!
Общее распределение пучка электронов
На рис. 1.19 мы представили распределение электронов в пучке и снижение потен-
циала для типичного несфокусированного пучка, необходимых для ЛБВ мощностью
200 Вт, работающей в Ku-диапазоне, с замедляющей системой диаметром 1 мм и дли-
ной 20 мм. Мы видим, что на отрезке длиной 1 см пучок будет расширяться, достигая
внутреннего диаметра спирали. Снижение потенциала в начале координат составляет
−45,6 В, а затем уменьшается из-за расширения пучка.
Магнитная фокусировка
Вводя пучок в аксиальное постоянное магнитное поле с амплитудой BZ = 0,33 Тл, ко-
торое способен создавать соленоид, получим пучок с небольшой волнистостью, как
Рис. 1.19. Моделирование распределения электронов и потенциала пространственного заряда с
помощью объектно-ориентированного 2,5-мерного кода XOOPIC, разработанного в Университете
Беркли в Калифорнии. Параметры моделирования : Iпучка = 110 мA, Vпучка = 7,5 кВ, радиус пучка
rпучка = 0,25 мм, внутренний радиус корпуса замедляющей системы rтрубки = 0,5 мм (см. цв. вклейку)
46 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
показано на рис. 1.20. Снижение потенциала теперь практически равномерно и со-
ставляет 45,8 В.
На рис. 1.21 показано наложение волнистости и пульсаций пучка под действием пе-
риодически расположенных постоянных магнитов (ширина магнита 7 мм) с пиковым
значением поля 0,33 Тл. Мы видим, что по сравнению с однородным магнитным полем
волнистость пучка гораздо сильнее выражена из-за наложения пульсаций и периодиче-
ского изменения магнитного поля в сочетании со значительным изменением потенци-
ала от 16 до 3 В вдоль оси соответственно. Примечание: ловушки потенциала, располо-
женные вдоль оси, могут вызывать колебания ионов, образованных путем ионизации
остаточного газа в ЛБВ. В практических конструкциях некоторые недостатки системы
периодически расположенных постоянных магнитов более чем компенсируются значи-
тельной экономией по массе, мощности, надежности и сложности настройки.
Поток Бриллюэна
Существует один частный случай электронных пучков, известный как поток Бриллюэна,
который не приводит к появлению волнистости пучка или потенциала. Простой вывод
из теоремы Буша дает выражение для поля потока Бриллюэна BzBr как функции тока
пучка I, напряжения пучка V или скорости электрона vе и радиуса пучка a:
2
0
2 e
zBr
e
I m
B
ε πa v e
= , (1.51)
1/2
6
2 1/4
( / )
8,3 10
/
zBr B I F
Вс см а В
см В
= × −
Рис. 1.20. Моделирование движения электронного пучка с током 110 мА, напряжением 7,5 кВ,
радиусом 0,25 мм в канале радиусом 0,5 мм в однородном магнитном поле с BZ = 0,33 Тл. Для мо-
делирования использован объектно-ориентированный код XOOPIC (см. цв. вклейку)
Рис. 1.21. Моделирование движения электронного пучка с током 110 мА, напряжением 7,5 кВ,
радиусом 0,25 мм в канале радиусом 0,5 мм в магнитном поле, создаваемом периодически распо-
ложенными постоянными магнитами, с пиковым значением поля 0,33 Тл. Для моделирования
использован объектно-ориентированный код XOOPIC (см. цв. вклейку)
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 47
Уравнение (1.51) используется в качестве проектной нормы при конструировании
магнитных систем ЛБВ: пиковое магнитное поле должно быть в 1,2–2 раза больше
поля Бриллюэна, чтобы гарантировать сохранение фокусировки электронного пучка
по всей длине пространства взаимодействия в ЛБВ. Согласно другому конструктор-
скому правилу, требование стабильности фокусировки по всей длине магнитного поля
должно обеспечиваться длиной периода lm расположения постоянных магнитов:
lm ≤ 418 2
e
zBr
V m
B e
. (1.52)
На рис. 1.22 показано волнообразное движение электронов в пучке, сфокусирован-
ном системой периодически расположенных постоянных магнитов. Техническая ре-
ализация фокусирующей системы периодически расположенных постоянных магни-
тов представлена на рис. 1.23.
Замедляющая система и СВЧ-взаимодействие
Типы замедляющих систем
В зависимости от уровня мощности используется несколько типов замедляющих систем:
• Спиральные – низкое энергопотребление, очень широкая полоса усиливаемых частот
(до нескольких октав), необходима поддержка спирали керамическими стержнями.
Пульсирующий поток электронов в ЛБВ с магнитной периодической фокусирующей
системой в области пространства взаимодействия: большой период между волнами
обусловлен плотностью потока электронов с катода (больший для меньшей плотности)
Малый период колебаний угловой скорости обусловлен
периодическим расположением постоянных магнитов
Рис. 1.22. Форма электронного пучка с «идеальной траекторией», проходящего от поверхности ка-
тода через магнитную периодическую фокусирующую систему в области пространства взаимо-
действия, для типичной ЛБВ Ku-диапазона. Параметры пушки Пирса: I = 150 мA, V = 7,5 кВ,
диаметр канала 1 мм, заземленная трубка, Bпик = 0,325 Tл. (Моделирование проведено с помо-
щью программы моделирования пушки в двумерном приближении, визуализация – с помощью
условно-бесплатного программного обеспечения создания виртуальной реальности. Исполнитель
В. Швертфегер, TED, Ulm. Использованы различные коэффициенты относительного масштаби-
рования r = 8 × z)
Электронный
пучок
Кольцеобразz
ный магнит Прослойка
Железный
полюсный
наконечник
Пространство
взаимодейz
ствия
Магнитное
поле
Рис. 1.23. Набор периодически расположенных постоянных магнитов с железными полюсны-
ми наконечниками и немагнитными вставками, жестко прикрепленными к герметичной ваку-
умной оболочке
48 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
• Двойная спираль с обратной навивкой – подавляет колебания обратной волны (из-
за механической сложности мало используется), нуждается в поддержке керамиче-
скими стержнями.
• Система «кольцо–стержень» – подавляет колебания обратной волны, нуждается в
поддержке керамическими стержнями.
• Штыревая система – надежная и компактная система замедления для ЛБВ с высо-
кой СВЧ-мощностью, снижает ширину полосы.
• Цепочка связанных резонаторов – узкая полоса частот, высокая мощность.
На рис. 1.24 и 1.25 представлены основные типы замедляющих систем.
СВЧ-устройства ввода и вывода
В зависимости от концепции замедляющей системы используется несколько кон-
струкций СВЧ-устройств ввода и вывода энергии. На рис. 1.26 представлены только
два примера волноводных переходов, используемых, например, для пространства вза-
имодействия с сопряженным входным резонатором, и коаксиальный переход, кото-
рый часто применяется для устройств ввода и вывода спиральных замедляющих си-
стем маломощных ЛБВ.
Теория малого сигнала (теория Пирса)
Когда Пирс разрабатывал теоретические принципы работы ЛБВ, подход Эйлера пред-
ставлял собой единственную успешную перспективу. Он рассматривал электронный
а c
tp
t
б
Рис. 1.24. а – спиральная замедляющая система: угол наклона спирали ψ определяет фазовую
скорость vp = c tan ψ = c 2πa/p, где c – скорость света, р = шаг спирали; б – замедляющая систе-
ма «двойная спираль»
а б
в
Рис. 1.25. Замедляющие системы: а – кольцо-стержень; б – штыревая или гребенчатая; в – це-
почка связанных резонаторов
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 49
пучок как заряженную среду, которая характеризуется током I со скоростью пучка (по-
тока) v0 или напряжением пучка V0 и сгустками пространственного заряда, поскольку
переменный ток i распространяется с той же частотой, что и СВЧ-волны. Как указы-
валось ранее, этот подход ограничивается прохождением малого сигнала в ЛБВ, по-
скольку эффект насыщения не возникает. В своей гениальной концепции Пирс учел
эту точку зрения Эйлера на поведение электронного пучка, но заменил пространство
замедления на модель эквивалентной линии передачи, состоящей из распределенных
индуктивностей L и емкостей С, как показано на рис. 1.27.
В результате он получил уравнение четвертой степени для постоянной распростра-
нения (замедления) волны β, известное как характеристическое уравнение
0 = 1 + ( )
2
2 2 2
e c
e c
β ββ
β−β β −β
2C3, (1.53)
C 3 =
0 4
IZ
V
, (1.54)
где С – параметр Пирса.
Уравнение имеет четыре корня, соответствующих (1.55) – (1.57):
β1,2 = βe + βeC/2 ± j √
–3
βe C/2 решения для экспоненциально
нарастающих и убывающих медленных волн; (1.55)
β3 = βe (1 − C) решение для быстрой бегущей
волны с постоянной амплитудой; (1.56)
β4 = βе (С3/4 – 1) решение для быстрой обратной
волны с постоянной амплитудой. (1.57)
Волноводный переход
к замедляющей системе
с цепочкой связанных резонаторов
Вакуумное
уплотнение
Вакуумное
уплотнение
Ступенчатый переход
для согласования
Коаксиальное
согласующее
устройство
Щель связи
Коаксиальный переход
к спиральной замедляющей
системе
Рис. 1.26. Слева: волноводный входной переход со ступенчатым преобразователем Чебышева для
точного согласования. Справа: коаксиальный выходной переход от спиральной замедляющей
системы с коаксиальным согласующим устройством и λ/4-волновые керамические окна для ва-
куумного уплотнения
Рис. 1.27. Эквивалентная модель линии передачи для спиральной замедляющей системы
50 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Смысл решений ста-
новится ясен, если вспом-
нить, что волны изменяют-
ся пропорционально ej(ωt−βz).
На рис 1.28 представлены
зависимости для четырех
решений. Учитывая только
решение с экспоненциаль-
ным возрастанием, мы по-
лучаем из (1.55) линейное
усиление мощности G на
протяжении N длин волн
ЛБВ в децибелах
G = 10 log 10 e√
–
3πCN = 47,3 · CN. (1.58)
Для выполнения граничных условий при запуске четырех волн на входе в лампу
можно получить дополнительные так называемые распределенные потери, тогда вы-
ражение (1.58) приобретает вид
G = −9,54 + 47,3 CN, (1.59)
оно является выражением для общего линейного усиления мощности лампы с учетом
распределенных потерь. Следует отметить, что эти решения не ограничиваются спи-
ральными замедляющими системами и действительны для всех типов замедляющих
систем при введении соответствующих параметров цепи.
В современном мире электроника является одной из наиболее динамично развиваю-
щихся областей науки и техники. В полной мере это относится и к имеющей более
чем столетнюю историю электронике вакуумной. Периодически предпринимаются
попытки обобщить накопленные знания и опыт, провести их анализ и на его основе
оценить перспективы важнейших направлений развития. В известной мере такая по-
пытка осуществлена и в книге, предлагаемой вашему вниманию, в подготовке которой
приняли участие 36 (!) известных специалистов по вакуумной электронике. Несмотря
на крайне ограниченный объем, авторам удалось изложить принцип работы, техни-
ческие возможности и области применения основных электровакуумных приборов и
устройств, что позволяет использовать книгу в качестве своеобразного справочника
или учебного пособия для студентов высших учебных заведений и специалистов, за-
нимающихся вопросами разработки и применения электронных компонентов в раз-
личных системах радиоэлектроники. Книга написана доступным языком, методиче-
ски сбалансирована, что позволило при редактировании ограничиться минимальным
количеством замечаний.
Н. А. Бушуев
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 1989 году в издательстве R. Oldenbourg Verlag (Мюнхен, Вена) вышел «Handbuch
der Vakuumelektronik» («Справочник по вакуумной электронике») под редакцией
Дж. Aйхмайера и Г. Гейниша. За последние 18 лет достигнут значительный прогресс в
области вакуумных электронных компонентов, систем и процессов. В настоящей кни-
ге группа из 36 известных специалистов в области производства, из научных институ-
тов и университетов представили свои сообщения об основах вакуумной электроники,
ее состоянии в настоящее время, а также информацию о последних событиях в этой
области и свой собственный опыт во всех важных областях этой науки. Работа вакуум-
ных электронных компонентов и устройств основана на движении электронов или ио-
нов под влиянием электрических, магнитных или электромагнитных полей. В настоя-
щее время исследовательская деятельность сосредоточена на разработке новых СВЧ-
устройств, особенно ламп бегущей волны, клистронов, гиротронов и СВЧ-устройств
магнетронного типа, разрядников (электронно-лучевых коммутаторов) и вакуумных
реле фотоумножителей, преобразователей и усилителей видеоизображения, а также
вакуумных и плазменных дисплеев (панелей), систем электронных и ионных пучков,
ускорителей частиц, электронных и ионных микроскопов, плазменных и ионных
двигательных установок, источников света и газовых лазеров, рентгеновских трубок,
газоразрядных систем вакуумных электронных систем для полупроводниковой техно-
логии и наконец методов измерения вакуума.
Вакуумные электронные компоненты, системы и процессы применяются для пере-
дачи информации, измерения и контроля различных параметров, а также в высокоча-
стом, ядерном, плазменном и биомедицинском оборудовании. Эта книга представля-
ет современное состояние исследований, разработки и производства вакуумной элек-
троники. Для понимания читатель должен иметь базовые знания в области электро-
ники, особенно относительно принципов вакуумной электроники. Книга может стать
полезным источником необходимой информации для студентов электротехнических
и физико-технических специальностей, а также для инженеров и физиков, которые
разрабатывают или применяют вакуумные электронные компоненты и устройства в
различных технологических областях. Для дополнительной информации предлагают-
ся дополнительные литературные источники. Все главы начинаются с исторической
справки и ссылок на уважаемых ученых и инженеров, которым принадлежат прорывы
и достижения в различных областях вакуумной электроники.
От имени всех соавторов, редакторов хочу поблагодарить Springer-Verlag, Берлин,
Гейдельберг, Нью-Йорк, за тщательное планирование и печать этой книги. Редакция
благодарит всех соавторов за их большой вклад.
Дж. Айхмайер, M. K. Тамм
Мюнхен, Карлсруэ
Январь 2008
14 Глава. Колонтитул
СПИСОК АВТОРОВ
Гельмут Баснер
Niemöllerallee 8
81739 Мюнхен, Германия
helmut.bassner@T-online.de
Карлхайнц Бланкенбах
Университет Пфорцхайма
Лаборатория дисплеев
Tiefenbronnerstr. 65
75175 Пфорцхайм, Германия
kb@displaylabor.de
Ганс-Йоахим Блум
Исследовательский центр Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
hansjoachim.bluhm@ihm.fzk.de
Маттиас Борн
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
matthias.born@philips.com
Эрнст Бош
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
ernst.bosch@thalesgroup.com
Анджей Г. Хмелевский
Институт ядерной химии и технологии
16 Dorodna street
03-185 Варшава, Польша
a.chmielewski@ichtj.waw.pl
Дитрих фон Добенек
pro-beam GmbH
Behringstr. 6
82152 Planegg bei,Мюнхен, Германия
dietrich.dobeneck@про-beam.de
Джозеф А. Айхмайер
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Elektronik
Arcisstr. 21
80290 Мюнхен, Германия
eichmeier@tum.de
Жорж Фэйллон
Thales Electron Devices
2, Rue Latécoère
F-78941 Велизи, Франция
georges.faillon@wanadoo.fr
Георг Гертнер
Philips Technology Research Laboratories,
Weisshausstr. 2
52066 Аахен, Германия
georg.gaertner@philips.com
Герхард Гесслер
Samtel Group, Германия
Söfl ingerstr. 100
89075 Ульм, Германия
gerhard.gassler@samtelgroup.de
Уве Гош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
uwe.gohs@fep.fraunhofer.de
Юрген Гстотнер
Atmel Germany GmbH
Theresienstr. 2
74072 Хейльбронн, Германия
juergen.gstoettner@hno.atmel.com
Бумсу Хань
EB-Tech Co, Ltd
Yongsan-dong 550, Yuseong-gu
Daejoen 305-500, Республика Корея
bshan@eb-tech.com
Список авторов 15
Герхард Хоблер
Technische Universität Wien
Institut für Festkörperelektronik
Floragasse 7/362
A-1040 Вена, Австрия
gerhard.hobler@tuwien.ac.at
Томас Йастель
Университет прикладных наук Мюнстера
Stegerwaldstr. 39
48656 Штайнфурт, Германия
tj@fh-muenster.de
Райнер Киллингер
EADS-Astrium
Langer Grund
74239 Мокмул, Германия
Rainer.killinger@astrium.eads.net
Вольфрам Кнапп
Университет Отто фон Герике
Магдебург
Институт экспериментальной физики
Universitätsplatz 2 39106 Магдебург, Германия
wolfram.knapp@physik.uni-magdeburg.de
Норберт Кох
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
norbert.koch@thalesgroup.com
Ганс В. П. Купс
HaWilKO PSS
Эрнст Людвиг ул. 16
64372 Обер-Рамштадт, Германия
hans.koops@T-online.de
Гюнтер Корнфельд
Thales Electron Devices GmbH
Söfl ingerstr. 100
89077 Ульм, Германия
guenter.kornfeld@thalesgroup.com
Геста Матош
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
goesta.mattausch@fep.fraunhofer.de
Йоханнес Миттерер
Technische Universität Wien
Institut für Photonik
Gusshausstr. 27-29
A-1040 Вена, Австрия
joh.mitterauer@nextra.at
Генри Моргнер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
henry.morgner@fep.fraunhofer.de
Леопольд Пальметшофер
Johannes Kepler Universität Linz
Abteilung für Festkörperphysik
Altenbergerstr. 69
4040 Линц, Австрия
leopold.palmetshofer@jku.at
Аксель Рейхман
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
axel.reichmann@fep.fraunhofer.de
Роман Ренц
Siemens AG
Передача и распределение энергии
Rohrdamm 88
13623 Берлин, Германия
roman.renz@siemens.com
Олаф Редер
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.roeder@fep.fraunhofer.de
Фридрих Rеденауэр
Австрийские исследовательские
центры/FM
Boltzmannstr. 1
2444 Зайберсдорфе, Австрия
fritz.ruedenauer@aon.at
16 Список авторов
Зигфрид. В. Шульц
(понижен в должности в 2003 г.)
Surface Solutions, Inc.
7989 Ranchers Road
Фридли, MN 55432, США
info@tincoat.net
Майк Зейдель
Институт Пауля Шеррера
CH-5232 Виллиген, Швейцария
mike.seidel@psi.ch
Манфред К. Тамм
Universität und Forschungszentrum
Карлсруэ
Institut für Hochleistungsimpulsund
Mikrowellentechnik
Postfach 3640
76021 Карлсруэ, Германия
manfred.thumm@ihm.fzk.de
Андреас Ульрих
Technische Universität München
Fakultät für Physik E 12
James-Franck-Straße
85748 Garching bei Мюнхен, Германия
andreas.ulrich@ph.tum.de
Бернд Венцель
Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Plattleite 19/29
01324 Дрезден, Германия
wenzel.bernd-dieter@vonardenne.biz
Кирстен Запф
Немецкий электронный синхротрон
Notkestr. 85
22607 Гамбург, Германия
kirsten.zapfe@desy.de
Олаф Зивитски
Институт электронно-лучевых и плазмен-
ных технологий Фраунгофера
Winterbergstr. 28
01277 Дрезден, Германия
olaf.zywitzki@fep.fraunhofer.de
Напомним, что в результате действия законов масштабирования (1.27) первеанс Р
остается постоянным в случае линейного масштабирования всех размеров.
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Г. Фэйллон, Г. Корнфельд, Е. Бош и М. К. Тамм
1.1. Введение
1.1.1. Современный уровень технологий электронных СВЧ-ламп
На протяжении более 60 лет электронные СВЧ-лампы используются во многих при-
ложениях в качестве генераторов и мощных усилителей электромагнитных волн в ди-
апазоне частот от 300 МГц до примерно несколько сотен гигагерц, а некоторые даже
в диапазоне от 1 до 2 ТГц.
Существует множество типов СВЧ-ламп, которые классифицируются на основе
рабочей частоты и мощности. В то же время их можно подразделить на две основные
категории: импульсные лампы и лампы непрерывного действия. Рабочие характери-
стики (зависимости мощности от частоты) наиболее часто используемых СВЧ-ламп
приведены на рис. 1.1.
В основном электронные СВЧ-лампы применяются в трех областях:
• радио, телевидение и телекоммуникации;
• радиолокационные станции и военные системы (особенно авиационные);
• промышленная, научная, медицинская аппаратура.
ЛБВ с цельно
металлическим
пространством
взаимодействия
Выходная мощность
(непрерывные колебания или импульсы длительностью более 10 мс)
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
100 Вт
10 Вт
1 ГВт
100 МВт
10 МВт
1 МВт
100 кВт
10 кВт
1 кВт
0.1
Пиковая мощность
(< мс)
Мощные клистроны
Гиротроны
(ГГц)
(ГГц)
Электронные
лампы с сеткой
Электронные
лампы с сеткой
Магнетрон
непрерывного действия
Магнетрон
Клистроны средней мощности
Клистроны
ЛБВ со спиральной
замедляющей
системой
Высокая мощность
Твердотельные
усилители
Твердотельные
усилители
Рис. 1.1. Выходные и импульсные характеристики (зависимости мощности от частоты колеба-
ний) различных СВЧ-ламп
18 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Хотя для характеристики эффективности СВЧ-ламп, как правило, используются
такие параметры, как мощность, КПД и усиление, однако необходимо принимать во
внимание и другие характеристики, которые будут интересны пользователю с практи-
ческой и профессиональной точек зрения. К ним относятся: ширина полосы частот,
линейность характеристик, отношение сигнал/шум, способ взаимодействия СВЧ-
колебаний с электронным пучком, масса лампы и передатчика, надежность и т. д.
1.1.2. История разработки
Более ста лет назад, в 1904 году, сэр Дж. А. Флеминг изобрел электронный вакуум-
ный прибор – диод, который сразу же начал использоваться для обнаружения элек-
тромагнитных волн, незадолго до этого продемонстрированных Г. Р. Герцем. На са-
мом деле, диод был первой электронной вакуумной лампой, конечно, пусть и с не-
достаточным уровнем вакуума. Спустя пару лет, в 1906 году, Ли де Форест, вдохнов-
ленный этим изобретением, предложил новую конструкцию – добавление в элек-
тронную лампу третьего электрода. Так появился триод. Примерно после 10 лет ис-
пытаний и дискуссий новая вакуумная лампа была успешно использована в качестве
усилителя, что в 1920-х годах привело к быстрому развитию и распространению ра-
диовещания и радиосвязи.
Исследования проводилось не только для улучшения работы триодов, также рас-
сматривались другие вакуумные устройства, работающие в высокочастотном диапа-
зоне. В 1920 году Г. Баркгаузен изобрел лампу с тормозящим полем (или рефлекс-
триод), которую можно рассматривать как первую пролетную лампу. Магнетрон был
открыт А.В. Халлом в 1921 году, а затем последовали открытия Э. Габанна и А. Жачека.
Двенадцать лет спустя был понят принцип работы такого генератора, а в 1939 году
А.Г. Бут и Дж.Т. Рэндалл использовали резонатор «клистронного» типа для концен-
трации ВЧ-полей. Изобретение оксидного катода с высоким коэффициентом вторич-
ной эмиссии было также значительным продвижением вперед. Во время Второй миро-
вой войны сильная необходимость в СВЧ-генераторах высокой мощности для радиоло-
кационных передатчиков привела к развитию магнетронов до современного уровня.
В 1953 году В. К. Браун представил усилитель со скрещенными полями (CFA), маг-
нетрон с разделением ВЧ цепи по входному и выходному сигналу. В то же время по
обе стороны Атлантического океана был создан генератор обратной волны (MBWO –
ЛОВ), или «карсинотрон», разработанный на основе усилителя со скрещенными по-
лями, но с инжектированным электронным пучком и особой конструкцией замедля-
ющей системы. Этот генератор имел преимущество – он мог настраиваться в пределах
широкого диапазона частот.
Тем не менее ни триоды, ни магнетроны не обладали широким диапазоном ча-
стот и высоким коэффициентом усиления. В 1934–35 годах, А. и О. Хайли были первы-
ми учеными, которые использовали периодическое и локализованное изменение ско-
рости электронов для получения электронных сгустков. После регистрации патентов
в 1937 году Хан и Меткаф и особенно братья Р. и Г. Варианы дали точное описание мно-
горезонаторного клистрона. Первый прототип усиливал ВЧ-сигнал до мощности около
50 Вт на частоте 3 ГГц с коэффициентом усиления 30 дБ, вскоре в клистроне было полу-
чено усиление от 30 до 50 дБ на частоте от 1 до 10 ГГц для использования, например,
в радиолокационных станциях и ускорителях частиц. По принципу действия этого
клистрона и на основе предыдущих исследований электронных отражателей без ВЧ-
полей был создан «отражательный клистрон», который с большим успехом использо-
вался в качестве собственных генераторов в радарах.
Возможность взаимодействия бегущих волн с электронным пучком была описана
в 1942 году Р. Компфнером, который разработал первую лампу бегущей волны (ЛБВ),
а спустя год использовал спираль в пространстве взаимодействия. Но реальное нача-
ло разработки ЛБВ возникло после 1946 года, когда Дж.Р. Пирс создал теоретический
фундамент работы этих ламп и решил проблему подавления большинства паразит-
ных колебаний. Связанные резонаторы были введены в конструкцию ЛБВ в 1950 году.
Эволюция ЛБВ впечатляет, когда мы узнаем, что они по-прежнему используются и
сейчас, правда, в современном исполнении.
С этого времени вследствие больших потребностей военной промышленности и
выпуска бытовых приборов началось промышленное производство электронных ламп.
Конечно, исследования и разработка новых устройств сильно продвинулись вперед не
только в деле улучшения действующих ламп и замены их новыми в соответствии с
требованиями пользователей (более высокие частоты, более продолжительный срок
службы, большие мощности и ширина полосы частот), но также вследствие конкурен-
ции с транзисторами и твердотельными приборами, а в настоящее время – для созда-
ния комбинированных устройств.
Последние 40 лет можно охарактеризовать следующими основными инновацион-
ными разработками [1]:
• коаксиальный магнетрон, магнетрон с быстрой перестройкой частоты.
Массовое производство магнетронов в 1960-х годах для производства микровол-
новых печей;
• ЛБВ с паяными и обжатыми спиралями, в основном использовавшиеся до 1980-х
годов в радиолокационных передатчиках и наземных станциях радиосвязи.
ЛБВ со спиралями с переменным шагом для повышения эффективности взаи-
модействия.
Электронные пушки с сетками и внедрение пропитанных катодов в 1970-х годах.
Затем разработка ЛБВ была сориентирована на внедрение коллекторов с мно-
гоступенчатой рекуперацией и коллекторов с охлаждением за счет излучения.
С 1962 ЛБВ космического назначения используются на спутниках;
• настраиваемые клистроны или клистроны с мгновенной шириной полосы частот
(10 %) для телевидения и связи.
Лампы с индуктивным выходом (IOT).
Многолучевые клистроны средней мощности, которые в основном использова-
лись в СССР с 1960-х по 1980-е годы.
Пароохлаждаемые коллекторы и 300-киловольтные импульсные электронные
пушки.
Клистроны непрерывного действия с высоким КПД (65 %), высокой импульс-
ной (десятки мегаватт) и непрерывной (1,3 МВт) мощностью.
Многолучевые клистроны высокой мощности (МЛК), применяемые с 1995 года;
• недавно появившиеся гиротроны, которые представляют собой лампы, способ-
ные генерировать большую мощность (порядка нескольких мегаватт) при высо-
ких частотах (100 ГГц).
В 1959 году, не зная о работах астрофизика Р. К. Твисса, Й. Шнайдер в США и
А. В. Гапонова в России, предложили объяснение механизма усиления, основанно-
го на гироизлучении свободных электронов. Но первые успешные эксперименты
имели место в 1970-х и привлекли внимание в 1980-е годы благодаря поддержке на-
учного сообщества, занимающегося вопросами термоядерного синтеза и получения
плазмы, особенно в Европе. И теперь после решения большинства трудных техно-
логических проблем (создание сверхпроводящих электромагнитов, окон из сапфи-
ра или алмаза) налажено производство и продолжаются новые разработки гиротро-
нов и многомодовых волноводов с малыми потерями или с квазиоптическими ли-
ниями передачи.
Структура рынка начала меняться примерно 20 лет назад и требования стали более
конкретными, серьезными и жесткими, что помешало массовому производству электрон-
ных ламп. Тем не менее после слияния и реорганизации многих производителей элек-
тронных ламп сложилась структура их применения, как показано в подразделе 1.1.
В то же время новые исследования и разработки ведутся в направлении повышения
эффективности [1] как более высокочастотных устройств, так и ламп большей мощно-
сти, а также в направлении передовых технологий: эмиссия с холодных катодов, нано-
технологии, миниатюризация и оптимизация усилителей в целом.
1.1.3. Основные принципы работы и определения терминов
Основные принципы работы
Электронной СВЧ-лампой называется откачанный (вакуумный) прибор, внутри ко-
торого электронный пучок взаимодействует с электромагнитными волнами [2, 3]. Это
означает, что электроны пучка отдают часть своей кинетической или потенциальной
энергии электромагнитной волне, создавая или усиливая ее. Поскольку в целом из-
вестно, как создавать, а затем ускорять электронный пучок или, другими словами, да-
вать ему энергию, особенно благодаря использованию электронных пушек высокого
напряжения, цель этой книги заключается в том, чтобы пойти дальше и представить
физические процессы взаимодействия и передачи энергии электронного пучка элек-
тромагнитной волне. Такой процесс включает в себя несколько отдельных или одно-
временно происходящих физических явлений.
1. Формирование и ускорение электронного пучка.
2. Периодическая группировка электронов с частотой f. Эта группировка начина-
ется под действием входной ВЧ-мощности, которой является мощность возбуж-
дения колебаний Pd в случае усилителя или мощность электромагнитного шума в
случае генератора.
3. Замедление пучков (или сокращение их релятивистской массы) таким образом,
что их кинетическая или потенциальная энергия превращается в электромагнит-
ную или СВЧ-энергию с частотой f.
4. Передача этой микроволновой энергии за пределы лампы – превращение ее в
выходную мощность лампы POUT.
Характеристики и определения
Для обеспечения работы СВЧ-лампы [4] прежде всего необходимо нагреть катод, из-
лучающий электроны, путем подключения нити накаливания к источнику электроэ-
нергии PF = VFIF. Затем на катод и анод подается питание (P0 = V0I0) в целях получения
электронного пучка с необходимой энергией, который будет двигаться со скоростью
v0, проводя ток силой I0, что задается двумя нерелятивистскими выражениями (реля-
тивистские выражения будут даны ниже):
mv0
2/2 = eV0, (1.1)
I0 = PV0
3/2, (1.2)
где P – коэффициент, относящийся к конструкции пушки и именуемый первеансом.
Для фокусировки пучка используется магнитное поле [5]. Это поле создается либо
постоянным магнитом (магнитами), либо электромагнитом с потребляемой мощно-
1.1. Введение 21
стью PFOC. В случае генератора входной СВЧ-сигнал отсутствует и лампа непосред-
ственно преобразует энергию пучка в СВЧ-энергию с частотой f. Пусть POUT явля-
ется выходной мощностью лампы. Тогда общий КПД лампы составляет η = POUT/
(PF + V0I0 + PFOC), а КПД взаимодействия – ηвз = POUT /V0I0.
Колебания начинаются не сразу после приложения напряжения V0, а спустя вре-
мя задержки τ1, которое может иметь различную продолжительность, как показано на
рис. 1.2. Затем в течение времени нарастания τ2 выходная мощность увеличивается до
номинального уровня POUT. В течение этого времени τ2 частота f изменяется, а затем
стабилизируется.
Мощность POUT зависит от силы анодного тока I0 и сопротивления нагрузки ZL, как
показано на диаграмме Рика (рис. 1.2). Пусковое Δf/ΔI0 и затягивающее Δf/ΔφL отно-
шения, измеренные при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки (или ко-
эффициенте стоячей волны (КСВ)), характеризуют чувствительности частоты лам-
пового генератора, где φL является фазой сопротивления нагрузки ZL. Иногда имеет
смысл ограничивать или контролировать частоту колебаний f с помощью управляю-
щего сигнала мощностью Рс < РOUT при частоте fC (близкой к f), который подается на
выход лампы. Для данной мощности Pc отношение Адлера дает полный диапазон ча-
стот, в пределах которых возможно это ограничение: Δfmax = 2 fc / Qх / c OUT P P .
В случае усилителя ВЧ-сигнал мощностью Рd и частотой f подается на вход лампы
и затем усиливается до мощности POUT. Общий КПД усилителя определяется практиче-
ски тем же способом, что и для генератора: η = POUT / (PF + V0I0 + PFOC + Pd), а КПД взаимодействия опять же составляет ηвз = POUT/V0I0. Соотношение G = POUT/Pd является величиной усиления, которое часто выражается в децибелах (дБ) как G = 10log10(POUT/Pd).
Обычно передаточная характеристика POUT/Pd (рис. 1.3) показывает почти линейную
зависимость при низких уровнях сигнала и участок насыщения при больших сигна-
τ1: длительность фронта
импульса запуска
τ2: Rise time – время
нарастания
СВЧ сигнала
τ1 τ2
: крутизна нарастания частоты
: затягивание частоты при постоянном коэффициенте отражения от нагрузки
ΔflΔI0
ΔflΔФL
Высокое напряжение на катоде V0
Выходная СВЧ мощность POUT
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
МГц
Рис. 1.2. Генераторы
Амплитудноzчастотная
характеристика
Pd – постоянная входная мощность
POUT – максимальная мощность
на частоте f0
Pd – настраивается, чтобы везде
получить максимальную
мощность POUT
Pd – постоянная мощность
малого уровня
1 дБ
Рис. 1.3. Усилители
22 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
лах. Ширина диапазона, как правило, измеряемая на уровне -1 дБ, определяется на
основе изменения выходной мощности POUT в зависимости от частоты с коррекцией
Pd на каждой частоте, чтобы максимально увеличить POUT. Ширина диапазона может
быть определена при постоянной Pd, например, с поправкой на величину данной мак-
симальной POUT (см. рис. 1.3).
Групповая задержка τg = dφ/dω представляет собой задержку сигнала внутри лампо-
вого усилителя φ(f), которая является сдвигом фаз между входом и выходом. Влияние
сопротивления нагрузки ZL представлено на диаграмме Рика, где построены кривые
зависимости POUT (ZL).
Основные физические законы движения электронных пучков
Уравнение движения электронов и релятивистские поправки
На электроны в СВЧ-лампах при их взаимодействии с высокочастотными волнами
влияют только определенные силы, которыми нельзя пренебречь. Эти силы называ-
ются электромагнитными силами Лоренца. Все другие силы, например обусловлен-
ные спином или гравитацией соответственно, на 11 или 16 порядков ниже.
Из релятивистского уравнения движения одного электрона
d(meve)/dt = −e(E + veB), (1.3)
mc = 0
1 ( / )2 B
m
− v c
, (1.4)
ve = c 1 1/(1 ( / ))2 n − +V V , (1.5)
где заряд е = 1,60 × 10-19 Кл, ve – релятивистская скорость электронов, me – релятивистская
масса электрона; т0 = 9,11 × 10-31 кг – масса покоя электрона, с – скорость света, V – уско-
ряющее напряжение; Vn = т0с2/е = 511 кВ – ускоряющее напряжение для получения экви-
валента массы покоя одного электрона с учетом релятивистского увеличения массы.
Можно сделать вывод, что кинетическая энергия электрона (или другой заряжен-
ной частицы) может быть изменена только электрическим, а не магнитным полем B,
так как вектор магнитной силы Лоренца FL = –е(vВ) перпендикулярен скорости v и
B, и потому, что скалярное произведение двух ортогональных векторов всегда равно
нулю. Таким образом, передача энергии от пучка электронов ВЧ-волне и в обратном
направлении происходит всегда только за счет электрических компонентов поля ВЧ-
волны и объемного заряда пучков.
dEкин = Fds = −e(E + v B)v dt = −eEv dt, (1.6)
где ds является элементом линейного пути вдоль траектории.
Это не означает, что магнитное поле В не так важно. Наоборот, магнитное поле не-
обходимо для поддержания свойств сфокусированных пучков (см. подраздел 1.3).
Уравнения Максвелла
Поскольку расчет движения большого числа электронов в пучке находится далеко за
пределами вычислительной мощности современных компьютеров, во многих случа-
ях движение частиц можно описать с помощью теоретических уравнений Максвелла.
Здесь напряженности полей Е и В самосогласованно определяются собственными
плотностями заряда и тока ρ и j, для определения которых требуется решение множе-
ства дифференциальных уравнений в соответствии с граничными и начальными усло-
виями для полей E и B. Уравнения Максвелла не способны описать локализованные
процессы столкновения или даже прохождения частиц, которые происходят в элек-
тронных лампах в состоянии, близком к насыщению. Тем не менее они позволяют
сделать полезные выводы и выдвинуть общие соображения симметрии, а также соз-
дать основу для различных видов компьютерного моделирования.
divE = ρ/ε0 плотность заряда источника электрических полей E; (1.7)
rotE = −δB/δt закон индукции; (1.8)
divB = 0 магнитное поле является источником
свободных немагнитных единичных полюсов; (1.9)
rot B = −μ0j + ε0μ0δE/δt; rot B = −μ0 j для стационарных пучков. (1.10)
Из стационарных уравнений Максвелла можно заключить, что электрические и
магнитные поля E и B могут быть получены из скалярного потенциала φ и векторно-
го потенциала А в виде
E = −grad φ, (1.11)
B = rotA. (1.12)
Вводя эти выражения в уравнения Максвелла (1.7) и (1.10), получим уравнения для
тех потенциалов, которые определены в пространстве плотностью заряда ρ и плотно-
стью тока пучка j соответственно:
div grad φ = −ρ/ε0 уравнение Пуассона (уравнение Лапласа для ρ = 0); (1.13)
rot rotA = −μ0 j. (1.14)
Поскольку влиянием плотности тока j на магнитное поле можно в большинстве
случаев полностью пренебречь по сравнению с внешними магнитными полями, чет-
вертое уравнение Максвелла (1.10) сводится для стационарного случая к следующему
выражению:
rot B = 0 при незначительном текущем воздействии
на магнитное поле B; (1.15)
B = −μ0 grad Ω если магнитное поле B определяется
скалярным потенциалом Ω; (1.16)
div grad Ω = 0 магнитный эквивалент уравнения
Лапласа для электрического поля. (1.17)
В этом случае, как и для скалярного электрического потенциала φ, можно опреде-
лить магнитный скалярный потенциал Ω, тогда выражение (1.17) станет магнитным
эквивалентом уравнения Лапласа (1.13) для электрического поля.
24 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Теорема Буша
Как прямое следствие уравнений Максвелла в
аксиально-симметричной (цилиндрической)
системе координат, теорема Буша очень важ-
на для анализа магнитной фокусировки ли-
нейных электронных пучков (рис. 1.4). Она
констатирует закон сохранения, действую-
щий вдоль траектории электрона: сумма мо-
мента mevθr углового движения электрона от-
носительно оси z и магнитного потока Φ, па-
раллельного оси симметрии, проходящей че-
рез круговую область траектории с радиусом r,
и умноженного на коэффициент e/2π, являет-
ся величиной постоянной.
mev θ r + e/2π·Φ = const теорема Буша действительна (1.18)
вдоль траекторий заряженных частиц
в цилиндрических симметричных
те θ' r2 + e/2π·Φ = const системах координат (рис. 1.4).
Поскольку при катодной эмиссии угловая скорость равна нулю в соответствии с
теоремой Буша (1.18), угловая скорость v θ, или θ' в S, просто определяется двумя зна-
чениями потока ΦK, Φ и радиусом r (при θ’, равной угловой скорости вокруг оси z).
Есть много других приложений теоремы Буша. Некоторые из них будут приведены в
главе, посвященной фокусировке электронного пучка.
Законы масштабирования
Геометрическое подобие (масштабирование) СВЧ-ламп часто используется, когда по
отработанной конструкции лампы, работающей на частоте f1, нужно создать лампу но-
вой конструкции, работающую на частоте f2. Поскольку размеры лампы масштабиру-
ют при длине ВЧ-волны λ или обратно пропорционально частоте f, то коэффициент
масштабирования γ для всех линейных размеров составляет
γ = λ2 / λ1 = f1/ f 2 масштабирование по частоте. 1.19)
Теперь возникает вопрос, как масштабировать электромагнитные свойства лампы,
чтобы получить идентичные траектории электронного пучка в масштабе системы ко-
ординат х2.
Ответ можно получить с помощью уравнений Максвелла. Легко показать с помо-
щью подстановки, что уравнения Максвелла остаются инвариантными при масшта-
бировании в новой системе координат х2 при применении следующих законов мас-
штабирования:
х2 = γ х1 линейное геометрическое масштабирование всех (1.20)
размеров в системе х1 с коэффициентом γ
для новой системы координат х2;
E2 = γ-1 E1 для электрического поля, (1.21)
Рис. 1.4. Теорема Буша в цилиндрической
симметричной системе координат
B2 = γ -1B1 для магнитного поля; (1.22)
φ2 = γ0 φ1 для электрического потенциала; (1.23)
А2 = γ0А1 для векторного потенциала; (1.24)
j2 = γ-2 j1 для плотности тока (1.25)
I2 = γ0I1 для общего тока (электронной пушки); (1.26)
Р2 = γ0P1 для первеанса P = IV-3/2. (1.27)
С учетом указанных выше законов масштабирования понятно, почему можно при-
мерно масштабировать допустимую мощность POUT СВЧ-лампы данной конструкции
на частоте f2 или что POUT · f2 = const.
Допустим, лампа масштабируется с коэффициентом γ = 1/ 2 для удвоения частоты
f2 = 2 f1. Если все потенциалы электродов остаются постоянными, то будут постоянны-
ми общий ток и потребляемая мощность. Но так как плотность тока масштабируется
с коэффициентом γ-2, мы получаем в 4 раза большую тепловую нагрузку в критически
важных областях. Поэтому, чтобы сохранить значение тепловой нагрузки на матери-
ал в тех же самых пределах, при удвоенной частоте нужно использовать для допусти-
мой мощности коэффициент масштабирования только 1/4. Ссылки по теме масшта-
бирования даны в [6].
Формирование пучка в электронной пушке
Вначале рассмотрим эмиссию электронов с поверхности катода. В настоящее время в
основном используются диспенсерные катоды пропитанного типа на основе Ва-, Са-
алюминатов. Так как они подробно описаны в главе 10, мы ограничимся здесь только
напоминанием законов эмиссии для этого типа термоэлектронных излучателей, кото-
рые имеют работу выхода φ и температуру катода T .
Электронная эмиссия нагретого катода (термоэлектронная эмиссия)
В режиме термоэлектронной эмиссии с ограничением рабочих температур (все ис-
пускаемые электроны покидают поверхность катода) плотность тока js насыщения
эмиссии задается уравнением Ричардсона–Дешмана (1911 г.; Нобелевская премия,
1928 г.):
js = А (1 – r )T2 e–φ /kТ, (1.28)
где A = 4πem0k2/h3 = 120 A/(см2K2), k – постоянная Больцмана, r – квантово-меха-
нический коэффициент отражения, на границе металл/вакуум равен нулю.
Более совершенная формула Шоттки включает электрическое поле Е на поверхно-
сти и называется уравнением Ричардсона–Дешмана–Шоттки:
js = A T2 e−φ/kT eKa*E
1/2
при Ka = (e3/4πε0)1/2/kT. (1.29)
Эмиссия, ограниченная пространственным зарядом
В связи с ограничением, накладываемым пространственным зарядом, максималь-
ный ток эмиссии катода js не может быть получен в СВЧ-лампах с линейными пучка-
ми. Только катоды гиротронов могут работать в режиме температурного ограничения.
Электронные заряды, инжектируемые в определенном объеме, который соответствует
26 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
граничным условиям для электростатического потенциала
φ, изменяют распределение потенциала внутри этого объ-
ема. Как следствие, данный объем будет проницаем толь-
ко для тока определенной величины, поскольку простран-
ственный заряд ограничивает ток эмиссии. Следующие вы-
ражения описывают эмиссию планарного диода (рис. 1.5),
ограниченную пространственным зарядом:
j0 = [(2,335 · 10−6) Vа
3/2 ]/d2 закон Чайлда–Ленгмюра (1.30)
для диода с плотностью тока, ограниченного
пространственным зарядом;
I0 = (2,335 · 10–6) Vа
3/2(F/d2) закон Чайлда–Ленгмюра для полного тока;
P = 2,335 · 10–6(F/d2) P – первеанс диода, F – площадь диода. (1.31)
Нужно отметить, что ток, ограниченный пространственным зарядом, не зависит
ни от температуры катода, ни от природы эмиссии катода (работы выхода φ), но толь-
ко от приложенного напряжения и геометрии пушки. Здесь d – размер диода, F – пло-
щадь диода (см. рис. 1.6 и 1.7). Результат (1.30) можно обобщить в следующем виде:
I0 = P Vа
3/2 – закон Чайлда–Ленгмюра для полного тока. (1.32)
Катод
В
Анод
Рис. 1.5. Планарный диод
Область тока
в тормозящем поле
Область пространственного заряда (II)
Область температурного ограничения (I)
Рис. 1.6. График зависимости катодной эмиссии от приложенного анодного напряжения. При
достаточно высоких напряжениях сила тока ограничивается током насыщения согласно уравне-
нию Ричардсона–Дашмана–Шоттки
Область температурного
ограничения (I)
Область пространственного заряда (II)
Область тока
в тормозящем поле (III)
Рис. 1.7. График зависимости катодной эмиссии от температуры. При низких температурах ка-
тодная эмиссия ограничена температурой. При так называемых переломных температурах эмис-
сию ограничивает пространственный заряд, и она перестает зависеть от температуры
1.2. Клистроны 27
Напомним, что в результате действия законов масштабирования (1.27) первеанс Р
остается постоянным в случае линейного масштабирования всех размеров.
1.2. Клистроны
1.2.1. Клистронные усилители
Введение
Клистроны являются электронными ламповыми усилителями, предназначенными в
основном для использования на высоких частотах от 0,3 ГГц до примерно 30 ГГц. Они
характеризуются высоким усилением (около 50 дБ) и высокой выходной мощностью:
• 3 кВт при настройке частоты непрерывных колебаний от 14 до 14,5 ГГц с КПД η =
40 %,
• 60 МВт при импульсах длительностью 4 мкс и частоте 3 ГГц (η = 38 %),
• 1,3 МВт на частоте непрерывных колебаний 352 МГц с КПД до 65 %,
• 500 кВт на частоте непрерывных колебаний 3,7 ГГц с КПД η = 45 %.
Однако почти у всех клистронов мгновенная полоса частот довольно ограничен-
на. В клистроне (рис. 1.8) основные функции разделены, поэтому их конструкцию и
технологические параметры можно оптимизировать для каждой отдельной функции.
Этими функциями являются эмиссия электронов, магнитная фокусировка пучка,
Вода
Диафрагма
Окно
Выходной контур
Электромагнит
Входная ВЧ
мощность (Pd)
Анод
Высоковольтный
изолятор
Высоковольтные соединения
(F: нить накала , FK: катод)
Катод
Электронный пучок
Пространство
дрейфа (4)
Система
настройки (5)
Резонатор (5)
Входной резонатор
Выходной резонатор
Коллектор
Ионный насос
Выходная
мощность
в нагрузку (Pout)
Рис. 1.8. Поперечное сечение клистрона
28 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
группировка электронов или модуляция плотностью пучка, получение ВЧ-энергии и,
наконец, рассеяние остаточной энергии пучка.
Взаимодействие в клистроне: модуляции и отбор энергии
Благодаря более высоким напряжениям V0 на катоде по сравнению с анодом, элек-
тронная пушка Пирса формирует электронный пучок, который переносит ток силой
I0 = PV0
3/2 согласно выражению (1.2). Магнитное поле Bz (z) поддерживает форму пуч-
ка, приближенную к цилиндрической по всей длине лампы. После выхода из анода
электроны проходят через первый, или входной объемный резонатор. Этот резонатор
возбуждает слабый входной сигнал мощностью Pd, который подвергается усилению.
Частота f этого сигнала примерно равна f0 – резонансной частоте резонатора. Входной
резонатор предназначен для создания резонанса на его основной моде TM110 (прямоу-
гольной) или TM010 (круговой) с максимальной напряженностью электрического поля
E1 в центре лампы, где пролетают электроны [7]. Кроме того, это электрическое поле
электронный пучок
зазор
пространство
дрейфа
1 й резонатор 2 й резонатор
зазор
Рис. 1.9. Модуляция пучка вдоль клистрона
1 й резонатор
2 й резонатор
3 й резонатор
или
Рис. 1.10. Диаграмма Аплгейта z (t)
1.2. Клистроны 29
усиливают резонаторы, расположенные по обе стороны пространства дрейфа, вход-
ные зазоры которых открываются в полость этого пространства (рис. 1.9).
Электроны, движущиеся через узкий зазор из полости резонатора, находятся под
действием периодического электрического поля E1еjωt. Половину периода они ускоря-
ются, а вторую половину замедляются (рис. 1.10). Следовательно, быстро движущие-
ся электроны данного полупериода догоняют медленно движущиеся электроны преды-
дущего полупериода, в результате формируются электронные сгустки. Другими слова-
ми, модуляция скорости электронов во входном резонаторе создает модуляцию тока
пучка в пространстве (трубе) дрейфа, который выражается как Iсгустка(z, t) [8, 9].
Во втором резонаторе на расстоянии L1 формируются сгустки электронов. Ток
пучка Iпучка (z, t) индуцирует ток I2 в этом резонаторе, который вызывает напряже-
ние V2 = Z2 I2 (или электрическое поле Е2) на разных концах зазора при сопротивле-
нии резонатора Z2. В свою очередь напряжение V2 (или электрическое поле E2) соз-
дает новую модуляцию по скорости электронов, которая, как правило, намного пре-
вышает предыдущую модуляцию. Опять же третий резонатор устанавливают на рас-
стоянии L2 и т. д.
Процесс повторяется в каждом пространстве дрейфа и в каждом резонаторе вдоль
клистрона, пока в последнем, или выходном, резонаторе пучок не станет очень узким
и плотным. В последнем, выходном резонаторе существует очень высокий индукци-
онный (наведенный) ток IN , который создает высокое напряжение резонатора VN = ZN
IN. Затем электронные сгустки сильно тормозятся этим напряжением VN (или ЕN), так
что они сами становятся генераторами энергии. Таким образом, в выходном резонато-
ре они отдают большую часть своей кинетической энергии электромагнитному полю,
которое усиливается и поддерживает VN (или EN). Эта энергия, запасенная в резонато-
ре, дает выходную мощность POUT =VN
2/ 2ZL, которая направляется в нагрузку через ди-
афрагму или петлю связи и окно связи (рис. 1.8 и 1.11). Выходная мощность POUT явля-
ется результатом усиления клистроном мощности Pd. Как правило, клистроны имеют
от четырех до шести резонаторов, коэффициент усиления (POUT/Pd) – примерно 50 дБ,
КПД взаимодействия (POUT/V0I0) – от 35 % до 65 %.
Взаимодействия между первым и вторым резонаторами
С учетом нескольких упрощений соотношение между V1 и Pd задается выражением
а Резонатор
б
в
Резонатор
Волновод Нагрузка
Нагрузка
пучка
Диафрагма или
петля связи
Рис. 1.11. Эквивалентная схема резонатора клистрона
30 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
2 1
2 2 0
1
0
8 ( / ) 1 x d
R f f
V QQ Q P Q
Q f f
− =⎛⎜⎝ ⎞⎟⎠ ⎡⎢⎣⎢+ ⎛⎜⎝ − ⎞⎟⎠⎤⎥⎦⎥
, (1.33)
где f0 – резонансная частота резонатора, f – рабочая частота [8, 9, 11].
Решая уравнение для электрона, попадающего в зазор резонатора со скоростью v0
(1.1), получаем скорость v(d1) на выходе из зазора
v (d1) = v0
1 1
0
1 j t MV
e
V
ω ⎛ ⎞
⎝⎜ + ⎟⎠
, (1.34),
где t – момент времени, когда электроны проходят центр зазора, и
М1 = 1 1
0 0
sin /
2 2
d d
v v
М1 – коэффициент связи.
Электроны покидают резонатор и проходят в следующее пространство (трубу)
дрейфа на скорости, заданной уравнением (1.34).
Из-за периодичности модуляции (рис. 1.10) с течением времени электроны меня-
ют свое положение (одни собираются, другие рассеиваются) и формируются сгуст-
ки, по одному за период. Модуляция скорости, вызванная прохождением электро-
нов через первый резонатор, приводит к пространственной модуляции плотности
электронов, т. е. модуляции тока в трубе дрейфа. Этот ток вдоль оси z задается вы-
ражением
Ib (z, t) = I0 + 2 I0 1 n Σ∞J (nX) cos n (ωt – ωz/v0), (1.35)
где X = M1(V1/2V0) (ωz/v0), Jn – функции Бесселя, I0 – постоянный ток или средний ток
пучка, формулу для M1 см. выше.
Уравнение (1.35) позволяет рассчитать гармоники. Максимум первой гармоники
(п = 1) составляет 1,16 I0 и находится на расстоянии z = L1 от центра зазора первого ре-
зонатора, так что X = 1,84. Максимум второй гармоники (n = 2) составляет 0,96 I0, и он
находится на расстоянии z = L2, так что X = 1,54 [8, 9]. Второй резонатор, как прави-
ло, расположен на расстоянии примерно z = L1, где происходит формирование элек-
тронных сгустков.
В отличие от входа в первый резонатор скорость электрона v (L1, t) из (1.34) и ток
I (L1, t) из (1.35) у входа во второй резонатор изменяются и модулируются с течением
времени. Ток пучка Iпучка I (z, t) проходит через зазор (шириной d2) второго резонатора.
Iпучка(z, t) – мгновенный ток вдоль оси z в момент времени t.
Каждый электрон индуцирует положительный заряд на стенках трубы дрейфа и
особенно резонатора. Таким образом, в момент t ток I2 (t), индуцированный внутри
резонатора, представляет собой сумму всех зарядов, индуцированных электронами в
зазоре в момент времени t. Это может быть выражено математически, поскольку I2 (t)
является интегралом Iпучка(z, t) на интервале от L1 до L1 + d2..
После расчетов выражение для I2 (t) состоит из трех основных слагаемых:
• I0 – средний ток, который не взаимодействует с резонатором;
• I21 = M2Iпучка 1e jωt, (1.36)
1.2. Клистроны 31
где M2Iпучка 1e jωt – первая гармоника тока пучка Iпучка(z, t) при L1 + d2/2 и коэффици-
енте связи M2 , который определяется по формуле (1.38) (см. ниже);
• I22 = jG0(V2/D2)[exp(−jD2/2)][cos(D2/2) − sin(D2/2)/(D2/2)], (1.37)
где G0 = I0/V0 и D2 = ωd2/V0. Выражение для напряжения V2, индуцированного во вто-
ром резонаторе (между концами зазора, находящимися на расстоянии d2), будет дано
далее в подразделе 1.2.1.
Движение электронов во втором резонаторе
Коэффициенты связи, например M2, всегда меньше 1. Это отражает тот факт, что поле
E2 = −V2 ejωt/d2, воздействующее на электрон, является функцией времени и изменя-
ется, когда электрон проходит через зазор резонатора. В приведенных выше расче-
тах рассматривался идеальный зазор в виде воображаемой сетки [9]. Если теперь мы
рассмотрим реальный зазор с электрическим полем, которое простирается в соседние
пространства дрейфа, расположенные слева и справа, и изменяется в осевом и ради-
альном направлениях, то общее выражение для M2 будет иметь вид:
/
2 2
0
2
0
1
( ,0)
( ,0)
a
j z v
a M E z e rdrdz
E z rdrdz
ω
∞
∞
−∞
−∞
= ∫ ∫
∫ ∫
, (1.38)
где 2 2 E (z,0)rdrdz V
∞
−∞
∫ = .
Чем меньше ширина зазора d и радиусы а или b, тем ближе M2 к 1. Только когда D2 ≥
1,2 рад и ωb /v0 ≥ 1 рад, можно в значительной степени снизить величину M2. Эти фак-
торы определяют ширину зазора d2, диаметр трубы дрейфа 2b и диаметр пучка элек-
тронов 2а, учитывая, что коэффициент заполнения a/b ≈ 0,6 и что b и d2 также связаны
с величиной отношения R/Q резонатора.
Соотношение I22/V2 является проводимостью нагрузки пучка Yнагр.пучка = Gнагр.пучка +
jBнагр.пучка. Положительное значение Gнагр.пучка показывает, что модулированный элек-
тронный пучок отдает энергию, тогда как отрицательное значение свидетельствует,
что энергия отдается электронному пучку. Величина Gнагр.пучка достигает максимума при
D2 = π и становится отрицательной после D2 = 2π. Таким образом, если резонатор име-
ет зазор D2 = (ωd2/v0) > 2π, значение Gнагр.пучка будет отрицательным, Gнагр.пучка + Gс также
может быть отрицательным, и могут наблюдаться колебания (так называемые «моно-
тронные» колебания). Gс – это проводимость, характеризующая потери в резонаторе,
ω = 2πf связана не только с основной рабочей модой резонатора, но и с любым из мно-
гочисленных резонансов при высоких частотах.
Приведенные выше выражения определяют эквивалентную схему второго резона-
тора и подходят для любого из промежуточных резонаторов. Эта эквивалентная схе-
ма представляет собой колебательный контур, показанный на рис. 1.11, который воз-
буждается наведенным током I21, его нагрузкой являются «потери» проводимости Gс и
проводимость нагрузки пучка Yнагр.пучка.
Пространственный (объемный) заряд
До сих пор мы пренебрегали пространственным зарядом, т. е. отталкивающей силой
между электронами, которая, естественно, стремится разделить их, препятствуя тем
самым группировке. Если мы нарушим электронный пучок в состоянии равновесия пу-
тем перемещения одного электрона относительно других, то этот электрон будет оттал-
киваться своими соседями, а затем возвращаться в положение равновесия, из которого
снова будет вылетать, прежде чем перейдет обратно в равновесное положение, как кача-
ющийся маятник. Это движение имеет место в пределах пучка, движущегося со скоро-
стью v0. Частота таких колебаний (известная как плазменная частота fплазм = ωплзам/2π) за-
дается согласно выражению ω2
плазм = (е/m) (ρ0/ε0), где ρ0 = J0 / v 0 – плотность заряда пуч-
ка, J 0 ≈ I0/ πа2 – плотность тока [10]. Тем не менее это выражение несколько неточно,
поскольку при определении истинной плазменной частоты fq нужно принимать во вни-
мание параметры металлической или проводящей стенки трубы дрейфа.
С учетом объемного заряда изменяется второй член v(d, t) в выражении (1.34), ко-
торый должен быть умножен на cos(ωqz /v0). Кроме того, выражение (1.35) также при-
обретает другой вид при введении объемного заряда. X становится равным
X = М1 (V1/2V0)
0
cos q
q
z
v
ω ω
ω
При ωq ⇒ 0 это выражение принимает исходный вид.
Переход электронов из второго резонатора в выходной резонатор
Ток I2 создает напряжение V2 = Z2(f). Ток I2 проходит через зазор второго резонатора.
Напряжение в свою очередь модулирует скорость электронов, причем эта модуляция
необязательно происходит в фазе с предыдущими модуляциями, но значительно боль-
ше по величине. В трубе дрейфа между вторым и третьим резонаторами новые моду-
ляции скорости преобразуются в свою очередь в модуляции плотности или модуляции
тока (рис.1.10). Этот итерационный процесс продолжается до тех пор, пока каждый
добавленный резонатор не будет оказывать влияния на модуляции [9].
Последний резонатор является выходным и характеризуется высокой степенью
связи с внешней нагрузкой, то есть устройством пользователя, к которому подклю-
чена лампа. С практической точки зрения для этого соединения используются петли
связи или диафрагмы (см. рис.1.8). Эквивалентная схема, представленная выше, отно-
сится ко всем резонаторам, в том числе и к последнему выходному, который подклю-
чен к нагрузке (рис.1.11, б и рис. 1.11, в). Если теперь предположить, что выражение
для нагрузки пучка не имеет мнимой части (Y нагр.пучка = 1 / Z нагр.пучка = G нагр.пучка), как и
выражение для нагрузки (YL = 1 / ZL = GL = 1 / (R/Q)Q L ), мы получаем
Y N = (1 + 2 QNΔ) / (R / Q) QN , (1.39)
где Δ ≈ (ω – ω0) / ω0 = (f – f 0) / f 0 и 1/ Q N = 1/Q с + 1/ Q нагр.пучка + 1/ QL.
Тогда
V = IN/Y N. (1.40)
Таким образом, выходную мощность РOUT можно записать в виде
POUT = 1/2 VN
2 G L = 1/2 IN
2 GL QN
2 (R/Q)2/ (1 + 4 QN
2 Δ2). (1.41)
Это выражение может быть использовано для получения усиления G = POUT/ Pd и
КПД взаимодействия η = POUT / V0 I 0.
Методология, которую мы использовали в подразделе 1.2.1, показывает, как вели-
чину POUT можно вывести из Pd посредством формул (1.33)–(1.41). Однако важно иметь
в виду, что эти выражения имеют место только для «слабых» полей или сигналов. Как
только Pd возрастает по абсолютной величине (т.е. увеличиваются модуляции), мы уже
имеем дело не с линейной задачей и уравнением для POUT, как задано в (1.41), ситуация
становится все более сложной и плохо поддается анализу. Нелинейности в основном
появляются за счет сил группировки электронов и объемного заряда.
Для подобных случаев необходимы более полные и сложные расчеты, для кото-
рых обязательно потребуются расчетные мощности компьютера. Компьютер позволя-
ет проанализировать значительно больше информации, чем просто нелинейные явле-
ния, а также учитывать радиальные движения (которыми мы пренебрегали в предыду-
щих расчетах), трехмерный характер определенных явлений, релятивистские эффек-
ты и движение отраженных электронов. Образно говоря, такие возможности предпо-
лагают решение уравнения движения электрона для изменяющихся электромагнит-
ных полей и полей пространственного заряда.
Оптимизация выходной мощности
В настоящее время в основном применяются клистроны с четырьмя, пятью и шестью
резонаторами. Эти резонаторы постепенно увеличивают силу СВЧ-тока пучка Iпучка,
затем величины IN и POUT , несмотря на силы объемного заряда, которые становят-
ся все более действенными по мере увеличения Iпучка. В то же время для оптимизации
POUТ дисперсия скоростей должна быть низкой: (v − v0)/v0 ≤ (10 – 20 %), чтобы избе-
жать отражения электронов от выходного резонатора. Таким образом, частоты проме-
жуточных резонаторов должны быть тщательно настроены, чтобы привести в соответ-
ствие напряжения на зазоре по амплитуде и фазе и в то же время для контроля СВЧ-
тока пучка и дисперсии скоростей.
В некоторых клистронах используют резонатор, настроенный на вторую гармони-
ку, который резонирует на частоте, немного меньшей, чем 2f0. Такой резонатор воз-
буждает вторую гармонику тока пучка и генерирует напряжение, которое усиливает
группировку и повышает КПД. Этот резонатор обычно размещается после второго ре-
зонатора, где электроны уже сосредоточены в интервале фаз, меньшем или равном π.
В зависимости от значения импеданса ZL абсолютная величина VN = Z N I N может
превышать V0, которое представляет собой напряжение, соответствующее средней
скорости электронов. Если VN превышает V0, электроны будут тормозиться, а некото-
рые даже отражаться обратно в направлении резонаторов и катода, который будет соз-
давать перехват пучка, что может привести к нарушению работы клистрона или даже
необратимым повреждениям.
При прохождении сильных сигналов выходной резонатор действует как генератор
тока с внутренним сопротивлением R* вблизи рабочей точки. Таким образом, POUT ста-
новится максимальной, когда ZL = R*. Поскольку диафрагма или петля связи преоб-
разуют сопротивление нагрузки устройства пользователя (радиолокационная антен-
на или антенна передатчика, ускорители) в сопротивление нагрузки резонатора, эти
устройства связи должны быть настроены так, чтобы ZL = R* для максимизации вы-
ходной мощности.
Конструирование и технологии создания клистронов
Представление различных этапов взаимодействия электронов в клистроне позволяет
нам понять его устройство, которое строится вокруг пучка электронов с одной сторо-
ны и резонаторов и пространств (трубок) дрейфа – с другой. С технологической точки
зрения, как показано на рис. 1.8, составляющими элементами клистрона являются:
34 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
• электронная пушка Пирса с высоковольтным изолятором и катодом. Высоко-
вольтный изолятор представляет собой цилиндр из алюминия, расположенный
между анодом и катодом. Его размеры таковы, что напряженность постоянного
электрического поля меньше предельного напряжения пробоя. Эмиссия электро-
нов с тройной точки сведена к минимуму благодаря экрану, который называется
кольцом-антикороной. Анод заземлен по соображениям безопасности, поэтому на
пушке и катоде, как правило, отрицательное напряжение;
• модулирующие резонаторы (обычно частота настраивается на заводе-изго-
товителе);
• последний, или выходной, резонатор связан с выходным волноводом петлей связи
или диафрагмой;
• выходное окно (окна) расположено в волноводе (волноводах) и отделяет внешнюю
атмосферу от внутреннего вакуума (≈ 10-8 тор) внутри лампы. Для усиления возбуж-
даемой мощности, как правило, ее вводят в первый резонатор через коаксиальное
соединение, которое также герметично благодаря небольшому размеру окна ввода;
• коллектор, функция которого состоит в сборе электронов после их взаимодействия
в последнем резонаторе и рассеяния их оставшейся энергии. Кроме того, он дол-
жен быть в состоянии рассеять всю энергию пучка электронов, когда Pd = 0, а затем
POUT = 0. Следовательно, необходимо его эффективное охлаждение. Коллектор,
как правило, имеет тот же потенциал, что и корпус или анод;
• магнитный контур, включая электромагнит, или постоянный магнит (магниты),
и два полюсных наконечника, расположенных вблизи анода и между коллекто-
ром и выходным резонатором. Эти полюсные наконечники концентрируют маг-
нитный поток, чтобы получить необходимое фокусирующее поле BZ, параллельное
оси (значение ВR/BZ должно быть больше нескольких %).
Вакуум, как правило, поддерживается благодаря небольшому ионно-геттерному
насосу. Однако этот насос не всегда необходим, поскольку сам пучок выполняет отка-
чивающие функции. Ускоренные электроны ионизируют остаточные газы. Тогда по-
рожденные ионы электрически притягиваются к пучку и медленно перемещаются к
катоду.
1.2.2. Многолучевые клистроны
Ограничения в увеличении выходной мощности POUT в клистроне
Как было отмечено в подразделе 1.2.1, силы пространственного заряда препятствуют
идеальной группировке электронов. Эти силы отталкивания проявляются в виде плаз-
менной частоты ωq или ωплазм, которая пропорциональна квадратному корню из пер-
веанса P.
В обычном клистроне первеанс пучка находится в интервале от 0,5 до 2,5 × 10-6 А·В-3/2.
Значение первеанса Р = 2,5 × 10-6 А·В-3/2 является практическим пределом, превысив
который трудно сохранять цилиндрическую форму электронных пучков и фокусиро-
вать их без заметного токооседания. Когда первеанс высок, КПД низок. В то же вре-
мя мгновенная полоса частот расширяется примерно до 5 % или более, вместо обыч-
ных 1–2 %. Этот факт объясняется высоким значением проводимости нагрузки пучка
Gнагр.пучка, пропорциональной PV0
1/2, которая затухает во всех резонаторах.
Напротив, первеанс P = 0,5 × 10-6 А·В-3/2 является практическим нижним преде-
лом, меньше которого малая сила тока I0 диктует неприемлемо высокое напряже-
ние пучка V0 и вызывает множество трудностей с изоляцией клистрона, а также все-
го передатчика или оборудования. Но низкий первеанс благоприятен для высоко-
го КПД взаимодействия, поскольку можно добиться хорошей группировки электро-
нов. В заключение следует сказать, что наибольшая выходная мощность может быть
получена путем увеличения либо тока пучка I0, либо напряжения V0. В первом слу-
чае первеанс важен; однако КПД значительно снижается, а мгновенная ширина по-
лосы частот увеличивается, и возникают трудности с управлением и фокусировкой
пучка. Во втором случае первеанс сохраняется низким, КПД – высоким, но основ-
ные ограничения возникают из-за поломок и практического использования высоко-
го напряжения.
Многолучевые клистроны
Многолучевые клистроны (МЛК) позволяют достичь значительной выходной мощно-
сти с большим КПД и в то же время с приемлемо высоким напряжением пучка, несмо-
тря на очень высокий первеанс. В обычных или однолучевых клистронах (ОЛК) исполь-
зуется только один пучок электронов, который перемещается вдоль общей оси лампы
и магнита. В МЛК, наоборот, используется несколько (N) электронных пучков, кото-
рые вместе проходят все резонаторы, но каждый – по своей трубе дрейфа (рис. 1.12).
Окно
Коллектор
Резонатор
Электронный
пучок (4)
Электромагнит
Катоды (4)
Высоковольтная
изоляция
Рис. 1.12. Многолучевые клистроны (4 пучка)
36 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Таким образом, каждый электронный пучок имеет малый ток i0, что дает высокий КПД.
Принимается во внимание весь ток Ni0, следовательно, при одной и той же выходной
СВЧ-мощности POUT = V0ηNi0 напряжение на катоде является умеренным и даже низ-
ким. Например, рассмотрим клистрон с шестью или семью пучками (лучами). Первеанс
одного пучка составляет около (0,5–0,6) × 10-6 А·В-3/2, а общий первеанс P = Ni0V0
-3/2 ≈
≈ (3–4) × 10-6 А·В-3/2. КПД взаимодействия примерно равен 65 %.
По сравнению с ОЛК напряжение на катоде V0, как правило, уменьшается пример-
но на 40 %. Следовательно, напряженность электрических полей E0 снижается, про-
изведение E0V0 (кВ2/мм), которое интерпретируется как вероятность возникновения
пробоя, также сокращается более чем на 50 %, что приводит к возможности гораздо
более безопасной и надежной работы при более продолжительных импульсах или на-
пряжении постоянного тока.
Резонаторы этих клистронов имеют цилиндрическую форму. Режим СВЧ-резо-
нанса, как правило, является обычным – ТМ010-волна, а трубки дрейфа, через которые
проходят электронные пучки, сосредоточены вокруг оси [7], как показано на рис. 1.13.
Структура СВЧ-поля дает возможность взаимодействия в фазе каждого электронно-
го пучка, как и высокие коэффициенты связи M между электронами и электрическим
СВЧ-полем Е, несмотря на изменения величины E в зависимости от радиуса и воз-
можного влияния магнитного ВЧ-поля, которыми нельзя пренебречь.
Суммарный высокий первеанс электронных пучков увеличивает проводимость
нагрузки пучка в резонаторе. Следовательно, мгновенная полоса частот становится
шире примерно в 5 раз. Наконец, конструкция резонаторов разработана таким обра-
зом, чтобы соседние моды (режимы) значительно отличались от моды, действующей
в данный момент. Повод заключается в том, чтобы предотвратить монотронные коле-
бания (см. подраздел 1.2.1), возбуждаемые большим общим током пучков Ni0.
Пучок электронов достаточно трудно сфокусировать, поскольку его ось смеще-
на и не совпадает с осью трубы дрейфа, создавая значительное радиальное магнитное
поле BR. Поэтому электромагнит оснащен несколькими полюсными наконечниками.
Аксиальное поле остается почти постоянным, а относительная радиальная компонен-
та BR/BZ меньше, чем несколько процентов.
Короче говоря, основными характеристиками МЛК являются гораздо более низ-
кое напряжение на катоде, большие КПД и/или широкая полоса частот. В результа-
те мы получаем:
• небольшие габаритные размеры устройства и снижение электрической мощности
источника питания;
• снижение риска пробоя или искрения, следовательно, более широкое использова-
ние высоковольтной изоляции в воздухе, чем в масле;
• меньше рентгеновских паразитных излучений;
• повышенную надежность.
Рис. 1.13. Резонатор МЛК (7 пучков)
Однако разработчики должны принимать во внимание следующие две проблемы:
• фокусировка и передача N пучков, N – 1 из которых (по крайней мере) смещены
относительно оси трубы дрейфа и магнитного поля;
• ликвидация или затухание паразитных колебаний в резонаторах, которые могут
представлять множество мод высших порядков.
1.2.3. Лампы с индуктивным выходом (IOT)
В нижней части спектра частот, например около 500 МГц, в полосах для телевизион-
ного вещания наземные передатчики обычно оснащены выходными каскадами на па-
раллельно соединенных Si- и SiC-транзисторах. Однако выходная СВЧ-мощность
ограничена несколькими сотнями ватт. Для достижения гораздо большей выходной
мощности в диапазоне десятков киловатт уже в течение длительного времени исполь-
зуются вакуумные лампы благодаря своей надежности и высокой эффективности. Эти
лампы могут быть представлены триодами, тетродами [11], клистронами, а теперь в
основном лампами с индуктивным выходом (IOT).
Для триодов усиление мощности составляет от 13 до 15 дБ, у тетродов же усиление
очень низкое. С другой стороны, большой размер и непрактичный способ настройки
частоты в резонаторах ТВ-клистронов не очень привлекает производителей. Вот по-
чему примерно 20 лет назад были разработаны гибридные IOT-лампы для основного
использования в передатчиках, работающих в диапазоне 470–830 MГц, при мощности
несколько десятков киловатт и усилении от 20 до 23 дБ, что совместимо с твердотель-
ными генераторами.
Лампы с индуктивным выходом представляют собой модификацию, разработан-
ную на основе обычных коаксиальных ламп с сеткой с линейным пучком, только
с одним резонатором (рис. 1.14). Электронная пушка типа пушки Пирса со сфериче-
Выходная
мощность Pout
Пространство
дрейфа
Электронный пучок
Коллектор
Выходной
резонатор
Сетка
Высоковольтная
изоляция
Катод
Входная
мощность Pd
Рис. 1.14. Лампа с индуктивным выходом (IOT)
38 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
ским катодом и модулирующей сеткой G1 формирует сходящийся электронный пучок
со средним током I0, который модулируется периодическим напряжением VG в ВЧ-
диапазоне частот f.
Во избежание пробоев нельзя допускать никаких СВЧ-взаимодействий в ускоря-
ющем пространстве между сеткой и анодом. Вот почему пушка разработана так, что-
бы в этот промежуток не было доступа СВЧ-энергии. Такая энергия может подходить
снаружи лампы или вследствие утечки из коаксиального зазора между катодом и сет-
чатым резонатором, а также из выходного резонатора через анод. Кроме того, в этом
пространстве не должно возникать никаких колебаний, поэтому следует устранить все
микроволновые резонансы.
Электронные сгустки между сеткой и анодом ускоряются высоким напряжением
VA, которое достигает 30 кВ и выше, что значительно превышает 8–10 кВ – предельное
напряжение триодов. После анода электронные пучки проходят через резонатор кли-
стронного типа, где передают большую часть своей кинетической энергии волноводу
или коаксиальному кабелю, чтобы дать выходную СВЧ-мощность POUT. Процесс про-
исходит точно так же, как в выходном резонаторе обычных клистронов. Следует от-
метить, что слишком высокое напряжение торможения в резонаторе может отразить
электроны к катоду и повредить лампу.
Наконец, оставшаяся энергия электронов рассеивается в коллекторе. Поскольку
пучок короткий и не имеет цилиндрической формы, фокусировка упрощена, и про-
сто необходимо установить постоянный магнит вокруг анода. С технологической точ-
ки зрения наиболее важной частью является сетка электронной пушки, и не только
потому, что она расположена очень близко (на расстоянии примерно 1 мм) к горячему
катоду, но и потому, что нужно инжектировать мощность возбуждения колебаний Pd в
область пушки, которая имеет очень высокий потенциал V ≈ -30 кВ. Это реализовано
с помощью петли связи и СВЧ-ловушек, конструкция которых трудна для изготовле-
ния. Кстати отметим, что в большинстве ламп анод заземлен из соображений электро-
безопасности, именно поэтому напряжения пушки и катода повышены до –VА.
Прежде чем завершить этот подраздел, следует указать следующие особенности:
• наличие сетки рядом с горячим катодом и конструкция коаксиального резонатора
ограничивают максимальные рабочие частоты до 1,5 ГГц;
• высокое напряжение VА практически ограничено необходимостью использовать
воздух, а не масло для изоляции пушки, в том числе резонатора катод–сетка.
Наконец, IOT-лампы являются очень удобными устройствами, работающими с
частотами ниже 1,5 ГГц при высоком напряжении около 30 кВ. Усиление составляет
примерно 22–23 дБ, КПД – 55 % при выходной ВЧ-мощности от 10 до 100 кВт.
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ)
1.3.1. Введение
Возвращаясь к началу XXI века и посмотрев на историю и эволюцию приборов СВЧ
(как описано в подразделе 1.1.2), мы могли бы задаться вопросом, почему лампа бе-
гущей волны (ЛБВ) (Линденблад, 1940 г.; Компфнер, 1942 г.), которая является яв-
ной реализацией принципа генерации микроволн в электронных лампах, была изо-
бретена позже магнетрона (А. В. Халл, 1921 г.; К. Постумус, 1933 г.) и клистрона
(Р.Г. и С.Э. Варианы, 1937 г.). Ограниченный обмен информацией в ходе войны, воз-
можно, был причиной того, что о патенте США, выданном Линденбладу [12], не
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 39
было известно доктору Рудольфу Компфнеру, австрийскому беженцу, который рабо-
тал над СВЧ-устройствами для британского Адмиралтейства, и что прошли годы с мо-
мента подтвержденного документами изобретения принципа работы ЛБВ до опубли-
кования работ Компфнера [13] в 1946 году.
В самом деле, ЛБВ имеет все необходимые элементы для генерации СВЧ-энергии,
которые геометрически разделены в определенной, обоснованной физически форме.
Эти элементы служат для формирования электронного пучка и его ускорения в элек-
тронной пушке, передачи мощности от электронного пучка усиливаемой СВЧ-волне
в области взаимодействия и сбора электронов в коллекторе после их торможения.
Дополнительными элементами являются входное и выходное устройства связи в на-
чале и конце пространства взаимодействия и магнитная система фокусировки пучка.
В отличие от простого с физической точки зрения принципа работы ЛБВ для из-
готовления этих ламп используются самые сложные технологии среди приборов СВЧ.
Необходимо сфокусировать электронный пучок с высокой плотностью мощности,
чтобы он прошел через малоразмерные спирали, длина которых более чем в 100 раз
больше их диаметра (от 0,3 мм (60 ГГц) до 4 мм (1,5 ГГц)), что требует изготовления
устройства с очень малыми допусками между элементами, формирующими пучок, и
магнитной фокусирующей системой. Хрупкие структуры замедляющих систем огра-
ничивают достижимую ВЧ-мощность по сравнению с объемными резонаторами маг-
нетронов или клистронов. Разница в уровне технологий и возможности получения
мощности на момент появления ЛБВ представлена в таблице 1.1.
Хотя основное различие в возможности передачи мощности оставалось прежним
на протяжении многих лет (см. рис. 1.1), разработка ЛБВ продолжалась из-за их вы-
сокой линейности и способности работать в широкой полосе частот, и сейчас они
превратились в основные СВЧ-усилители, которые используются в наземных и осо-
бенно в космических телекоммуникационных системах. Другие области примене-
ния ЛБВ: источники когерентного СВЧ-излучения для обзорных радиолокаторов и
систем наведения, спутники на основе наземных обзорных радиолокационных стан-
ций и широкополосные усилители для устройств радиоэлектронной защиты (пода-
вления).
На рис 1.15 представлена конструкция ЛБВ в разрезе, показывающем основные функ-
циональные элементы, включая фокусирующие периодически расположенные посто-
янные магниты и четырехступенчатный электростатический коллектор.
Таблица 1.1. Выходная мощность и применение первых магнетронов С-диапазона, клистронов
и ЛБВ в период начала промышленного производства ЛБВ. Данные взяты из [14–16] для магне-
тронов, клистронов и ЛБВ соответственно
Данные Магнетроны Клистроны ЛБВ
Годы 1942 1949 1952
Производитель Western Electric
Братья Варианы
в Стэнфордском
университете
STC
Тип WE 718 Mark III
Приложение Радиолокационные
станции
Линейные ускорители
электронов
Телевидение,
наземные станции
связи
Частота 2,7–2,9 ГГц 2,85 ГГц 3,6–4,4 ГГц
Выходная мощность 193 кВт, импульсы 12 МВт, импульсы
длительностью 1 мкс
2 Вт, непрерывные
колебания
На рис 1.16 показана электрическая цепь, необходимая для работы ЛБВ (с двухсту-
пенчатым коллектором). Вакуумная оболочка, содержащая электронную пушку, про-
странство ВЧ-взаимодействия и коллектор, откачана до давления 10-9 Мбар. Для под-
вода электропитания к электронной пушке и коллектору, а также для герметизации
окон и СВЧ-устройств ввода и вывода использована технология пайки металл/кера-
мика. Далее мы рассмотрим движение электронов, начиная с их эмиссии до оседания
в коллекторе.
Электрическая цепь и электронная пушка
Для получения эмиссии электронного тока IK с поверхности термокатода его нагрева-
ют до рабочей яркостной температуры TC, равной примерно 1000°С, путем подведения
к нити накаливания мощности питания, создаваемой напряжением VF и током нака-
ла IF при отрицательном потенциале катода VK = -VH. Приложение положительных по-
тенциалов VG2, VH, VC1, VC2 заставляет электроны проходить через вакуум к соответству-
ющим электродам, а оттуда по замкнутым цепям через соответствующие источники
питания – обратно к катоду. При более подробном рассмотрении становится видно,
что вначале формируется пучок ускоренных электронов, который фокусируется пери-
одической системой постоянных магнитов. Пучок проходит через спираль простран-
ства взаимодействия и в конечном итоге большая часть пучка собирается электрода-
ми коллектора. Кинетическая мощность пучка ускоренных электронов Pпучка = IKVН,
СВЧ вход
катод спираль
Постоянные магниты
Замедляющая система Коллектор
СВЧ выход
Электронная пушка
Рис. 1.15. Конструкция ЛБВ в разрезе, показывающем основные функциональные элементы:
фокусирующие периодически расположенные постоянные магниты и электростатический че-
тырехступенчатый коллектор
Нить
накаливания
Катод
Электрод
Венельта
СВЧ вход
Спираль
СВЧ выход
Коллектор 1
Коллектор 2
Поглотитель
Магнитная фокусирующая
система
Анод
UF
5В
UG2
3500 В
UH
3370 В
UC1
1130 В
UC2
600 В
IG2 IH IK
Рис. 1.16. Электрическая схема ЛБВ с двухступенчатым коллектором
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 41
входящих в пространство взаимодействия при заземляющем потенциале, переходит в
потенциальную энергию, питающую различные электроды, при переходе отрицатель-
но заряженных электронов от электродов с потенциалами VG2, VH, VC1, VC2 к отрица-
тельно заряженному катоду VK = - VH. Таким образом, основными являются источни-
ки питания коллектора, поскольку анод и спираль пространства взаимодействия по-
лучают очень небольшую мощность PG2 = I G2 V G2 и PH = IH VH из-за малых токов пере-
хвата IG2 и IН.
На входе в пространство взаимодействия оптическая система электронной пушки
формирует электронный пучок с очень малым диаметром. Пучок характеризуется ко-
эффициентом сходимости CF, который является отношением площади поверхности
катода к площади поперечного сечения пучка. Для различных ЛБВ коэффициент CF
может варьироваться в диапазоне 1–100. Для очень хорошей фокусировки пучка ко-
эффициент CF нужно поддерживать ниже примерно 30.
Фокусирующая и замедляющая системы /область ВЧ-взаимодействия
Замедляющая система – это часть ЛБВ, где проходит основное взаимодействие в ЛБВ
и поддерживается потенциал корпуса. В этом кроется определенное преимущество,
поскольку величиной тока перехвата IH электронного пучка, который нужно контро-
лировать в безопасных эксплуатационных пределах, намного проще управлять при за-
земляющем потенциале. Здесь индекс «H» указывает на «спирали» (англ. helix) про-
странства взаимодействия, которые используются во многих конструкциях ЛБВ.
Чтобы избежать перехвата тока пучка замедляющей системой вследствие расталкива-
ющих радиальных сил пространственного заряда в пучке, в фокусирующую систему
вводят компенсирующую магнитную силу. Для этого используются постоянные осе-
симметричные магнитные поля, создаваемые соленоидами, или периодические поля,
создаваемые несколькими постоянными магнитами. Достаточно подробная инфор-
мация о концепции фокусировки представлена ниже в подразделе 1.3.2.
В пространство взаимодействия ВЧ-мощность P1 подается через окно ВЧ-ввода. Она
проходит по пространству взаимодействия с ограниченной фазовой скоростью vр, при-
близительно равной скорости электронов в пучке. Взаимодействуя с электронным пуч-
ком, СВЧ-волна усиливается по направлению к выходу до мощности P2. Как правило,
пространство взаимодействия разбивают на входную и выходную секции для ограниче-
ния усиления в каждой секции. В центральном разрыве пространства взаимодействия
волна ослабляется, чтобы избежать отражений и паразитных колебаний в этих частях.
Максимальное усиление может быть получено, когда электроны движутся немного
быстрее волны. При этом условии фазовая скорость равна скорости движущегося плот-
ного сгустка электронов vсгустка, который формируется в тормозящей фазе волны. Эта
скорость равна скорости медленной волны пространственного заряда минус скорость
электронного пучка, движущегося обратно, -vSC или, если смотреть из точки, располо-
женной за пределами лампы, то скорость сгустка равна ve − vsc. Таким образом,
vp = ve − vsc = vсгустка . (1.42)
Это основное условие синхронизма в ЛБВ. Понимание этого взаимодействия и
процесса СВЧ-усиления можно пояснить следующими наблюдениями. Предположим,
что электроны, движущиеся в замедляющей и ускоряющей фазах СВЧ-поля, ведут
себя как устойчивый поток машин, едущих по холмистой дороге. При подъеме авто-
мобили замедляются, и их плотность увеличивается. Противоположная картина на-
блюдается при спуске с холма. Таким образом, мы создаем «сгустки» автомобилей на
42 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
подъеме, которые могут существовать постоянно, несмотря на то, что отдельные ма-
шины давно уже съехали с холма. Для нашей электронной системы это означает, что
электронный сгусток существует и увеличивается определенное время в тормозящей
фазе по отношению к волне. В связи с торможением электронов сгустка, которое при-
водит к росту плотности пространственного заряда и соответственно росту СВЧ-тока,
максимальное количество кинетической энергии электронов при условии синхрониз-
ма расходуется на усиление волны. Таким образом, при идеальном синхронизме мы
получаем максимальное усиление мощности ЛБВ. Количественное рассмотрение вза-
имодействия электронного пучка и СВЧ-волны дано Пирсом в подразделе 1.3.3.
В конце замедляющей системы мы наблюдаем следующие процессы: а) передачу
мощности P2 усиленной СВЧ-волны через вывод энергии на нагрузку, б) замедление
пучка с широким спектром скоростей отдельных электронов. В зависимости от КПД
взаимодействия пучок отдает от 65 % до 95 % его первоначальной кинетической энер-
гии, которая восстанавливается в коллекторе электронов примерно до 80 %.
Для понимания физики взаимодействия следует отметить, что линейный ускори-
тель (LINAC), который передает энергию от распространяющейся волны потоку заря-
женных частиц (например электронов), можно понимать как устройство, действую-
щее по принципу, обратному ЛБВ. Для оптимального ускорения и группировки элек-
тронов в растущий сгусток необходима связь СВЧ-волны с быстро растущим про-
странственным зарядом пучка частиц, следовательно, условие синхронизма LINAC
можно представить в виде
vp = ve + vsc = vсгустка. (1.43)
Это означает, что в LINAC СВЧ-волны должны двигаться быстрее, чем заряжен-
ные частицы (например электроны) в целях поддержания синхронизма с растущим
сгустком во время ускорения отдельных частиц в сгустке. Другими словами, фронт
волны в ускоряющей фазе уплотняет медленно движущиеся одиночные частицы в ра-
стущем сгустке, который движется с фазовой скоростью.
Имея в виду эту инверсию, мы могли бы задаться вопросом, почему ЛБВ была изо-
бретена только в 1942 году, несмотря на то, что принцип линейного ускорителя был
описан еще в 1924 году Густавом Изингом, шведским физиком, и построен уже в 1928
году норвежским инженером Рольфом Видере.
Коллектор
Первые коллекторы для ЛБВ имели одну ступень, как и коллекторы клистронов с по-
тенциалом земли (VC = VH). В заземленном электроде коллектора токовая петля связи
была закрыта для большей части IС током электронного пучка Iпучка. Так как рассеян-
ный электронный пучок при входе в коллектор несет еще много кинетической энер-
гии, эта энергия термически рассеивается, когда электроны ударяются о стенки кол-
лектора. Теперь мы можем определить рассеиваемую мощность PC расс.
Предполагая, что генерация СВЧ-мощности P2 определяется только электронами,
входящими в коллектор, вследствие сохранения энергии мы можем записать для рас-
сеиваемой мощности в одноступенчатом коллекторе
PC расс = ICVC − P2, (1.44)
где P2 – СВЧ-мощность (основная и относящаяся к гармоникам), созданная в про-
странстве замедления.
Целью разработчиков ЛБВ является сокращение всех потерь, особенно потерь в
коллекторах. Согласно (1.44) для заданной выходной мощности P2 это можно сделать
двумя способами: во-первых, за счет снижения тока пучка и, следовательно, тока кол-
лектора IC, необходимых для получения выходной мощности P2, для чего следует улуч-
шить взаимодействие пучка и СВЧ-волны в замедляющей системе; во-вторых, за счет
снижения напряжения VC коллектора по сравнению с катодом. Это уменьшение на-
пряжения коллектора возможно до тех пор, пока самые медленные электроны рас-
сеянного пучка при входе в коллектор имеют достаточную кинетическую энергию
Екин,мин, чтобы достичь электрического потенциала на поверхности коллектора:
Ekin,min > |e(VH − VC)|, (1.45)
где е – элементарный заряд электрона.
В современных космических системах снижение напряжения в ЛБВ составляет до
(VH − VC)/V H = 0,55. Поскольку для постоянного шага спирали КПД взаимодействия
пучка η0 составляет около 13 %, Г. Фолькштейн произвел научный прорыв, когда в
1958 году добился КПД 30 % для ЛБВ с пониженным напряжением на одноступенча-
том коллекторе.
Аналогичные выводы могут быть сделаны, когда вводятся i ступеней коллектора
с последовательно понижаемым напряжением для дальнейшего замедления быстрых
электронов. В формуле (1.44) слагаемое ICVC является электрической мощностью ис-
точника питания одной ступени, его можно заменить суммой мощностей источни-
ков питания i ступеней гораздо меньшей величины, тогда мощность, необходимая для
рассеивания энергии электронов, будет иметь вид
PC,расс = i Ci Ci 2
Σ I V −P , (1.46)
Ei,кин > |e (VCi – VCi –1)|. (1.47)
В (1.47) входные условия для остаточной кинетической энергии электронов для
ступени i связаны с увеличением потенциальной энергии электронов, входящих в сту-
пень i + 1. Оригинальную конструкцию коллектора с 10 ступенями снижения напря-
жения создали Нойгебауер и Мигран [18] в 1972 году. Она позволила повысить КПД
данного клистрона с 54 % (одна ступень) до 70,9 %. В современных ЛБВ для косми-
ческого применения наилучшим компромиссом между повышением КПД и сложно-
стью конструкции являются коллекторы с 3–5 ступенями снижения напряжения в за-
висимости от спектра скоростей замедленных электронов пучка. В таких ЛБВ с четы-
рехступенчатым коллектором может быть получен общий КПД 74 % .
1.3.3. Физические основы работы ЛБВ
После качественного описания концепции ЛБВ и общих принципов работы ниже
приведены основные физические закономерности и более подробное рассмотрение ее
отдельных компонентов. Для детального изучения необходимы дополнительные учеб-
ники. Среди прочего мы рекомендуем три книги на английском языке [6, 19, 20].
Электронная пушка Пирса для создания электронного пучка, ограниченного простран-
ственным зарядом
Электронная пушка Пирса формирует пучок электронов с поверхности катода, попе-
речное сечение которого больше поперечного сечения конечного пучка. Это необходи-
44 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
мо для того, чтобы поддерживать плотность тока на катоде в пределах нескольких ампер
на квадратный сантиметр, поэтому температуру катода следует сохранять как можно бо-
лее низкой. Как видно из рис. 1.17, эти условия могут быть достигнуты при использова-
нии вогнутой сферической поверхности катода. Эквипотенциальные линии имеют кон-
центрическую форму, а траектории электронов перпендикулярны поверхности катода.
Первеанс такой пушки Пирса можно аналитически представить в виде модели ко-
нической части сферического диода, рассчитанного Ленгмюром–Блоджеттом [21].
Здесь мы ограничимся зависимостью первеанса пушки от геометрических параме-
тров, представленных на рис. 1.18.
Сегодня компьютерные программы позволяют рассчитывать первеанс и траекто-
рии электронов для любых геометрических модификаций электронных пушек
Фокусировка электронного пучка по всей длине пространства взаимодействия
Перед рассмотрением внешних сил, используемых для фокусировки электронного
пучка, обратимся к внутренним силам, действующим в самом пучке вследствие его за-
ряда и плотности тока.
Нить
накаливания Катод
Электрод
Венельта Анод Спираль
Эквипотенциальные
поверхности
Рис. 1.17. Формирование электронного пучка в модифицированной оптической электронной
пушке Пирса
Электрод
Пирса
а б
в г
Модифицированный
электрод
Рис. 1.18. Первеанс P электродов различной конфигурации в относительных единицах, А/В-3/2.
Электрод Венельта (Пирса) сохраняет потенциал катода во всех случаях. Первеанс увеличивает-
ся с уменьшением расстояния между катодом и анодом и увеличением угла полуконуса θ (ши-
риной катода)
Расталкивающие силы пространственного заряда и магнитные силы притяжения в пучке
Для создания однородного цилиндрического пучка с равномерным распределением
осевой скорости v радиальные силы, действующие на заряженные частицы в области с
радиусом r, должны быть заданы следующими выражениями:
Fsc = Qe / (2πrε0) внешняя радиальная сила пространственного заряда; (1.48)
Fm = Qeμ0v 2 / (2 πr) внутренняя радиальная магнитная сила, (1.49)
где Q – полный заряд на единицу длины в пределах области с радиусом r.
Подставляя выражение для физической идентичности ε0μ0 = 1/c2 в отношение обе-
их собственных сил, несложно получить
Fsc /Fm = c2 / v2. (1.50)
Приведенные выше уравнения имеют два интересных следствия:
• внешняя радиальная сила пространственного заряда доминирует над эффектом
взаимного притяжения электронов при всех скоростях пучка, так как v < c. Однако
есть исключение для положительно заряженных ионов, которые нейтрализуют
пространственный заряд пучка электронов, что может привести к преобладанию
внутренней сжимающей силы. (Пример: вакуумные выключатели, где этот разру-
шительный эффект нейтрализуется применением аксиального магнитного поля);
• на внутренней границе цилиндрических полых пучков внутренний заряд Q равен
нулю, таким образом, электроны внутри полого пучка не испытывают радиальной
силы пространственного заряда!
Общее распределение пучка электронов
На рис. 1.19 мы представили распределение электронов в пучке и снижение потен-
циала для типичного несфокусированного пучка, необходимых для ЛБВ мощностью
200 Вт, работающей в Ku-диапазоне, с замедляющей системой диаметром 1 мм и дли-
ной 20 мм. Мы видим, что на отрезке длиной 1 см пучок будет расширяться, достигая
внутреннего диаметра спирали. Снижение потенциала в начале координат составляет
−45,6 В, а затем уменьшается из-за расширения пучка.
Магнитная фокусировка
Вводя пучок в аксиальное постоянное магнитное поле с амплитудой BZ = 0,33 Тл, ко-
торое способен создавать соленоид, получим пучок с небольшой волнистостью, как
Рис. 1.19. Моделирование распределения электронов и потенциала пространственного заряда с
помощью объектно-ориентированного 2,5-мерного кода XOOPIC, разработанного в Университете
Беркли в Калифорнии. Параметры моделирования : Iпучка = 110 мA, Vпучка = 7,5 кВ, радиус пучка
rпучка = 0,25 мм, внутренний радиус корпуса замедляющей системы rтрубки = 0,5 мм (см. цв. вклейку)
46 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
показано на рис. 1.20. Снижение потенциала теперь практически равномерно и со-
ставляет 45,8 В.
На рис. 1.21 показано наложение волнистости и пульсаций пучка под действием пе-
риодически расположенных постоянных магнитов (ширина магнита 7 мм) с пиковым
значением поля 0,33 Тл. Мы видим, что по сравнению с однородным магнитным полем
волнистость пучка гораздо сильнее выражена из-за наложения пульсаций и периодиче-
ского изменения магнитного поля в сочетании со значительным изменением потенци-
ала от 16 до 3 В вдоль оси соответственно. Примечание: ловушки потенциала, располо-
женные вдоль оси, могут вызывать колебания ионов, образованных путем ионизации
остаточного газа в ЛБВ. В практических конструкциях некоторые недостатки системы
периодически расположенных постоянных магнитов более чем компенсируются значи-
тельной экономией по массе, мощности, надежности и сложности настройки.
Поток Бриллюэна
Существует один частный случай электронных пучков, известный как поток Бриллюэна,
который не приводит к появлению волнистости пучка или потенциала. Простой вывод
из теоремы Буша дает выражение для поля потока Бриллюэна BzBr как функции тока
пучка I, напряжения пучка V или скорости электрона vе и радиуса пучка a:
2
0
2 e
zBr
e
I m
B
ε πa v e
= , (1.51)
1/2
6
2 1/4
( / )
8,3 10
/
zBr B I F
Вс см а В
см В
= × −
Рис. 1.20. Моделирование движения электронного пучка с током 110 мА, напряжением 7,5 кВ,
радиусом 0,25 мм в канале радиусом 0,5 мм в однородном магнитном поле с BZ = 0,33 Тл. Для мо-
делирования использован объектно-ориентированный код XOOPIC (см. цв. вклейку)
Рис. 1.21. Моделирование движения электронного пучка с током 110 мА, напряжением 7,5 кВ,
радиусом 0,25 мм в канале радиусом 0,5 мм в магнитном поле, создаваемом периодически распо-
ложенными постоянными магнитами, с пиковым значением поля 0,33 Тл. Для моделирования
использован объектно-ориентированный код XOOPIC (см. цв. вклейку)
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 47
Уравнение (1.51) используется в качестве проектной нормы при конструировании
магнитных систем ЛБВ: пиковое магнитное поле должно быть в 1,2–2 раза больше
поля Бриллюэна, чтобы гарантировать сохранение фокусировки электронного пучка
по всей длине пространства взаимодействия в ЛБВ. Согласно другому конструктор-
скому правилу, требование стабильности фокусировки по всей длине магнитного поля
должно обеспечиваться длиной периода lm расположения постоянных магнитов:
lm ≤ 418 2
e
zBr
V m
B e
. (1.52)
На рис. 1.22 показано волнообразное движение электронов в пучке, сфокусирован-
ном системой периодически расположенных постоянных магнитов. Техническая ре-
ализация фокусирующей системы периодически расположенных постоянных магни-
тов представлена на рис. 1.23.
Замедляющая система и СВЧ-взаимодействие
Типы замедляющих систем
В зависимости от уровня мощности используется несколько типов замедляющих систем:
• Спиральные – низкое энергопотребление, очень широкая полоса усиливаемых частот
(до нескольких октав), необходима поддержка спирали керамическими стержнями.
Пульсирующий поток электронов в ЛБВ с магнитной периодической фокусирующей
системой в области пространства взаимодействия: большой период между волнами
обусловлен плотностью потока электронов с катода (больший для меньшей плотности)
Малый период колебаний угловой скорости обусловлен
периодическим расположением постоянных магнитов
Рис. 1.22. Форма электронного пучка с «идеальной траекторией», проходящего от поверхности ка-
тода через магнитную периодическую фокусирующую систему в области пространства взаимо-
действия, для типичной ЛБВ Ku-диапазона. Параметры пушки Пирса: I = 150 мA, V = 7,5 кВ,
диаметр канала 1 мм, заземленная трубка, Bпик = 0,325 Tл. (Моделирование проведено с помо-
щью программы моделирования пушки в двумерном приближении, визуализация – с помощью
условно-бесплатного программного обеспечения создания виртуальной реальности. Исполнитель
В. Швертфегер, TED, Ulm. Использованы различные коэффициенты относительного масштаби-
рования r = 8 × z)
Электронный
пучок
Кольцеобразz
ный магнит Прослойка
Железный
полюсный
наконечник
Пространство
взаимодейz
ствия
Магнитное
поле
Рис. 1.23. Набор периодически расположенных постоянных магнитов с железными полюсны-
ми наконечниками и немагнитными вставками, жестко прикрепленными к герметичной ваку-
умной оболочке
48 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
• Двойная спираль с обратной навивкой – подавляет колебания обратной волны (из-
за механической сложности мало используется), нуждается в поддержке керамиче-
скими стержнями.
• Система «кольцо–стержень» – подавляет колебания обратной волны, нуждается в
поддержке керамическими стержнями.
• Штыревая система – надежная и компактная система замедления для ЛБВ с высо-
кой СВЧ-мощностью, снижает ширину полосы.
• Цепочка связанных резонаторов – узкая полоса частот, высокая мощность.
На рис. 1.24 и 1.25 представлены основные типы замедляющих систем.
СВЧ-устройства ввода и вывода
В зависимости от концепции замедляющей системы используется несколько кон-
струкций СВЧ-устройств ввода и вывода энергии. На рис. 1.26 представлены только
два примера волноводных переходов, используемых, например, для пространства вза-
имодействия с сопряженным входным резонатором, и коаксиальный переход, кото-
рый часто применяется для устройств ввода и вывода спиральных замедляющих си-
стем маломощных ЛБВ.
Теория малого сигнала (теория Пирса)
Когда Пирс разрабатывал теоретические принципы работы ЛБВ, подход Эйлера пред-
ставлял собой единственную успешную перспективу. Он рассматривал электронный
а c
tp
t
б
Рис. 1.24. а – спиральная замедляющая система: угол наклона спирали ψ определяет фазовую
скорость vp = c tan ψ = c 2πa/p, где c – скорость света, р = шаг спирали; б – замедляющая систе-
ма «двойная спираль»
а б
в
Рис. 1.25. Замедляющие системы: а – кольцо-стержень; б – штыревая или гребенчатая; в – це-
почка связанных резонаторов
1.3. Лампы бегущей волны (ЛБВ) 49
пучок как заряженную среду, которая характеризуется током I со скоростью пучка (по-
тока) v0 или напряжением пучка V0 и сгустками пространственного заряда, поскольку
переменный ток i распространяется с той же частотой, что и СВЧ-волны. Как указы-
валось ранее, этот подход ограничивается прохождением малого сигнала в ЛБВ, по-
скольку эффект насыщения не возникает. В своей гениальной концепции Пирс учел
эту точку зрения Эйлера на поведение электронного пучка, но заменил пространство
замедления на модель эквивалентной линии передачи, состоящей из распределенных
индуктивностей L и емкостей С, как показано на рис. 1.27.
В результате он получил уравнение четвертой степени для постоянной распростра-
нения (замедления) волны β, известное как характеристическое уравнение
0 = 1 + ( )
2
2 2 2
e c
e c
β ββ
β−β β −β
2C3, (1.53)
C 3 =
0 4
IZ
V
, (1.54)
где С – параметр Пирса.
Уравнение имеет четыре корня, соответствующих (1.55) – (1.57):
β1,2 = βe + βeC/2 ± j √
–3
βe C/2 решения для экспоненциально
нарастающих и убывающих медленных волн; (1.55)
β3 = βe (1 − C) решение для быстрой бегущей
волны с постоянной амплитудой; (1.56)
β4 = βе (С3/4 – 1) решение для быстрой обратной
волны с постоянной амплитудой. (1.57)
Волноводный переход
к замедляющей системе
с цепочкой связанных резонаторов
Вакуумное
уплотнение
Вакуумное
уплотнение
Ступенчатый переход
для согласования
Коаксиальное
согласующее
устройство
Щель связи
Коаксиальный переход
к спиральной замедляющей
системе
Рис. 1.26. Слева: волноводный входной переход со ступенчатым преобразователем Чебышева для
точного согласования. Справа: коаксиальный выходной переход от спиральной замедляющей
системы с коаксиальным согласующим устройством и λ/4-волновые керамические окна для ва-
куумного уплотнения
Рис. 1.27. Эквивалентная модель линии передачи для спиральной замедляющей системы
50 Глава 1. Электронные СВЧ-лампы
Смысл решений ста-
новится ясен, если вспом-
нить, что волны изменяют-
ся пропорционально ej(ωt−βz).
На рис 1.28 представлены
зависимости для четырех
решений. Учитывая только
решение с экспоненциаль-
ным возрастанием, мы по-
лучаем из (1.55) линейное
усиление мощности G на
протяжении N длин волн
ЛБВ в децибелах
G = 10 log 10 e√
–
3πCN = 47,3 · CN. (1.58)
Для выполнения граничных условий при запуске четырех волн на входе в лампу
можно получить дополнительные так называемые распределенные потери, тогда вы-
ражение (1.58) приобретает вид
G = −9,54 + 47,3 CN, (1.59)
оно является выражением для общего линейного усиления мощности лампы с учетом
распределенных потерь. Следует отметить, что эти решения не ограничиваются спи-
ральными замедляющими системами и действительны для всех типов замедляющих
систем при введении соответствующих параметров цепи.