а) Ua Шд

hamoO

5; Ua

6) Un

Рис. 15.1. Траектория электронов при различных углах пролета

между временем пролета электрона и периодом сигнала тэл/Гс зависит от периода Тс (частоты) сигнала.

На невысоких частотах Тс велик и это отношение мало. Например, на частоте 3 МГц (?i=100 м) оно составляет Тэл/Тс = 0,003. Это означает, что электрон пролетает междуэлектродное расстояние за 0,003 доли периода изменения сигнала. Практически за такой промежуток времени изменение анодного напряжения несушествен-но и движение электрона происходит в постоянном ускоряющем поле. В этом режиме инерция электронов отсутствует и на работу ламп не влияет.

При переходе на более высокие частоты проявляется инерционность электронов. Уже на частоте 500 МГц (Х=0,6 м) отношение Тэл/7с = 0,5, т. е. время пролета составляет 0,5 периода действующего на аноде сигнала. В этих условиях за время пролета электроном междуэлектродного пространства изменится знак полуволн переменного напряжения (см. рис. 15.1,6), т. е. изменятся интенсивность поля в лампе и условия токопрохождения в ней.

Оценку инерционных свойств ламп на СВЧ ведут углом пролета, под которым понимают отношение времени пролета электроном междуэлектродного пространства к длительности периода подводимого к лампе сигнала,

е = 2Я (Гэл/7"с) = 2л/сГэл = ОсТ:э.т (15.1)

Угол пролета является мерой изменения фазы переменного напряжения сигнала за время пролета электроном междуэлектродного расстояния.,На низкой частоте (при е<Ся) все электроны с катода достигают анода за положительный полупериод f/a напряжения сигнала на аноде. При Q = n/2 (рис. 115.1, в) часть электронов за положительный полупериод f/a не успевает достичь анода и возвращается на катод или рассеивается в междуэлектродном пространстве. Исследования показывают, что инерция электронов сказывается на работе лампы при е>20°. При больших значениях угла пролета инерция электронов приводит к появлению фазового сдвига между выходными током и напряжением и, как следствие,- к снижению выходной мощности.

Другим следствием проявления инерции электронов на СВЧ является появление в цепях электродов токов, которые наводятся

Рис. 15.2. Схема движения зарядов между электродами

зарядами, движущимися в междуэлектродном пространстве ламп. Возникновение наведенных токов в цепях ламп вызывает увеличение их проводимости, особенно входной проводимости.

Влияние инерции электронов на работу диодов. Предположим, что одиночный электрон с зарядом е под влиянием электрического поля движется от катода К к находящемуся от него на расстоянии Za аноду А (рис. 15.2, а). Согласно закону электростатической индукции движущийся в междуэлектродном пространстве заряд (-е) наводит на электродах (К и А) заряды ба и бк противоположного знака (в нашем случае положительные). Величины наведенных зарядов обратно пропорциональны расстоянию от движущегося заряда электрона до соответствующего электрода

где X - расстояние заряда электрона е от катода.

По абсолютному значению сумма этих зарядов равна заряду электрона, т. е. е=е+е„. Отсюда:

ва =-- е (x/la); е = е{1а-- х)/1а.

В начале движения электрона наведенный на близко расположенном катоде заряд вк будет больше заряда ва на удаленном аноде. В дальнейшем при движении электрона заряды вк и ва будут изменяться. Это приведет к появлению во внешней цепи уравнительного тока. Ток, характеризующий непосредственно передвижение (конвекцию) свободных зарядов в междуэлектродном пространстве, называется конвекционным. Ток, появляющийся во внешней цепи электродов при наличии в междуэлектродном пространстве конвекционного тока, называется наведенным

«нав = dejdt = (e/la) {dx/dt).

Практически этот ток появляется в момент выхода электрона из катода и нарастает к моменту попадания на анод до значения

нав = (еДа)г,

где V - скорость движения электрона.

Если пространство между анодом и катодом заполнено большим количеством электронов, то полное значение наведенного во внешней цепи тока будет определяться как интегральное значение наведенных токов, наводимых элементарными слоями dx электронов, на которые можно условно разделить междуэлектродное пространство (рис. 15.2, б). Анализ явлений показывает, что /нав равен среднему значению конвекционного электронного тока в междуэлектродном пространстве:

нав - /конв.ср -

Г . 1 г-

ScneNvdx,

.где 5сл -площадь элементарного слоя зарядов;

\ N - объемная плотность электронов;

1конв=5сле/Уг;-среднее значение конвекционного тока слоев в междуэлектрод-\ ном пространстве.

Если к электродам диода наряду с постоянным напряжением источника fa приложено переменное напряжение Ua, то в полном анодном токе диода появится переменная составляющая. Она будет складываться из наведенного тока и тока смещения

а ~ /анав + acnf

Переменная составляющая наведенного анодного тока будет определяться средним значением переменной составляющей конвекционного тока. Поскольку каждый слой конвекционного тока сдвинут в лампе относительно друг друга, то и составляющие наведенного тока будут отставать от на различные углы фа. С увеличением частоты переменного напряжения сигнала будет уменьшаться период изменения конвекционного и наведенного токов, а угол пролета будет расти. Результирующее значение наведенного тока в анодной цепи станет уменьшаться и все больше отставать по фазе от вызвавшего его анодного напряжения.

Ток смещения обусловлен наличием конструктивной междуэлектродиой емкости Сак:

/асм = £аМс = "СакС/а-

С ростом частоты он увеличивается, что приводит к нарушению односторонней проводимости диода. Таким образом, с переходом к СВЧ в диоде возрастает фазовый сдвиг между анодным током и напряжением, уменьшается анодный ток и, как следствие, снижается выходная мощность. Одновременно увеличивается ток через емкость Сяк, нарушающий вентильные свойства диода.

Влияние инерции электронов на работу триода. На СВЧ Б триодах аналогично диодам проявляются инерционные свойства электронов, вызывая снижение выходной мощности и рост сдвига фаз между током и напряжением в анодной цепи лампы. Наряду с этим существенно изменяется режим входной цепи.

При работе на низкой частоте (при малом 9) электрон пролетает междуэлектродное расстояние катод - анод практически при неизменном напряжении на сетке. В этих условиях при положительном напряжении на сетке электрон ускоряется ее полем на участке сетка - катод и тем самым потребляет энергию из цепи сетки. На участке сетка - анод при том же напряжении на сетке электрон тормозится ее полем и отдает энергию полю сетки. Результирующая энергия в цепи сетки равна нулю. Ток в ее цепи отсутствует.

При работе на СВЧ (при большом 6) электрон пролетает междуэлектродное пространство между катодом и анодом при изменяющемся сеточном напряжении. Если принять угол пролета 6=180° и предположить, что электрон вылетает из катода при положительном напряжении на сетке, то участок катод - сетка он пройдет за полпериода в ускоряющем поле сетки. Интервал от сетки до анода он будет проходить при сменившемся потенциале сигнала на сетке и под действием поля сетки снова будет испытывать ускорение.

Если электроны выходят из катода при отрицательном потенциале сигнала на сетке, то они тормозятся его полем как на участке катод - сетка, так и на участке сетка - анод вследствие смены через полпериода потенциала на сетке. В этом Случае электроны отдают свою энергию полю сетки.

Практически при торможении (в отрицательный полупериод) с катода уходит меньше электронов, чем при ускорении (в положительный полупериод), поэтому энергия, расходуемая полем сетки на ускорение электронов, превышает энергию, возвращаемую ей. В этих условиях в цепи сетки возникает результирующий наведенный ток. Активная составляющая этого тока пропорциональна углу пролета Оке и существенно зависит от крутизны 5к и напряжения сигнала Uc на •сетке:

/с акт = э-ксвкс»

где - коэффициент, зависящий от напряжения на электродах и их расположения.