Основные параметры процесса взаимодействия электронов с СВЧ полем (Коэффициент эффективности взаимодействия М и относительная электронная проводимость Ge/G0).

В основе принципа действия всех ЭП СВЧ лежит преобразование энергии постоянного тока в энергию высокочастотного электромагнитного поля с помощью электронных пучков.

Несмотря на универсальность этого принципа, физические явления, используемые для его реализации, оказываются весьма разнородными и многообразными. Поэтому прежде чем приступать к рассмотрению работы конкретных приборов, следует ознакомиться с наиболее существенными явлениями и процессами, которые лежат в основе функционирования этих приборов.

Это, во-первых, методы формирования и управления движением электронных пучков, во-вторых, свойства электромагнитных колебаний и волн, в-третьих, особенности взаимодействия электронных потоков со сверхвысокочастотными полями.

В приборах в диапазоне СВЧ наиболее применяемым является способ динамического управления током, при котором, как правило, на поле объемного заряда у катода действует только постоянное ускоряющее поле, а возникновение переменного тока происходит в области, удаленной от катода, где происходит взаимодействие электронов с полем СВЧ и их смещение относительно друг друга при дальнейшем движении. Описанный способ управления током применяется во всех приборах СВЧ с линейным потоком, получивших название приборов типа О. В этих приборах взаимодействие электронов с СВЧ полем может иметь дискретный или непрерывный характер. В случае дискретного взаимодействия электроны под действием СВЧ поля резонатора получают так называемую скоростную модуляцию. Она заключается в том, что электроны, проходящие СВЧ поле в ускоряющий полупериод, получают увеличение скорости, а электроны, проходящие то же поле в тормозящий полупериод, получают уменьшение скорости по сравнению с постоянной, достигнутой за счет уменьшения ускоряющего поля, создаваемого напряжением источника питания.

Дальнейшее движение модулированного по скорости электронного потока в пространстве без поля СВЧ (так называемый дрейф потока) ведет к смещению одних зарядов по отношению к другим. В результате между группами электронов образуется электронное уплотнение, т. е. постоянный по плотности электронный поток получает переменную составляющую. Происходящий при дрейфе модулированного по скорости электронного потока процесс возникновения переменного тока получил название процесса группирования.

Далее электронный поток переменной плотности может быть использован для отбора от него кинетической энергии и превращения ее в энергию высокочастотного поля. Отбор энергии от сгруппированного электронного потока осуществляется путем торможения сгустков в высокочастотном поле.

Отметим, что процессы модуляции электронного потока по скорости, группировки электронов в сгустки и торможение сгустков в высокочастотном поле могут быть пространственно разделены. Так обстоит дело в пролетном клистроне.

Могут быть пространственно совмещены два процесса, связанные с действием высокочастотного поля (в отражательном клистроне модуляция электронного потока по скорости и торможение сгустков осуществляется полем одного и того же резонатора).

Могут быть пространственно совмещены все три процесса, т.е. модуляция электронов по скорости и торможение сгустков осуществляются одним и тем же полем. В этом же поле происходит и группировка электронов в сгустки. Так происходит во всех приборах с длительным взаимодействием

(Коэффициент эффективности взаимодействия М) - М₁=(sin0,5θ₁)/0,5θ₁ – коэффициент эффективности электронного взаимодействия или коэффициента связи электронного пучка с полем зазора; θ₁=ωτ₁ - угол пролета электронов в зазоре.

Зависимость коэффициента М₁ от угла пролета показана на рис. 3.2. Уменьшениеθ₁ путем сближения сеток нецелесообразно из-за роста емкости резонатора и снижения благодаря этому его эквивалентного сопротивления. Типичные значения угла пролета лежат в пределах π/2 - π. Физический смысл коэффициента М₁ заключается в том, что он учитывает уменьшение глубины модуляции скорости при конечном угле пролета по сравнению с идеальным случаем бесконечного малого угла.