такое управление называется Статическим. С увеличением частоты это условие нарушается, затраты энергии на регулирование плотности потока из-за инерционности электронов быстро растут и этот способ управления становится нереализуемым.

В приборах СВЧ используют динамическое управление. Этот процесс длится определенное время и не всегда имеет локальный характер, а инерционность электронов здесь используется как положительный фактор. При этом происходит взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем колебательных систем приборов и модуляция потока по скорости, что приводит к его модуляции по плотности.

Передача энергии электронов электромагнитному полю в электронных приборах СВЧ происходит в результате взаимодействия электронного потока с электрической составляющей поля, касательной к траектории движения электронов. Для эффективного обмена энергией между электронами и полем необходимо, чтобы электроны, находящиеся в пространстве взаимодействия, все время тормозились полем. Для этого в свою очередь необходимо создать неравномерный (промодулированный) по плотности электронный поток и обеспечить в приборе необходимые тормозящие фазовые соотношения как в пространстве, так и во времени. Создание неравномерного по плотности электронного потока является принципиальным условием, так как при равномерном потоке общий энергетический баланс (передача энергии от электронов СВЧ-полю и наоборот) будет равен нулю.

Создание электронного потока, промодулированного по плотности и имеющего определенную структуру, называется группировкой или фазовой фокусировкой потока. Группировка осуществляется за счет действия СВЧ электромагнитных колебаний. Механизм группировки определяет принцип работы и классификацию приборов и лежит в основе анализа их работы.

Промодулированный поток состоит из движущихся сгустков электронов. Если обеспечить фазовые соотношения между потоком и СВЧ-полем так, чтобы электронные сгустки при своем движении оказывались в тех местах пространства и в те моменты времени, где и когда действует тормозящее поле, то общий энергетический баланс будет положительным и энергия электронов будет превращаться в энергию электромагнитных колебаний.

электроны могут взаимодействовать с СВЧ-полем или только в определенных участках потока (как в пролетных клистронах), или на большей части его длины [как в лампах бегуш,ей (прямой) и обратной волн]. СВЧ-колебания создаются в резонансных системах (PC) или в замедляющих системах (ЗС). При этом электронный поток проходит через PC или ЗС обязательно в местах, где касательная к траекториям движения электронов составляющая СВЧ электрического поля имеет максимальное значение. PC обеспечивают локальное и сравнительно кратковременное взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем, а ЗС - распределенное и длительное. Очевидно, что оптимальным условием энергообмена является приблизительное равенство средней скорости движения электронов и фазовой скорости используемого типа волны. Это условие называется условием синхронизма**.

Условие синхронизма при длительном взаимодействии электронного потока с полем бегущей волны принципиально можно обеспечить лишь используя в качестве волноведу-щих систем замедляющие. Это связано с тем, что скорость электронов - материальных частиц - меньше скорости света, а фазовая скорость волн в обычных волноводах больше (для Н, f-волн) или равна (для Т-волны) скорости света. Снизить фазовую скорость в них можно, заполняя их диэлектриком, но это приводит к росту потерь энергии. В ЗС фазовая скорость волн при вакуумном заполнении намного меньше скорости света (см. гл. 4), что позволяет выполнить условие синхронизма.

В некоторых случаях в качестве управляющего можно использовать тюле, которое создается пространственным зарядом электронного потока. Если система неустойчива, то возникающее возмущение нарастает при движении вдоль потока. Такое явление имеет место, например, в диодах Ганна.

Для лучшего усвоения физических процессов, происходящих в электронных приборах СВЧ, необходимо коротко остановиться на особенностях токов, протекающих в них. На НЧ мгновенное значение тока во внешней цепи приборов определяется электронами, приходящими на электроды в данный момент времени, т. е. конвекцион-

* Для передачи энергии электронов СВЧ-полю необходимо, чтобы их скорости были больше фазовой скорости волны, При равенстве этих скоростей энергообмен прекращается.

н ы м током. При этом перемещение зарядов между электродами не оказывает влияния на ток во внешней цепи. На СВЧ, поскольку время пролета электронами межэлектродных промежутков и период колебаний становятся сравнимыми по значению, во внешней цепи оказывается необходимым учитывать еще токи, наведенные электронами при их движении между электродами (т. е. до моменту попадания на электроды), а также емкостные токи и токи смещения.

Рассмотрим это на примере плоского диода (площадь электродов S, расстояние между ними d), в котором от катода к аноду (по оси х, перпендикулярной плоскости электродов) движется со скоростью v плоский слой зарядов q толщиной dx. К диоду подключен источник переменного напряжения и с малым внутренним сопротивлением. В этом случае во внешней цепи диода протекает полный ток, мгновенное значение которого

1полн = eoS dEo/dt + qv/d = + i (2.2)

где ie K = &oSdEo/dt - емкостный ток; - uld - напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве без учета влияния заряда; ец = 8,85-10 Ф/м - электрическая постоянная; i, = q;uld - наведенный ток.

Из выражения (2.2) следует, что при движении электронов между электродами во внешней цепи помимо емкостного протекает еще наведенный ток.

Когда все заряды слоя q достигают анода, ток во внешней цепи определяется уже непосредственно этими зарядами, т. е. является конвекционным, а наведенный ток уменьшается до нуля. Эти процессы имеют место и на НЧ, однако 1е„к и 1 ав мзлы И ИМИ обычно пренебрегают.

С другой стороны, выражение для мгновенного значения полного тока в каком-либо сечении межэлектродного пространства можно записать, исходя из уравнений Максвелла:

1полв = Spv -Ь Seo dEldt = t, , + (2.3)

где Ikohb = 5 py - конвекционный ток, ток движения зарядов; р - плотность пространственного заряда; Е - напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве с учетом влияния заряда; = SegdE/dt - ток смещения. Если р = О, то полный ток в данном сечении определяется только током смещения, равным емкостному току.