|
Вследствие того что электроны имеют массу, они не могут мгновенно пролетать расстояние между электродами. На СВЧ время
пролета электронов в лампе, несмотря на свою малость (10-8 —10-10 с), соизмеримо с периодом колебаний.
Лампа перестает быть малоинерционным прибором. Принято говорить, что на СВЧ проявляется инерция электронов. Инерция
электронных процессов в лампе создает вредные фазовые сдвиги, искажает форму импульсов анодного тока и служит причиной
возникновения значительных сеточных токов. В результате резко снижается входное сопротивление лампы, увеличиваются потери
мощности, а следовательно, уменьшается полезная мощность.
Инерция электронов не влияет на работу лампы, на частотах, соответствующих диапазонам метровых и более длинных волн.
Действительно, если период колебаний Т много больше, чем время пролета электронов в лампе tnp,
то переменные напряжения на электродах лампы за это время не успевают значительно измениться. Это наглядно показывают
графики на рис. 24.2, изображающие изменение напряжений на сетке и на аноде некоторой усилительной лампы, когда период колебаний
в 40 раз больше времени пролета электрона. Например, если tnp = 10-9 с, то Т = 40·10-9
с, что соответствует f = 1/(40·10-9) = 25·106 Гц = 25 МГц или длине волны λ = 12 м.
В данном случае можно считать, что пролет электрона от катода к аноду совершается при постоянных напряжениях электродов.
Это означает, что движение электронов происходит по обычным законам без каких-либо новых явлений и анодный ток изменяется
соответственно изменениям сеточного напряжения. Переменная составляющая анодного тока будет совпадать по фазе с переменным
напряжением сетки. Иначе протекают электронные процессы в тех случаях, когда время пролета одного порядка с периодом колебаний.
Режим работы лампы при постоянных напряжениях электродов называется статическим. Если же напряжение хотя бы одного
из электродов меняется, но не с очень высокой частотой, то такой режим называется квазистатическим. И наконец, режим
называется динамическим, если напряжение хотя бы одного электрода изменяется так быстро, что законы статического
режима применять нельзя. На СВЧ лампы работают именно в динамическом режиме. Неприменимость законов статического режима к
динамическому объясняется инерцией электронов.
Рис. 24.2. Сравнение времени пролета электронов с периодом колебаний
Вместо времени пролета часто пользуются углом пролета αпр, который связан с временем tпр
соотношением
αпр = ω tпр, (24.3)
где ω — угловая частота переменного напряжения электродов лампы.
Очевидно, что αпр есть изменение фазового угла переменного напряжения за время tпр.
Если, например, tпр = Т/4, то αпр = 90°. При углах пролета меньше 20° инерцию
электронов обычно не учитывают, т. е. режим считают квазистатическим.
Рассмотрим особенности электронных процессов в триоде на СВЧ, имея в виду, что электрон большую часть времени пролета
тратит на промежуток катод — сетка, так как здесь ускоряющая разность потенциалов невелика. Пусть, для примера, время пролета
на этом участке равно половине периода, а рабочая точка установлена в самом начале анодно-сеточной характеристики лампы.
На более низких частотах при этом был бы режим отсечки анодного тока, т. е. импульсы анодного тока проходили бы в течение
положительных полупериодов переменного сеточного напряжения, а во время отрицательных полупериодов лампа была бы заперта.
Но если tпр = Т/2, то работа лампы существенно изменится. Электроны, начавшие свое движение
от катода в начале положительного полупериода сеточного напряжения, пролетят сквозь сетку в конце этого полупериода. Последующие
электроны, начавшие движение позже, не успеют долететь до сетки во время положительного полупериода. Они еще будут в пути,
когда на сетке переменное напряжение уже изменит свой знак и поле между сеткой и катодом станет тормозящим. Многие электроны
будут заторможены, остановятся, не долетев до сетки, и вернутся на катод. Это особенно относится к электронам, начавшим
движение от катода в конце положительного полупериода, так как они почти сразу попадают в тормозящее поле. Возвращение части
электронов обратно на катод уменьшает амплитуду импульсов анодного тока. Уменьшается полезная мощность, отдаваемая лампой, и начинается
бомбардировка катода возвращающимися электронами. Из-за этого происходит дополнительный нагрев катода. Мощность на нагрев
расходуется источником переменного сеточного напряжения. Что же касается электронов, успевших пролететь сквозь сетку, то,
когда они движутся далее к аноду, напряжение сетки становится уже отрицательным, а значит, увеличивается разность потенциалов
между анодом и сеткой и электроны с увеличенной энергией бомбардируют анод. Дополнительная мощность на эту бомбардировку
также отбирается от источника усиливаемого напряжения.
Если рассмотреть электронные процессы в других режимах, то можно прийти к таким же выводам: вследствие инерции электронов
уменьшается переменная составляющая анодного тока, увеличивается мощность потерь на аноде и дополнительно нагревается катод
от ударов возвращающихся электронов. Эти явления наблюдаются не только при tпр = Т/2, но и всегда,
когда время пролета и период колебаний соизмеримы.
|
