Механика

Как генерируют радиоволны

В основе любого метода генерации, усиления или приема электромагнитных волн лежит взаимодействие этих волн с веществом. Например, в обычных радиолампах и в генераторах колебаний СВЧ используется взаимодействие электромагнитных колебаний с потоками электронов в вакууме. Такие приборы называются электровакуумными.

Вы уже знаете, что колебательный процесс должен получать энергию извне, иначе колебания затухнут. Электроны в электровакуумных приборах разгоняются постоянным анодным напряжением, приобретают кинетическую энергию и передают часть этой энергии колебанию. В квантовых генераторах и усилителях используется уже не кинетическая энергия электронов, а внутренняя энергия атомов или молекул.

Радиофизики всегда стремились и стремятся к освоению новых диапазонов частот. А что значит освоить новый диапазон? Это значит, прежде всего, создать генераторы и приемники волн этого диапазона.

Сначала были освоены длинные, средние и короткие волны. Каждый шаг к увеличению генерируемой частоты давался радиофизикам нелегко, но в конце концов они достигли блестящего успеха - создали квантовые генераторы, т. е. продвинулись от частот 30 кГц (длинные волны) до 1000 ТГц (лазеры). (О принципах действия различных типов квантовых приборов см. статьи "Свет" (лазер), "На подступах к абсолютному нулю" (квантовый усилитель), "Радиофизика" (молекулярный генератор); о генераторах на радиолампах и полупроводниках см. т. 5 ДЭ, ст. "Радиотехника и электроника".)

А сейчас познакомимся с работой одного из типов генераторов СВЧ - клистрона (рис. 14, а). Электронная пушка, состоящая из катода (1) и ускоряющего электрода (2), создает пучок электронов (3), который попадает во входной резонатор (4). Такой резонатор вам уже знаком — только здесь в центральной части вместо сплошных пластинок стоят металлические сетки, через которые беспрепятственно пролетают электроны.

Если возбудить во входном резонаторе слабые СВЧ колебания с помощью постороннего источника (5), то между двумя сетками резонатора возникнут колебания электрического поля. В течение половины периода это поле направлено от сетки (10) к сетке (11) и тормозит пролетающие через резонатор электроны. Во второй половине периода направление поля меняется на противоположное. Такое поле ускоряет электроны. Влетают в резонатор все электроны приблизительно с одинаковыми скоростями, а вылетают — с разными. Резонатор модулирует скорости электронов.

На пути ко второму резонатору быстрые электроны догоняют медленные, и вместо равномерного электронного потока образуются группы или сгустки электронов, причем сгустки эти следуют друг за другом с периодом, равным периоду колебаний в первом резонаторе.

Образование сгустков или группировка электронов означает, что через второй резонатор (6), который настроен на ту же частоту, что и первый, проходит не постоянный ток электронов, а переменный высокочастотный ток. Поле этого тока возбуждает во втором резонаторе колебания той же частоты, что и в первом, но значительно большей амплитуды. Амплитуда их тем больше, чем мощнее поток электронов и чем лучше они сгруппированы. Отдав часть своей кинетической энергии колебаниям, электроны оседают на коллекторе (7). Колебания выводятся из выходного резонатора по волноводу. (8)

Вот мы и получили усилитель СВЧ — двухрезонаторный усилительный клистрон. Его легко превратить в генератор, если ввести обратную связь, т. е. подать небольшую часть мощности колебаний с выхода на вход, из второго резонатора в первый по волноводу (9). Теперь посторонний сигнал нам не нужен. При работе клистрона в качестве генератора источник входного сигнала (5) отсутствует. Ведь в электронных приборах всегда есть шумы. В клистроне источником шума является электронный поток — уже перед первым резонатором он сам по себе не вполне однороден, а значит, окружен переменным электромагнитным полем. Это поле состоит из бесчисленного множества колебаний различных частот, среди которых есть и колебания с частотой, равной собственной частоте первого резонатора. Они возбуждают собственные колебания резонатора -это приводит к группировке электронов, пролетающих через него, а значит, к возбуждению более мощных колебаний во втором резонаторе. Часть мощности по линии обратной связи поступит обратно в первый резонатор, это улучшит группировку электронов и приведет к дальнейшему усилению колебаний во втором резонаторе. Нарастание колебаний во втором резонаторе прекратится лишь после того, как электронный поток сгруппируется полностью.

Еще проще устроен отражательный, клистрон. Именно его мы имели в виду, когда упоминали о широком использовании приборов СВЧ в самых различных областях науки. В отражательном клистроне всего один резонатор (рис. 14, б). Он модулирует скорости электронов, а затем готовые сгустки электронов возвращаются в него же. Их заворачивает назад отражатель - электрод, на который подано отрицательное напряжение. Возвращаясь назад, сгустки электронов отдают часть своей энергии колебаниям в резонаторе. Обратная связь осуществляется здесь самим электронным потоком. Усиление колебаний рабочей частоты, содержащихся в шумах, и применение обратной связи - общий принцип большинства генераторов электромагнитных волн, и не только в диапазоне сверхвысоких частот.