Как ЩАС помню, что в предыдущей мини-лекции грозился я рассказать о новых принципах применяемых в приборах СВЧ. И вот! Чем занимались старые электронные приборы-радиолампы? Совершенно верно, управлением электронного потока. Иногда всё это называли МОДУЛЯЦИЕЙ по ПЛОТНОСТИ. Посмотрите на рис.7. На верху то самое управляющее (потоком) напряжение. Внизу промодулированное ВЧ напряжение. Слева на рис.8 почти идентичная картинка, ну почти. В верху тоже самое управляющее, а внизу (зелёным цветом) график тока в лампе. Прямая линия, отсутствие управляющего. Далее ток повторяет синусоиду управляющего. Та самая модуляция по плотности. Проведите карандашом вертикальную линию через график. Толщина карандаша это и есть время пролёта (грубо, конечно) электрона от катода до анода. Это при относительно низких частотах. А, теперь это СВЧ. И эта толщина карандаша сравнима с периодом управляющего! И как теперь? Вот и возник кризис среднего возраста!
Теперь по существу. И вот свершилось! Всё это назвали ДИНАМИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ электронного потока. То, что было до нашей эры называлось СТАТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ и точка!
Посмотрите на рис.1. Это упрощённая схема того самого динамического. Был в СССР советский анекдот, про то, как не смотря на бардак, разгильдяйство, пьянство план в конце месяца выполнялся! Вот так и с динамическим... Не смотря на все перипетий этого самого динамического, в конце концов на выходе получается всё та же модуляция по плотности! Судите сами... Традиционно электроны с катода летят как сумасшедшие к аноду со скоростью V. Само-собой пролетают через две сетки которые находятся под управляющим напряжением U с тильдочкой. Далее начинается цирк. Переменное напряжение воздействует на пролетающие электроны. Как? Очень просто. В зависимости от фазы одни электроны тормозятся, а другие наоборот ускоряются рис.2. Но есть проныры, не меняют своей скорости V! Они проскакивают в момент смены полярности. Итого?! Правильно имеем (для примера) три электрона: со скоростью V, с V+deltaV и V-deltaV. И вот они промодулированные ПО СКОРОСТИ полетели дальше. А далее попадают в пространство ДРЕЙФА! Их никто не трогает кроме? Кроме магнитного поля СОЛЕНОИДА. Для чего? Потом узнаете. И вот в том самом пространстве электрон с V догоняет медленного электрона. А, тот с повышенной V всю кумпанию. Так образуется такое понятие как электронный СГУСТОК. Так ещё пространство повышенной электронной плотности! И такие сгустки образуются с частотой управляющего напряжения. Нам же остаётся только преобразовать энергию (в мирных целях) сгустка во, что-то полезное!?! :-))
Вот и настал момент... Ну, да это на рис.4 те самые ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ! Как только вопрос вскакивает про СВЧ, так эти диаграммы нам и подсовывают! Наклонные цветные линии есть график пути электронов в пространстве дрейфа. Красные 1, 5, 9 те самые проныры летящие со скоростью V и ни с кем не якшаются, незалежные стало быть! Остальные красные 3 и 7 тоже незалежные, но как-то не очень. Зелёные заторможенные, синие наоборот как с ... сорвались... На расстояние X1 их критические массы сходятся, образуя сгустки. С приходом следующего периода цирк повторяется... И так до бесконечности! Интересно Вы заметили некую несуразность?! Мы в лампах боролись с этим чёртовым большим (до 0,1 мм) пролётом, а здесь целый дрейф... и ничего?! Всё правильно. Да происходит некая задержка с момента воздействия на электрон и до момента группировки (уровень X1), но?! Но ведь и в лампах существовала задержка! Главное выдать на гора ту самую СВЧ! Как? Я пока только намекну... Ну, почти...
Как же нам забрать эту усиленную энергию стада электронов? Так же как и в лампах, ну почти. С помощью скажем колебательной системы. Ведь обычный контур LC в ламповых приборах так и делал реагировал на все выкобеливания тока через него. На СВЧ с привычными нам контурами как-то не очень получилось. А вот с полыми резонаторами, то, что надо! Резонатор первоначально (да и сейчас) это металлическая коробка разной конфигурации... Каждая имеет свои РЕЗОНАНСНЫЕ поля, электромагнитные, конечно. Пролетая через пространство резонатора, электрон наводит токи и тем самым возбуждает колебание поля. Получая от каждого сгустка очередной удар, поля повышает свою энергию... Это как колокол звенит после каждого удара ... Разница лишь в том, что колокол получает удар внепопад, а резонатор наоборот в попад! :-))
На рис.5 и 6 как пример преобразования коллективного заряда сгустка в колебания поля резонатора. Рис.5 в сечении два шара, цилиндра и между ними пролетает сгусток. Это отрицательный заряд который выдавливает электроны с поверхности шаров, цилиндров в направление штриховых стрелочек. После пролёта сгустка электроны возвращаются обратно. И далее всё повторяется. На рис.6 резонатор через сетки в стенках которого пролетает стадо электронов. Как и на рис.5 они выдавливаю электроны по стенкам резонатора. Ток протекающий по стенкам резонатора после нападения сгустков называется НАВЕДЁННЫМ ТОКОМ. Почему наведённым? Потому как электроны сгустка не касаются самого резонатора они только своим полем наводят токи. Как во время грозы молния шарахает где-то, куда-то, а в разрядниках линий в телефонных станциях происходит разряд!
И вот сгусток пролетел через сетки резонатора (красная стрелка), а, что потом? Потом как и в обычной лампе электроны попадают на анод и нейтрализуются. Правда анод нагружен колебательным контуром или чем-нибудь?! Нам же это не нужно и анод уже называется коллектором, собирателем электронов. Ну, это типа мордоворотов вышибающих долги... В принципе динамическое управление можно применить и в обычных лампах так же как в триоде на рис.3. Правда есть нюансы, ёмкости и индуктивности проводов и размеры лампы увеличатся. На рис.3а тот же триод, но только до того как сгусток пролетит через сетки резонатора. На рис.3а показаны только его сетки.
Все эти динамические штучки используются в приборах СВЧ ОБЫЧНОГО типа, О-типа. Как с КРАТКОВРЕМЕННЫМ взаимодействием, так и с ДЛИТЕЛЬНЫМ. Первого типа это КЛИСТРОНЫ, а второго ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (ЛБВ) и ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ (ЛОВ). Но обо всём в следующих мини-лекциях.
По началу кажется, что всё так красиво придумано, такие картинки... Но как оказалось не всё так просто?! С чем мы имеем дело? Правильно, с отрицательно заряженными частицами, электронами. А, они в отличие от ЛГБТ ориентации никогда не меняют! Стало быть большой любовью друг к другу не страдают, скорее наоборот, фу-фу!!! А, что для нас значит? Это значит как только, так сразу начнут отталкиваться друг от друга рис.2а. Изменив траекторию после отталкивания ударяются башкой о стенки прибора оседают на них. И уже о какой-то группировке этого стада баранов речи не идёт. В жизни существуют спец-собаки сгоняющие непослушное стадо до кучи... Вот такими собаками, точнее собакой служит СОЛЕНОИД! Это катушка с намотанным на неё проводом длиной с пространство дрейфа. При протекание по обмотке тока в ней образуется магнитное поле. Силовые же линии направлены вдоль движения сгустков. А, что это значит?
Пока электрон движется вдоль линий магнитного поля, оно никак не влияет на электрон рис.9b, но?! Но как только электрон попытается улизнуть и пойти на сторону на на него будет действовать сила Лоренца! При движение электрона перпендикулярно силовым линиям последний начнёт описывать окружность рис.9a. При движении под углом к линиям двигаться начнёт по спирали, а скорость движения вдоль линий уменьшится рис.9с. Это с одной стороны. А с другой, электроны будут отталкиваться не только в сторону стенок, но и вдоль направления движения. Стало быть и скорости тоже пострадают... Вот почему реальная картинка мирно летящих электронов не такая уж красивая. Все неправильные электроны движутся по спирали и нет той красивой группировки. И если по вертикали сгустки ещё имеют более-менее стабильные границы, то по горизонтали они за счёт невзаимности эти границы расплываются. А электроны гуляющие сами по себе и не участвующие в общей коллективизации создают своего рода туман, я так думаю?!