1.2. Принцип работы
Этот процесс образно и весьма интересно в своей статье описал российский физик Леонид Ашкинази: «Представьте себе, что лифт движется чуть быстрее человека и из него подталкивают бегущего по винтовой лестнице человека – быстрее, быстрее! Согласно третьему закону Ньютона, на лифт будет действовать сила, направленная против движения, он будет тормозиться и отдавать свою энергию человеку, бегущему по лестнице. В итоге их скорости уравняются. Не обвивайся лестница вокруг шахты лифта, ничего бы не получилось – человек движется по прямой лестнице быстрее лифта. А если она обвивается, длина ее увеличивается. Можно подобрать угол наклона витков спирали («лестницы») и скорость электронов («лифта») так, чтобы электромагнитная волна, бегущая по спирали, имела ту же скорость перемещения вдоль оси спирали, что и электроны».
Рис. 1. Конструкция ЛБВ
В ЛБВ и ЛОВ М-типа ускоренные в электронной пушке электроны движутся по криволинейной траектории, влетают в замедляющую систему, где взаимодействуют с электрическим полем усиливаемой волны, подаваемой через ввод СВЧ-энергии. Двигаясь синхронно с волной, электроны в результате взаимодействия тормозятся или ускоряются – в зависимости от фазы электрического поля; при этом происходит модуляция электронного потока по плотности – образование сгустков. В случае равенства скоростей волны и электронов обмена энергией между ними не происходит и усиление отсутствует. Если скорость электронов немного превышает фазовую скорость волны, сгустки электронов, обгоняя волну, попадают в тормозящее поле и отдают свою энергию, усиливая входной сигнал. Все электроды прибора, кроме электронной пушки, находятся под одним высоким электрическим потенциалом. Обычно они заземлены, а на пушку подается высокий отрицательный потенциал.
Рис. 2. Схема ЛБВ и диаграмма поясняющая принцип работы ЛБВ
Электронная пушка 1 создает равномерный поток электронов, который ускоряется приложенным к ней отрицательным потенциалом Е
(Рис 2, а). Поток электронов проходит по оси прибора через ускоряющий электрод 2 и замедляющую систему 3, после чего он попадает на коллектор 4. Электронный поток взаимодействует с продольным электрическим полем волны СВЧ сигнала, фазовая скорость которой близка к средней скорости электронов V, определяемой ускоряющим напряжением.
Электроны слоя 1 попадают в замедляющую систему во время полупериода, в котором продольная составляющая электрического поля СВЧ сигнала (Рис. 2, б) является для них ускоряющей. В результате электроны получают приращение скорости. Электроны слоев 2 и 4, попавшие в систему, когда напряженность продольной составляющей поля СВЧ сигнала равна нулю, будут двигаться с прежней скоростью , а электроны слоя 3, оказавшиеся в системе в тормозящем полупериоде поля, замедляются.
Глава 2. Области применения ламп бегущей волны
Лампы бегущей волны продолжают оставаться одним из важнейших комплектующих элементов, ведь обладают превосходными рабочими и эксплуатационными характеристиками: широкой полосой рабочих частот, большим коэффициентом усиления и коэффициент полезного действия (КПД), выходной мощностью от десятков до сотен ватт, высокой устойчивостью к внешним воздействиям, термостабильностью параметров и высокой надежностью при долговечности до 100 тыс. ч и более. Они допускают эксплуатацию в гораздо более жестких режимах, чем твердотельные приборы.
Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Один из последних проектов в этой сфере – обсерватория «Миллиметрон» для исследования различных объектов Вселенной в миллиметровом и инфракрасном диапазонах на длинах волн от 0,02 до 17 мм.
В будущем предполагается полный переход от объемных на планарные печатные элементы, которые изготавливаются технологическим процессом, аналогичным принятым в микроэлектронике для интегральных схем. Пленочная технология обеспечивает высокую точность изготовления мелких структурных замедляющих систем с жесткими допусками, а также сложных замедляющих систем, которые трудно выполнить обычными методами. Миниатюрные ЛБВ на печатных элементах характеризуются малыми размерами, низкой стоимостью и хорошей повторяемостью параметров от лампы, к лампе. Это делает их перспективными для применения в фазированных антенных решетках, где вопросы стоимости и идентичности параметров ламп, выступают на первое место.
В СВЧ-диапазоне достаточно быстро развиваются телекоммуникации. Сегодня это всеми любимый Wi-Fi, спутниковое телевидение, спутниковая телефония. СВЧ-электроника находит все более широкое применение в связи с развитием таких направлений, как интернет вещей, интеллектуальные производства, системы связи для беспилотников и многое другое.