73

§ 4.5. Особенности устройства и применения ЛБВО

По величине выходной мощности в режиме насыщения ЛБВ подразделяются на ЛБВ малой мощности (доли милливатта – 1 Вт), средней мощности (1–100 Вт), большой мощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кВт). По режиму работы различают ЛБВ непрерывного и импульсного действия,

Существенный недостаток первых типов ЛБВ – это наличие соленоидов для фокусировки электронного потока, потребляющих большую мощность и имеющих значительную массу. Наибольшее уменьшение массы фокусирующих систем и всей ЛБВ обеспечивает периодическая магнитная фокусировка кольцевыми магнитами,

разделенными ферромагнитными прокладками (рис. 4.15). На электроны, летящие вдоль оси со скоростью v0, из-за наличия радиальной составляющей магнитного поля Нr действует магнитная сила, направленная перпендикулярно плоскости чертежа. Эта сила заставляет электроны вращаться по окружности, вокруг оси лампы. Но тогда за счет скорости вращательного движения и продольной (осевой) составляющей магнитного поля Нz появляется радиальная сила, заставляющая электроны приближаться к оси z.. ЛБВ с

Рис. 4.15		Рис. 4.16

периодической магнитной фокусировкой называются пакетированными. Пакетированная ЛБВ показана на рис. 4.16. Габариты и масса ЛБВ уменьшаются также при использовании электростатической фокусировки.

ЛБВ со спиральной замедляющей системой характеризуется широкой полосой пропускания (до нескольких октав) и относительно малой выходной мощностью в непрерывном режиме, не превышающей 1 кВт в диапазоне 5–12 ГГц. Значительную мощность в этом диапазоне и на более высоких частотах можно получить, применяя в качестве замедляющих систем цепочку связанных резонаторов. В таких ЛБВ полоса пропускания меньше, чем в спиральных, но уровень выходной мощности в непрерывном режиме достигает 10 кВт. В качестве замедляющей системы в мощных твистронах используют диафрагмированный волновод.

ЛБВ находят широкое применение в СВЧ-устройствах в качестве входных, промежуточных и выходных широкополосных усилителей в системах многоканальной радиорелейной связи, в космической связи и других системах.

Имеются также ограничительные, фазовращательные, умножительные и другие ЛБВ.

Возможность умножения частоты сигнала связана с несинусоидальной формой конвекционного потока в нелинейном режиме работы ЛБВ. Поставив, как на рис. 4.12, после обычной замедляющей системы секцию с другим коэффициентом замедления, необходимым для выполнения условия примерного синхронизма на кратной частоте, можно на выходе секции получить колебания этой гармоники.

В табл. 3 приведены основные параметры типовых ЛБВО, две последние строчки

74

относятся к типам ЛБВ с очень большой мощностью в непрерывном или импульсном режиме. На рис. 4.17 показан внешний вид мощной ЛБВ.

Рис. 4.17

Таблица 3

Основные параметры ЛБВО

75

§ 4.6. Принцип работы усилительной ЛОВО

Схема усилительной ЛОВ показана на рис. 4.18,а. В отличие от ЛБВ сигнал в замедляющую систему входит у коллектора, а выходит—у катода. Поэтому направление групповой скорости (направление передачи энергии) противоположно направлению

скорости электронов v0.

Так как в ЛОВ используется обратная пространственная гармоника, то ее фазовую скорость vфp надо направить навстречу групповой скорости vг. Таким образом, в этой схеме vфp и v0 совпадают по направлению, и поэтому при выполнении условия синхронизма для обратной гармоники (v0◊vфp) можно обеспечить ее взаимодействие с электронным потоком, так же как обеспечивалось

	взаимодействие для прямых пространственных
	гармоник в ЛБВ. Модуляция потока по
	скорости в случае выполнения условия
	синхронизма	приведет		к	группировке
Рис. 4.18.	электронов	в	тормозящий		полупериод
	СВЧ-поля	бегущей		волны	(обратной

пространственной гармоники). Электронный поток отдает часть кинетической энергии полю волны. Но энергия волны может переноситься по замедляющей системе только в нагрузку, т. е. в сторону катода, поэтому амплитуда поля Ez возрастает в этом же направлении (рис. 4.18,6).

Электроны, влетающие со стороны катода в замедляющую систему, постепенно группируются, так что амплитуда переменной составляющей конвекционного тока I(i) должна увеличиваться в электронном потоке к коллекторному концу. Ток I(i) катода мал, так как еще не проявилось группирование электронов, а затем он резко увеличивается, потому что электроны попадают в область с наибольшей напряженностью поля Ez. Однако у коллекторного конца прирост тока I(i) незначителен: в этой области поле Ez мало и не может существенно изменить имеющуюся группировку электронов. В свою очередь, наибольшая скорость изменения Ez получается у коллекторного конца, так как большому току I(i) соответствует значительный наведенный ток в

замедляющей системе. Величины I(i) и Ez растут в противоположных направлениях, увеличивая друг друга. Это эквивалентно положительной обратной связи.

Таким образом, противоположность направлений групповой vг и фазовой vфp скоростей при условии совпадения направления скорости электронов и фазовой скорости приводит к положительной обратной связи. Характерно, что положительная обратная связь осуществляется через электронный

поток и действует на любом элементе длины. Поэтому цепь обратной связи можно рассматривать как распределенную, состоящую из очень большого числа, цепей обратной связи ОС, соответствующих каждому элементу длины, на котором происходит взаимодействие поля замедляющей системы и потока (рис. 4.19). Усиление колебаний в ЛОВ имеет регенеративный характер, пока ток пучка не превышает некоторого порогового значения, после которого начнется генерация.

76

Необходимо отметить, что нельзя смешивать обратную волну с волной, отраженной от выходного конца замедляющей системы. Отраженная волна не может взаимодействовать с электронами, так как фазовая скорость такой волны противоположна по направлению скорости электронов. В ЛОВ возможно взаимодействие, даже если

обеспечено идеальное согласование замедляющей системы на обоих концах. Принципиальным является наличие обратных пространственных гармоник, приводящих к появлению положительной внутренней обратной связи.

Усилительная ЛОВ — это узкополосный СВЧприбор. Условие синхронизма, определяющее эффективность взаимодействия поля и электронов, может быть выполнено только в узкой области частот вследствие сильной зависимости фазовой скорости обратных пространственных гармоник от частоты (рис. 4.20,а). При заданном ускоряющем напряжении U0, определяющем скорость v0, усиление наблюдается в узкой полосе частот (рис. 4.20,б). Таким образом, в усилительной ЛОВ можно осуществить электронную перестройку рабочей частоты.