90

Глава 6 ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА М (ЛБВМ И ЛОВМ)

В этих приборах усиление и генерация СВЧ-колебаний осуществляется в результате взаимодействия бегущей волны в замедляющей системе с электронами, движущимися в скрещенных электрическом и магнитном полях. В отличие от других приборов типа М электронный поток вводится в пространство взаимодействия с помощью специальной электронно-оптической системы.

§ 6.1. Принцип работы ЛБВМ

По конструкции лампы бегущей волны типа М делятся на плоские и цилиндрические. На рис. 6.1 приведена схема устройства ЛБВМ плоской конструкции. Лампа имеет две основные части; инжектирующее устройство и пространство взаимодействия.

Инжектирующее устройство состоит из катода и управляющего электрода, обеспечивающих создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия. Электроны, вылетевшие из катода, в скрещенных статических

Рис. 6.1

электрическом Eyпp и магнитном В полях в пространстве между катодом и управляющим электродом двигаются по циклоидальной траектории Подбирают такие условия, чтобы электроны в момент входа в пространство взаимодействия, образуемого верхним электродом замедляющей системы (анод) и нижним электродом (холодный катод или основание), находились на вершине циклоиды В этой точке имеется только горизонтальная составляющая скорости v0z, которая определяется по формуле (5.13);

(6.1)

Скорость v0z – начальная для пространства взаимодействия. Ранее было выяснено, что если начальная скорость электронов направлена параллельно электродам и равна переносной скорости, то траектория электронов прямолинейна. Переносную скорость в пространстве взаимодействия определяют по формуле (5.9) Таким образом, при выполнении условия v0z=vп траектория оказывается прямолинейной и электроны должны попадать при отсутствии высокочастотного поля в пространстве взаимодействия на коллектор.

Высокочастотный сигнал подводится через вход замедляющей системы. Если фазовая скорость пространственной гармоники vфp равна переносной скорости vп, то в пространстве взаимодействия происходит увеличение энергии СВЧ-поля в результате уменьшения потенциальной энергии электронов. Для предотвращения самовозбуждения имеется, как в ЛБВ типа О, поглотитель.

Процесс взаимодействия был рассмотрен в § 5.2. Под действием поперечной

91

составляющей СВЧ-поля происходит группирование электронов в области максимума тормозящего поля волны. Продольная составляющая тормозящего СВЧ-поля заставляет электроны смещаться вверх к аноду. Ранее мы рассматривали взаимодействия с СВЧполем бесконечно тонкого ленточного потока. В действительности электронный поток, входящий в пространство взаимодействия, имеет определенную толщину ∆ (см. рис. 6.1). Напряженность СВЧ-поля в ячейках замедляющей системы зависит от поперечной координаты у, поэтому взаимодействие поля и электронов, находящихся в разных точках

Рис. 6.2

сечения потока, различно. Верхние электроны испытывают воздействие более сильного СВЧ-поля, чем нижние. На рис. 6.2 показано смещение электронов в подвижной системе координат (движущейся синхронно с волной). Стрелки обозначают смещение во времени электронов, начавших движение в разных фазах СВЧ-поля, а толстые линии – верхнюю и нижнюю границы электронного потока, наблюдаемые в подвижной системе координат. Смещение электронов на верхней границе всегда больше, чем на нижней, поэтому сечение пучка пульсирующее: в тормозящем поле увеличивается, а в ускоряющем – уменьшается. Расчеты показывают, что в приборах типа М, несмотря на группирование электронов в тормозящем поле, объемная плотность электронного потока в отличие от приборов типа О остается постоянной, так как одновременно с продольным группированием происходит увеличение сечения пучка (растет размер пучка в поперечном направлении). Передача потенциальной энергии электронного потока СВЧполю в приборах типа М объясняется только тем, что электроны в тормозящем СВЧ-поле смещены в область с большим потенциалом статического поля, так что их потенциальная энергия превышает потенциальную энергию электронов в ускоряющем СВЧ-поле.

Границы электронного потока в неподвижной системе координат для определенного момента времени показаны на рис. 6.3. Пунктирными горизонтальными прямыми отмечены границы пучка, когда нет СВЧ-поля. При наличии СВЧ-поля электроны находятся в выбранный момент времени внутри заштрихованной области. В другой момент времени волна оказывается смещенной вправо на некоторое расстояние, а выбранный электрон, если он находится в тормозящем поле, сместится вверх к положительному электроду. Со временем такой электрон плавно смещается вверх. Штрихпунктирной линией показана траектория электрона, начавшего движение в максимуме тормозящего поля в точке А. Точками А', А" показаны положения этого

Рис. 6.3

92

электрона через каждый период СВЧ-напряжения, когда тормозящее поле имеет опять максимальную величину. Электрон, находившийся в момент времени t в точке А, перейдет за период Т в точку А', а электрон, бывший в точке А', за это же время переместится в точку А" и т. д.

В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако, если амплитуда СВЧ-сигнала велика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электрод замедляющей системы. Эти электроны отдают полностью свою потенциальную энергию СВЧ-полю. Линейная связь выходного и входного сигналов наблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вблизи коллектора на анод замедляющей системы. С дальнейшим повышением входного сигнала все большее число электронов будет попадать на анод, причем точка попадания электронов смещается влево. В этом случае замедляется рост выходной мощности, а коэффициент усиления ЛБВМ начинает уменьшаться. При некотором входном сигнале наступает режим насыщения.

93

§ 6.2. Параметры и характеристики ЛБВМ

Электронный КПД. Определим КПД ЛБВМ способом, который применим и для других приборов типа М.

В приборах типа М происходит передача потенциальной энергии электронов СВЧполю замедляющей системы. Пусть электрон попадает на анод замедляющей системы, имеющий потенциал U0. Электрон, вылетая из катода, имеет потенциальную энергию eU0, а при попадании на анод – нулевую. Однако не все изменение потенциальной энергии eU0 идет на увеличение энергии СВЧ-поля. Для выполнения условия синхронизма начальная скорость электронов при влете в замедляющую систему должна определяться формулой (5.22). Кинетическая энергия электрона при этой скорости

(6.2)

а при вылете из катода равна нулю. Рост кинетической энергии произошел в результате уменьшения потенциальной энергии электрона на величину eU0синх, причем

(6.3)

Величина eUсинх соответствует потенциалу точки влета электрона в пространство взаимодействия и называется потенциалом синхронизации. Таким образом, (6.3) выражает потерю потенциальной энергии, необходимой для сообщения электронам начальной скорости, требуемой условием синхронизма в пространстве взаимодействия.

Потенциальная энергия, передаваемая СВЧ-полю, равна разности eU0 и eUсинх, поэтому

электронный КПД
ηэ = (eU0 −eUсинх ) / eU0 =1 −Uсинх /U0	(6.4)

Принципиальных ограничений для КПД нет. Однако следует иметь в виду, что при увеличении U0 необходимо одновременно пропорционально увеличивать индукцию магнитного поля В, чтобы переносная скорость электронов оставалась постоянной и условие синхронизма не нарушалось. В действительности КПД всего прибора оказывается меньше рассчитанного по формуле (6.4), так как не все электроны достигают анода замедляющей системы, а электроны, попавшие на анод, рассеивают свою кинетическую энергию в виде тепла. Кроме того, часть энергии СВЧ-поля расходуется на ускорение электронов, двигающихся в неблагоприятной фазе.

Для повышения КПД при заданном U0 требуется брать меньшие значения Uсинх, т. е. необходимо вводить поток электронов возможно ближе к холодному катоду на рис. 6.1. Однако напряженность СВЧ-поля резко уменьшается при удалении от анода замедляющей системы. Поэтому при смещении электронного потока к холодному катоду для получения прежнего группирования потока потребуется больший входной сигнал, что снизит коэффициент усиления. Следовательно, условия получения высокого КПД и большого коэффициента усиления в ЛБВМ несовместимы. При большом входном сигнале КПД может быть высоким (50–70%).

Коэффициент усиления. Наибольшая передача энергии от электронного потока бегущей волне, а следовательно, и наибольший коэффициент усиления в приборах типа М достигается при точном синхронизме электронов и волны. Коэффициент усиления ЛБВМ рассчитывают на основе линейной теории, которая приводит к представлению СВЧ-поля двумя парциальными волнами. Коэффициент усиления определяют по формуле, аналогичной формуле (4.40) в ЛБВО:

(6.5)

Здесь А – коэффициент, учитывающий распределение поровну между парциальными волнами энергии входного сигнала (А=20lg1/2=–6); D—параметр усиления, аналогичный

94

по смыслу параметру усиления С в ЛБВО; N—электрическая длина замедляющей системы, а В—коэффициент, связанный с параметром «холодного» рассинхронизма (4.32) соотношением

6.6)

Используя (6.5) и (6.6) можно сделать вывод, что при b=0 коэффициент усиления максимальный:

(6.7)

апри b=±2 K у(U)=0.

ВЛБВМ условия достижения высокого КПД и большого коэффициента усиления противоречивы. Однако возможно компромиссное решение, при котором КПД сравнительно высокий (40–60%), а коэффициент усиления, хотя и ниже, чем в ЛБВО, но достаточно велик (20–25 дБ).

Амплитудная характеристика. На рис. 6.4 приведена зависимость выходной

мощности от входного сигнала при постоянном токе пучка I0. При увеличении входного сигнала выходная мощность возрастает и достигает насыщения при некотором значении входного сигнала. Причина насыщения рассматривалась ранее. На этом же рисунке показаны зависимости коэффициента усиления от входного сигнала.

Увеличение тока пучка I0 при постоянном входном сигнале приводит к пропорциональному росту выходной мощности, так как увеличивается энергия, отдаваемая

Рис. 6.4 электронным пучком полю. Теоретически в усилительных приборах типа М нет ограничения по мощности, так как зависимость Рвых от I0 не имеет насыщения. Однако зависимость электронного КПД от

тока имеет насыщение, т. е. ηэ стремится к постоянной величине, поскольку Р0= I0/U0 также увеличивается с ростом тока.

Лампы непрерывного режима имеют мощность до нескольких киловатт и КПД порядка 40%, а у импульсных ЛБВМ мощность составляет до нескольких мегаватт и КПД 60% и более. Для импульсного режима характерны большие импульсные токи пучка (несколько десятков ампер).

Амплитудно-частотная характеристика. ЛБВМ по сравнению с ЛБВ типа О имеет более широкую 'полосу пропускания при одинаковых замедляющих системах. Объясняется это следующим. Электронный пучок в приборах типа М имеет конечную толщину ∆ (см. рис. 6.1). В потоке действуют расталкивающие силы пространственного заряда, поэтому каждый электрон приобретает ускорение в поперечном направлении (по оси у) и поперечную составляющую скорости, которая вызывает появление силы Лоренца,

Рис. 6.5	Рис. 6.6

95

направленной вдоль оси пучка. Сила пространственного заряда при удалении от оси пучка возрастает. Электроны, находящиеся на разных расстояниях от оси, испытывают воздействие различной по величине силы Лоренца. Отдельные слои пучка движутся с различными скоростями. Электроны в верхнем слое имеют максимальную скорость, в нижнем—минимальную. Скорость электронов на оси остается неизменной. Отдельные слои пучка начинают «скользить» относительно друг друга.

Пусть при работе ЛБВМ на определенной частоте условие синхронизма выполняется для электронов, находящихся на оси. В этом случае другие слои электронов взаимодействуют с полем менее эффективно. С изменением частоты может быть выполнено условие синхронизма для электронов других слоев, движущихся медленнее или быстрее осевого. Таким образом, при прочих равных условиях в ЛБВМ условие синхронизма можно выполнить в более широкой полосе частот, чем в приборах типа О.

Достоинство ЛБВМ кроме высоких выходной мощности и КПД, сравнительно большого коэффициента усиления, широкой полосы пропускания состоит также в хорошей фазовой стабильности выходного сигнала. Недостаток ЛБВМ по сравнению с ЛБВО – это высокий уровень шумов (20–25 дБ), вызванный взаимодействием электронов с отраженной волной и флуктуациями в области электронной пушки. Сейчас ЛБВМ применяют как мощные выходные усилители в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.

Т а б л и ц а 5

Параметры ЛБВМ и ЛОВМ

В табл. 5 приведены параметры некоторых ЛБВМ. Схема устройства ЛБВМ цилиндрической конструкции приведена на рис. 6.5, а внешний вид – на рис. 6.6.

96

§ 6.3. Принцип работы ЛОВМ

Устройство ЛОВМ. В лампах обратной волны типа М, которые могут быть генераторными или усилительными устройствами, взаимодействие электронного потока происходит с обратной пространственной гармоникой. Схема устройства цилиндрической генераторной ЛОВМ показана на рис. 6.7.

Электроны, эмиттируемые катодом, под действием поля управляющего электрода и магнитного поля двигаются примерно по циклоидальной кривой и входят в пространство взаимодействия, образованное верхним электродом (анодом) замедляющей системы и нижним электродом (холодным катодом). При выполнении таких же условий, как в ЛБВМ, электрон при отсутствии СВЧ-поля двигается по окружности (или по прямой линии при плоских электродах) и попадает на коллектор. При выполнении условия синхронизма (5.22), т. е. при равенстве переносной скорости электронов и фазовой скорости обратной пространственной гармоники и токе пучка, большем пускового, в ЛОВМ возникают колебания. У коллекторного конца лампы расположен поглотитель, который поглощает энергию, отраженную от выходного устройства, если согласование

Рис. 6.7

в нем недостаточно хорошее. Отсутствие поглотителя создает дополнительную паразитную обратную связь, которая ухудшает равномерность частотной характеристики, так же как в ЛОВО (см. § 4.8). Если вместо поглотителя сделать ввод энергии и установить ток меньше пускового, то ЛОВМ будет работать в усилительном режиме.

Рис. 6.9

97

§ 6.4. Параметры и характеристики генераторной ЛОВМ

Пусковой ток. Так же как в ЛОВО, в генераторной ЛОВМ имеются зоны генерации. Для возбуждения колебаний в высших зонах требуется увеличивать число взаимодействующих электронов, т. е. ток пучка. Связь между пусковыми, токами в любой зоне с номером п и первой устанавливается формулой

I (n)	= (2n −1)	2 I (1)	,	(6.8)
0(пуск)		0(пуск)

т. е. зависимость от номера оказывается сильной (квадратичной).

При большом токе пучка одновременно возможна генерация колебании в нескольких зонах. В этом режиме работы в спектре кроме частот колебаний зон присутствуют комбинационные частоты. Многочастотность – это существенный недостаток ЛОВМ при работе с током пучка, большем пускового тока для первой зоны.

Выходная мощность и электронный КПД. Выходная мощность ЛОВМ и ЛБВМ практически линейно зависит от тока пучка (рис. 6.8):

		Pвых = A(I0 − I0(пуск) ) ,
		где А – некоторый коэффициент. Выходная мощность ЛОВМ
		в дециметровом диапазоне в непрерывном режиме достигает
		нескольких десятков киловатт, в сантиметровом диапазоне –
		порядка нескольких сот ватт и в миллиметровом диапазоне –
		десятков ватт. Электронный КПД ЛОВМ также зависит от
		тока пучка. Сначала КПД растет с увеличением тока пучка, а
		затем после перехода ЛБВМ в режим насыщения практически
		не изменяется. B этом режиме Рвых и затраченная мощность
		P0=I0U0 практически одинаково увеличиваются с ростом тока.
		Максимальное значение КПД можно определить по формуле
	Рис. 6.8
		(6.4), обычно КПД составляет 50–60%.

Электронная перестройка частоты. Как и в ЛОВО, частота генерируемых колебаний зависит от ускоряющего напряжения (электронная перестройка частоты). Однако эта зависимость в ЛОВМ более линейна. В ЛОВО скорость электронов пропорциональна

U0 а следовательно, и частота примерно пропорциональна U0 .

В ЛОВМ в условие синхронизма входит скорость электронов, равная переносной скорости, которая пропорциональна напряжению U0. Если считать, что в ЛОВМ фазовая скорость волны примерно линейно зависит от частоты (см. рис. 4.20), то частота генерируемых колебаний почти линейно зависит от напряжения U0. Линейность характеристики электронной

перестройки частоты (рис. 6.9) является важным практическим преимуществом ЛОВМ. Параметры некоторых ЛОВМ приведены в табл. 5.