3 Лампа бегущей волны

Лампа бегущей волны (ЛБВ). Еще один электровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ диапазона - лампа бегущей волны.

Рис. 1.10. Лампа бегущей волны (ЛБВ)

Она представляет собой тонкую вакуумную трубку, вставленную в фокусирующую магнитную катушку (соленоид). Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне. Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча. Поэтому бегущая волна достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию. Если на лампу не подается внешний сигнал, то усиливается случайный электрический шум на некоторой резонансной частоте и ЛБВ бегущей волны работает как СВЧ генератор, а не усилитель.

Взаимодействие электронов с одной из пространственных гармоник реализуется, в лампе бегущей волны (ЛБВ). Пояснить это взаимодействие, можно используя рисунок 1.4. Электронный поток взаимо­действует с продольным электрическим полем волны, фазовая скорость которой близка к средней скорости электронов v₀, определяемой ускоряющим напряжением U_o (рис. 1.4, б). Заметим, что на рисунке в положительном направлении оси ординат отложена ускоряющая напря­женность электрического поля E_z , направленная навстречу электрон­ному потоку. В принципе ЗС с электронным потоком можно представить в виде экви­валентной схемы однородной линии передачи с погонными полными сопро­тивлениями и проводимостями, а также с распределенной электронной прово­димостью, обеспечивающей отрицательное затухание вдоль системы. Однако, такое представление для анализа приборов с нерезонансными колебательными системами не получило широкого распространения.

Отметим, что скоростью v₀ обладают электроны, влетающие в замедляющую систему непрерывным потоком, а также модулированные электроны типа 2 и 4, попавшие в систему в тот момент, когда напряженность высокочастотно­го поля равна нулю. Элект­рон, влетевший в систему во время ускоряющего полупериода электрического поля, полу­чает приращение скорости, а электрон 3, оказавшийся в тор­мозящем полупериоде высоко­частотного поля, замедляется. Таким образом, поле взаимо­действующей гармоники обес­печивает модуляцию электронов.

При этом непрерывный электронный поток в ЗС превраща­ется в поток электронных сгустков. Центрами электронных сгустков являются электроны типа 2, относительно которых высокочастотное поле изменяется от ускоряющего поля (положительная полуволна), на тормозящее поле (отрицательная полуволна).

Рис. 1.4. Группировка электронного потока в ЛБВ по скорости, которая приводит к модуляции их по плотности по мере движения вдоль замедляющей системы.

На рис.1.4, в показано распределение конвекционного тока i_конв электронного потока модулированного вдоль ЗС. Максимальные значения i_конв соответствуют центрам электронных сгустков, расстояния между которыми близки к длине замедленной волны рассматриваемой гармоники. В свою очередь, электронные сгустки наводят в ЗС бегу­щую волну так, что оказываются в тормозящих полупериодах воз­буждаемой волны. При этом увеличивается амплитуда взаимодейст­вующей гармоники и происходит торможение электронных сгустков, в результате чего сгустки смещаются к ускоряющим полупериодам бегущей волны и далее, группируются под воздействием возрастающей амплитуды высокочастотного поля. Этот процесс продолжается по мере продвижения сгустков вдоль системы при соблюдении условий синхронизма между средней скоростью электронов и фазовой скоростью взаимодействующей гармоники. За счет возрастания амплитуды взаимо­действующей гармоники происходит усиление суммарного электромаг­нитного поля от входа к выходу ЗС.

На рис. 1.5 приведена зависимость коэффициента усиления ЛБВ от ускоряющего напряжения. Коэффициент усиления имеет максимальное значение при оптимальном ускоряющем напряжении (U₀)_opt, определяю­щем наиболее «благоприятную» скорость электронов. Интервал значе­ний ΔU_o, определяющих зону усиления ЛБВ, невелик, что свидетель­ствует о высоких требованиях к подбору значения ускоряющего напря­жения. За пределами нижней границы зоны усиления, если U_o мало, электронные сгустки, отставая от бегущей волны, попадают в уско­ряющие полупериоды и отбирают энергию от электромагнитных колебаний. При этом входной сигнал затухает в ЗС и ЛБВ превра­щается в поглощающий ослабитель. При увеличении U_o электронные сгустки могут, обгоняя волну и приближаясь к положению электрона 4 (рис. 1.4, б), разгруппироваться, вследствие чего прекратится усиление бегущей волны.

Рис. 1.5. Зависимость коэффи­циента усиления ЛБВ от ускоряющего напряжения и (рис.1.5, а,б,в) электронные взаимодействия в лампе обратной волны (ЛОВ)

При взаимодействии электронов с прямой волной ЗС, когда фазо­вая и групповая скорости по направлению совпадают, амплитуды высокочастотного поля и конвекционного тока нарастают от входа к выходу (см. рис. 1.4, б, в).

Аналогичен характер взаимодействия электронов с высокочастотным полем ЗС и в лампе обратной волны (ЛОВ). Отличие состоит лишь в том, что групповая скорость в замедляющей системе ЛОВ направлена навстречу фазовой скорости, т, е. передача энергии и соответственно нарастание амплитуды поля направлены против нарастания ампли­туды конвекционного тока. Поэтому ввод и вывод энергии в ЛОВ меняются местами в сравнении с ЛБВ.

Выходная мощность ЛБВ и ЛОВ, значительно меньше, чем у магнетронов и клистронов на той же частоте. Однако они допускают настройку в необычайно широком частотном диапазоне и могут служить очень чувствительными малошумящими усилителями. Такое сочетание свойств делает ЛБВ и ЛОВ очень ценными приборами СВЧ техники.

Рис.3. Зависимость коэффициента усиления ЛБВ М-типа, от мощности входного сигнала.

Лампы с бегущими волнами М-типа часто называют магнетронными усилителями (см. рис 1.7.). Такие лампы, обычно, работают в усилительных режимах.

Характерный вид зависимости коэффициента усиления от входной мощности показаны на рисунке 3. При малых уровнях входного сигнала амплитуда колебаний на выходе ЛБВМ и величина коэффициента усиления возрастают величине входного сигнала. Связь соблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вместо коллектора на анод замедляющей системы. В этом случае замедляется рост выходной мощности и коэффициент усиления ЛБВМ уменьшается. Коэффициент усиления в реальных лампах бегущей волны типа М достигает 40 дБ и более. КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю E_pot = eU₀, Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

В реальных приборах ЛБВ величина КПД не превышает 60 %.

Малогабаритные ЛБВ. Малогабаритными ЛБВ называют, создаваемые на печатных платах лампы, в которых использованы плоские ЗС на диэлектрической подложке. Известны две основные разновидности таких ЛБВ: линейная (рис. 1.6) и дисковая (рис. 1.7) конструкции. В ЛБВ на печатных платах могут быть использованы замедляющие системы типа «плоских спиралей». К ним относятся системы типа «меандр», «зигзаг», «разворачивающаяся спираль» и «концентрические кольца с перемыч­ками». Все они могут быть получены на керамических пластинах методом пленочной технологии.

Рис. 1.6. Схема ЛБВ на печатной плате с четырех­этажной меандровой системой

В ЛБВ, типа плоского пенала (см. рис. 1.6) применена четырехэтажная меандровая ЗС с коаксиальными входом и вы­ходом. На противоположной керамической пластине нанесен симметрич­ный электрод СЭ. Ускоряющий электрод УЭ тоже выполнен в виде двух пленок. Объемной в этой конструкции является только электрон­ная пушка ЭП, формирующая ленточный поток электронов. Для фоку­сировки электронного потока использована, магнитная периодическая фокусирующая система (на рисунке не показана), состоящая из плоских прямоугольных магнитов, расположен­ных с обеих сторон на внешних плоскостях ЛБВ.

В дисковой ЛБВ с радиальным взаимодействием (рис.1.7, а) в центральной части расположен цилиндрический катод - К, окруженный штыревой сеткой - С. Поскольку электронный поток является радиально расходящимся, магнитной фокусирующей системы в этой конструкции нет. Коллектор - Кл расположен на периферийной части ЛБВ и служит ее корпусом. Печатные платы представляют собой керамические диски, на которые нанесены ускоряющий электрод УЭ в виде двух симметрич­ных колец, а также ЗС на одном диске и симметричный электрод СЭ на другом. В качестве ЗС, обеспечивающей синхронизм электронов Эл с радиальной фазовой скоростью бегущей волны, может быть использована разворачивающаяся спираль (спираль Архимеда) (рис. 1.7, в) или система, состоящая из колец с перемычками и пред­ставляющая собой свернутый двухэтажный меандр. Геомет­рический коэффициент радиального замедления ЗС определяется отноше­нием длины окружности кольца или витка спирали к ее шагу. Для поддержания неизменными, фазовой скорости или коэффициента замедления в радиальном направлении, система имеет переменный шаг Аг, который увеличивается от центра к периферии ЗС, где расположены вход и выход.

Рис. 1.7. Схема ЛБВ на печатной плате дисковой конструкции

Малогабаритные ЛБВ технологичны и дешевы в производстве, особенно при массовом выпуске. Они могут обеспечивать выходные мощности 100 — 500 Вт в непрерывном режиме в дециметровом диапазоне длин волн с коэффициентом усиления 30 дБ и КПД до 30 % [6]. Недостатком этих ЛБВ, является малый срок службы вследствие запыления печат­ных ЗС продуктами испарения с катода. Однако, печатные ЛБВ могут быть использованы в качестве приборов одноразового действия, ввиду их невысокой стоимости.

Кроме рассмотренных приборов, существует огромное множество электровакуумных СВЧ приборов и их разновидностей, которые были разработаны учёными за полвека до широкого внедрения полупроводниковых микроволновых приборов. Многие из них уже не применяются, или применяются очень редко, поэтому, здесь не рассматриваются, как не перспективные. Характерной особенностью всех электровакуумных СВЧ приборов, является группирование электронов по плотности потока, даже при отсутствии входного внешнего сигнала. Собственно, этим и отличаются электровакуумные микроволновые приборы, от обычных электровакуумных приборов.

5