152

3. Лампы бегущей волны типа о

3.1. Принцип действия лбв типа о и ее конструктивные особенности

В основе работы усилительных и генераторных ЛБВ лежит процесс длительного взаимодействия пучка электронов с бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе. Этим ЛБВ существенно отличаются от приборов СВЧ с резонансными колебательными системами, – триодов, клистронов и магнетронов. Однако в ЛБВ происходят те же основные электронные процессы, что и в других электровакуумных приборах – группировка электронов и передача СВЧ полю энергии электронов, приобретенной ими от постоянного электрического поля.

Важным преимуществом ЛБВ, как усилителей, является их широкополоcноcть. Во всех усилительных приборах с резонансной колебательной системой рабочая полоса частот определяется нагруженной добротностью используемого колебательного контура или системы контуров. В лампах с нерезонансной колебательной системой этого ограничения не существует. Его не существует и при использовании ламп с длительным взаимодействием в качестве генераторов. Их основным достоинством является широкий диапазон электронной настройки.

Для осуществления длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем необходимо соблюдать условия фазового синхронизма, т. е. приблизительного совпадения скорости электроновv₀ с фазовой скоростью волныv_ф:

v₀ »v_ф . (3.1)

Поскольку скорость электронов всегда меньше скорости света с в свободном пространстве, из условия (3.1) следует, что фазовая скорость взаимодействующей с электронами волны также меньшес. Это означает, что электроны должны двигаться вполе замедленной электромагнитной волны. Для этого в большинстве ламп бегущей волны используются замедляющие системы – волноводные структуры, удовлетворяющие условию v_ф < с.Обычно величина коэффициента замедления лежит в пределах от 2 до 40.

Как известно [1, 8], поле периодических замедляющих систем содержит бесконечное множество одновременно существующих прямых и обратных пространственных гармоник cразличными фазовыми скоростями, бегущих в системе, как в направлении движения электромагнитной энергии, так и в противоположном направлении. Подбирая скоростьv₀и направление движения электронов, можно удовлетворить условию синхронизма (3.1) для одной из пространственных гармоник и обеспечить взаимодействие электронного потока как с прямой, так и обратной волнами.

Приборы, в которых электронный поток взаимодействует с основной прямой замедленной волной (положительной пространственной гармоникой), называются лампами прямой волны.За этими приборами закрепилось название лампы бегущей волны. Приборы, в которых используется взаимодействие электронов с обратными волнами (отрицательными пространственными гармониками), появились позднее и получили название лампы обратной волны (ЛОВ).

Отличительной особенностью ламп прямой волны является то, что направление движения электронов совпадает с направлением движения энергии по ЗС. В ЛОВ электронный поток двигается навстречу потоку энергии. Эти особенности определяют расположение входа и выхода СВЧ сигналов. В лампах прямой волны вывод энергии расположен со стороны коллектора, в то время как в ЛОВ вывод энергии находится на другом конце ЗС со стороны электронной пушки.

Лампы прямой и обратной волны подразделяются на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля. К первой группе относятся лампы с продольным магнитным полем, служащим только для фокусировки прямолинейного электронного пучка, так называемые приборы типа О. Вторая группа ЛБВ и ЛОВ называется приборами типа М и отличается тем, что постоянное магнитное поле является поперечным.Электроны в лампах М-типа двигаются в постоянных скрещенных электрическом и магнитном полях, как в обычных магнетронных генераторах.

Классическим представителем подобных микроволновых приборов является усилительная ЛБВО, устройство которой схематически изображено на рис. 3.1. Лампа имеет спиральную ЗС с коаксиальными входом и выходом, электронную пушку с катодом и анодом с потенциалом U₀ , таким же, как и потенциал ЗС. Замедляющая система, связанная с внешними линиями передачи, обычно заземляется, так что катод пушки находится под высоким отрицательным напряжением. Электронный поток фокусируется постоянным магнитным полем соленоида и оседает на коллекторе.Движение энергии

Рис. 3.1. Схема устройства усилительной ЛБВ типа О: 1 – катод, 2 – анод (ускоряющий электрод), 3 – коллектор, 4 – спираль, 5 – соленоид, 6 – вход, 7 – выход, 8 – стеклянная колба, 9 – электронный пучок

по ЗС происходит в направлении движения электронов.. Начальный участок спиральной ЗС ЛБВ выполняет функции устройства, модулирующего электронный поток по скорости. Электронные сгустки, формирующиеся по мере движения вдоль оси лампы, наводят в той же спирали ток и

создают тормозящее высокочастотное поле, обеспечивающее отбор энергии от электронного потока и усиление входного сигнала.

Условие максимального коэффициента усиления ЛБВ со спиральной ЗС в зависимости от постоянного ускоряющего напряжения U₀можно получить из следующих элементарных соображений. В первом приближении можно считать, что электромагнитная волна распространяется вдоль провода; скорость волны при этом равнас. Тогда коэффициент замедления волны, распространяющейся по спирали, равен отношению длины витка к шагу спиралиh. Обозначив средний радиус спирали череза,можно записать фазовую скорость основной замедленной волны в виде

. (3.2)

Последнее уравнение можно представить также в виде

v_ф =сsiny, (3.2a)

где y– шаговый угол спирали с плоскостью, перпендикулярной оси спирали, определяемый из соотношения

. (3.2б)

Скорость электронов v₀определяется постоянным напряжениемU₀ и без учета релятивистских эффектов равна

. (3.3)

Из уравнений (3.2) и (3.3) с учетом условия синхронизма v₀v_фоптимальное ускоряющее напряжение (U₀)_опт, для рассматриваемого усилителя равно

. (3.4)

Это уравнение не учитывает дисперсии, имеющейся у спиральной ЗС, и влияния диэлектрических опор спирали на величину фазовой скорости.

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента усиления ЛБВ типа О от постоянного ускоряющего напряжения U0 при фиксированной частоте

На рис. 3.2 показана качественная зависимость коэффициента усиления ЛБВ от ускоряющего напряжения U0.Максимум этой кривой соответствует оптимальному напряжению, определяемому выражением (3.4).При отклонении ускоряющего напряжения от величиныU0(опт), удовлетворяющей условию синхронизма, выходная мощность ЛБВ резко падает.

Среди других приборов с длительным взаимодействием и нерезонансной колебательной системой ЛБВО находят сейчас наиболее широкое применение в качестве усилителей малого сигнала и мощных усилителей СВЧ.