159 4. Лампы обратной волны типа о

4. Лампы обратной волны типа о

4.1. Переход от лбв генератора к лов

Представленные в предыдущем разделе лампы бегущей волны, принципиально могут быть использованы не только в качестве усилителей, но и в качестве генераторов СВЧ. Для этого требуется лишь создать положительную внешнюю или внутреннюю обратную связь между выходом и входом ЛБВ.

При внутренней обратной связи генерируемая частота имеет ряд дискретных значений, соответствующих различным видам колебаний в ЗС [1, 5]. Ввиду большой электрической длины ЛБВ разделение между частотами соседних видов колебаний оказывается очень малым. Поэтому при работе такого генератора довольно часто наблюдаются перескоки частоты.

Разделение видов колебаний ЛБВ может быть обеспечено за счет сокращения длины лампы или при использовании внешней линии обратной связи, имеющей при той же геометрической длине меньшую электрическую длину. Схема устройства ЛБВ-генератора с внешней обратной связью изображена на рис. 4.1. В качестве цепи обратной связи может быть использован отрезок коаксиального кабеля, линии или волновода с фазовращателем. В цепь обратной связи может быть включен полосовой фильтр для подавления самовозбуждения на нежелательных частотах.

Рассмотрим условия самовозбуждения генератора на ЛБВ. Обозначим через _оси_осгеометрическую длину и фазовую постоянную внешней линии обратной связи, где (v_ф)_ос– фазовая скорость волны в цепи обратной связи. Тогда, полагая фазовую постоянную усиливаемой волны в ЗС ЛБВ равной

Рис. 4.1. Схема генератора на ЛБВ с внешней обратной связью

 и обходя по замкнутому контуру ЗС и линию обратной связи, можно записать фазовое условие самовозбуждения в виде

, (4.1)

где в общем случае n = 0, 1, 2, 3… Через  и v_ф обозначены геометрическая длина ЗС по оси z и фазовая скорость в «горячей» системе.

Уравнение (4.1) обеспечивает синфазность сигнала, возвращающегося по петле обратной связи, с исходным сигналом, бегущим по ЛБВ. Фазовая скорость волны в ЛБВ и постоянная в общем случае зависят от частоты и от постоянного ускоряющего напряженияU₀. Поэтому, меняя величинуU₀, можно в некоторых пределах плавно изменять частоту на каждом из видов колебаний, т. е. получить электронную настройку ЛБВ-генератора.

Для работы в широком диапазоне частот должно соблюдаться постоянство фазы напряжения обратной связи при изменении частоты. Этому условию соответствуют уравнения

(4.2)

или

, (4.3)

где (v_гр)_ос иv_гр– групповые скорости (скорости движения энергии волн) в соответствующих участках рассматриваемой цепи, равные

. (4.4)

Уравнения (4.1) и (4.3) позволяют понять основной недостаток генератора на лампе прямой волны. При нормальной положительной (прямой) дисперсии оба слагаемых в (4.3) имеют положительный знак. Поэтому с изменением частоты оба фазовых угла в (4.1) изменяются в одну и ту же сторону. Обеспечить равенство нулю суммы групповых задержек по условию (4.3) не удается. По этой причине ЛБВ-генератору присущи ограничения диапазона электронной настройки, свойственные всем приборам с резонансной колебательной системой.

Реальный диапазон электронной настройки ЛБВ-генератора обычно составляет от десятых долей процента до нескольких процентов от средней частоты, т. е. имеет такой же порядок, что у отражательных клистронов. Следует иметь в виду, однако, конструктивную и эксплуатационную сложность ЛБВ в сравнении с отражательными клистронами. По этой причине, а также в связи с появлением ЛОВ, обладающих чрезвычайно широким диапазоном электронной настройки, генераторы на ЛБВ не находят сколько-нибудь существенного применения.

Таким образом, несмотря на широкополосные свойства в режиме усиления, ЛБВ не позволяет получить хороших результатов при ее использовании в качестве генератора с электронной настройкой.

Диапазон электронной настройки генератора на ЛБВ удалось бы значительно расширить, если групповые скорости волны v_гри (v_гр)_осимели бы разные знаки. Для этого необходимо, чтобы ЗС или линия обратной связи (рис. 4.1) обладала отрицательной дисперсией,при которой групповая скорость направлена в сторону, противоположную фазовой скорости волны, и поэтому имеет отрицательный знак.

Все обычные передающие линии имеют положительную, нормальную дисперсию (v_гр> 0,< 0) и, следовательно, непригодны для указанной цели. Положение изменяется, если в качестве основной волноведущей структуры лампы использовать периодическую замедляющую систему и отказаться от применения внешней линии обратной связи. В основе дальнейшего изложения материала лежит использование синхронизма электронов с обратной (отрицательной) пространственной гармоникой волны, фазовая скорость которой направлена в сторону, противоположную групповой скорости.