4.3. Зоны генерации лов типа о

Электронный поток, поступающий в ЗС ЛОВ, однороден и не имеет предварительной модуляции по скорости и плотности. На «пушечном» конце системы (со стороны вывода энергии) на электроны начинает действовать продольное СВЧ поле Е_z, которое в условиях синхронизма создает модуляцию по скорости, постепенно переходящую в модуляцию пучка по плотности. Как было показано в разделе 1, центром сгустка становится электрон, вошедший в пространство взаимодействия в области перехода поляЕ_zот ускоряющего к тормозящему.

По аналогии с ЛБВ, для передачи энергии полю электроны должны двигаться со средней скоростью v₀,несколько превышающей фазовую скорость замедленной волны (v_ф)_р. При этом электронный сгусток в движущейся системе координат медленно дрейфует слева направо в тормозящем поле волны. Для наиболее полной передачи энергии сгусток должен за время пролета по длине системы пройти всю тормозящую полуволну поля, не переходя, однако, в область ускоряющего поля. Это означает, что разность между изменением фазы волны по длине системы и углом пролета сгустка должна составлять. Возможны также режимы, при которых эта разность составляет (+ 2n)

, (4.9)

где n– любое целое число, включая ноль. С физической точки зрения режимуn= 1 соответствует движение сгустка на протяжении 1/3 длины системы в тормозящем поле, далее на 1/3 длины – в ускоряющем поле и на последней трети – снова в тормозящем СВЧ поле.

С учетом обычной зависимости скорости v₀от постоянного ускоряющего напряженияU₀ последнее выражение дает

(4.10)

где f– частота генерируемых или усиливаемых колебаний.

Из этого уравнения следует, что лампа обратной волны имеет несколько широких зон («порядков») генерации Р_ген=f(U₀),характеризуемых различными номерамиn= 0, 1, 2... Наибольшую выходную мощность обеспечивает зонаn = 0, так как при этом наиболее полно используется длина ЗС.

Уравнение (4.10) позволяет найти не только области самовозбуждения, но и режимы регенеративного усиления ЛОВ. В самом деле, для ЛОВ, как и для других генераторов СВЧ, существует конечная величина пускового тока I_пуск. При малой величине тока пучкаI₀перестает выполняться амплитудное условие самовозбуждения колебаний. Однако внутренняя положительная обратная связь является неотъемлемой особенностью механизма ЛОВ. Поэтому при приближении тока пучка к величинеI_пусккоэффициент усиления ЛОВ может достигать сколь угодно больших значений.

Зависимость генерируемой мощности и коэффициента усиления лампы обратной волны от постоянного конвекционного тока пучка I₀ качественно изображена на рис. 4.4. В принципиальном отношении усилительная лампа обратной волны отличается от генераторной лишь наличием входа СВЧ сигнала, расположенного со стороны коллектора вместо поглотителя на рис. 4.2.

Пусковой ток зон генерации n > 0 значительно превышает пусковой ток нулевой зоны, как показано на рис. 4.4. Причина этого – менее эффективное использование длины ЗС при увеличении номера зоныn.

Практический интерес представляет лишь работа в зоне генерации n= 0. Для того чтобы избежать одновременной генерации в зонахn= 0 иn= 1, происходящей на различных частотах, рабочий ток пучкаI_0раб обычно выбирается в 2–5 раз выше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового тока зоныn= 1.

Рис. 4.4. Зависимость генерируемой мощности и коэффициента усиления ЛОВ от тока пучка при U₀ = const

Поля пространственных гармоник убывают при удалении от проводников ЗС, причем тем быстрее, чем выше номер гармоники |р|. Поэтому самовозбуждение наблюдается обычно лишь на первой обратной гармонике, т. е. прир = –1, и при обсуждении свойств ЛОВ достаточно ограничиться рассмотрением только одной пространственной гармоники.