4.4. Электронная настройка лов типа о
Широкий диапазон электронной настройки – одно из главных преимуществ ЛОВ. Электронная настройка – это зависимость частоты генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения. Условием положительной обратной связи внутри лампы является приблизительно синхронное движение электронов с первой обратной пространственной гармоникой (р = –1). Следовательно, при изменении ускоряющего напряжения должна изменяться величина скорости обратной гармоники, удовлетворяющая условию самовозбуждения. Поскольку ЗС обладаетдисперсией, изменение ускоряющего напряжения должно вызывать изменение частоты генерируемых колебаний. Крутизна и знак электронной настройки зависят от формы дисперсионной характеристики ЗС.
Дисперсия пространственных гармоник в периодических ЗС всегда является аномальной, т. е. абсолютная величина фазовой скорости |vф|рувеличивается с ростом частоты. Для подтверждения этого достаточно обратиться к уравнениям (4.6) и (4.7)
,
(4.11)
где (vф)0– фазовая скорость нулевой гармоники.
Отсюда можно сделать общий вывод, что в условиях синхронизма с обратной волной частота колебаний, генерируемых ЛОВ, должна увеличиваться при повышении постоянного ускоряющего напряжения.
В качестве примера рассмотрим ЗС типа встречных штырей, широко применяемую в лампах обратной волны. Положим, что в зазоре между штырями в направлении, показанном пунктиром на рис. 4.5, распространяется волна типа ТЕМ, как по волнообразно
Рис. 4.5. Распространение волн в ЗС типа встречных штырей
изогнутой ленточной линии. Электронный поток проходит прямолинейно со скоростью v0параллельно поверхности штырей по средней линии системы. Направление движения электронов примем сначала в направлении оси +z. При этом электроны периодически проходят через участки СВЧ поляЕz, сосредоточенного между штырями. В промежутках между этими участками над поверхностью штырей электроны двигаются, как в пространстве дрейфа пролетного клистрона.
Для получения фазового синхронизма с волной необходимо, чтобы время пролета электронов между точками А и Б равнялось сумме времени пробега волны ТЕМ между теми же точками и половины периода СВЧ колебаний (ввиду того, что электроны пересекают ленточную линию в точке Б в направлении, противоположном направлению в точке А).Синхронизм не нарушается при добавлении любого целого числа периодов колебаний
(4.12)
Через собозначена скорость света
в свободном пространстве. Поскольку
,
получаем
,
(4.13)
где – длина волны в свободном пространстве.
При р= –1 скорость электронов и соответствующая ей фазовая скорость волны имеют наибольшую величину и равны
.
(4.14)
Именно эта волна, являющаяся основной волной системы встречных штырей, используется в лампах обратной волны.
Отрицательный знак перед выражением (4.14) указывает на то, что для получения синхронизма с гармоникой р = –1 электронный поток следует пропускать не в направлении оси +z, а в противоположном направлении, т. е. навстречу движению энергии по линии. Учитывая это и рассматривая абсолютную величину скорости электронов в приборах типа О, получаем
.
(4.15)
Отсюда определяется длина волны колебаний, генерируемых или усиливаемых ЛОВ в зависимости от постоянного ускоряющего напряжения U0 при заданных геометрических размерах L и l
.
(4.16)
Ширина диапазона электронной перестройки характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона п =fмакс/fмин, гдеfмаксиfмин – максимальная и минимальная граничные частоты диапазона. Для ЛОВ с коаксиальным выводом энергии обычноdп 2, а с волноводным выводом определяется полосой пропускания стандартного волноводного тракта и равенdп = 1,51,6.
|
Рис. 4.6. Зависимость частоты от ускоряющего напряжения |
Для характеристики зависимости частоты от напряжения используют крутизну электронной перестройки частоты S = = df/dU0. Примерная зависимость частоты от напряжения показана на рис. 4.6 (кривая 1). Крутизна электронной перестройки частоты уменьшается с ростом U0. Для ЛОВ сантиметрового диапазона крутизна не больше нескольких мегагерц на вольт, а для |
миллиметрового – десятки мегагерц на вольт. В действительности кривая электронной перестройки частоты имеет «волнистый» характер (кривая 2). Объясняется это влиянием отражений энергии от поглотителя ЗС и от элементов системы вывода энергии и внешнего тракта.