4.6 Лампа обратной волны Устройство лампы обратной волны (ЛОВ) показано схематически на рис. 4.8, где 1 —электронная пушка, 2 —вывод энергии, 3 —замедляющая система,' 4 —поглотитель, 5 —коллектор, 6 —фокусирующая система. В ней используется магнитная фокусировка электронного потока. В отличие от ЛБВ, электронный поток взаимодействует с одной из обратных пространственных гармоник бегущей волны, которая, как известно из § 4.2, характеризуется тем, что ее фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления. Так как сопротивление связи пространственных гармоник резко уменьшается с увеличением номера гармоники, то в ЛОВ используются обычно такие замедляющие системы, в которых обратная пространственная гармоника является основной гармоникой либо минус первой. Пусть в ЛОВ электронный поток взаимодействует с полем первой обратной пространственной гармоники, фазовая скорость которой совпадает с направлением движения электронов и из (4.6) и равна . Для эффективного взаимодействия, так же как и в ЛБВ, скорость электронного потока ve должна немного превышать скорость волны vф(-1). Будем считать ve ≈ vф(-1). Электроны группируются в сгустки, которые расположены в области тормозящего поля, и отдают при торможении часть кинетической энергии электромагнитной волне. При этом энергия в замедляющей системе в соответствии с направлением групповой скорости распространяется навстречу электронному потоку, т. е. от коллектора к пушке. Поэтому в ЛОВ вывод энергии необходимо располагать возле электронной пушки. Поглотитель в ЛОВ необходим для предотвращения возбуждения на прямой гармонике, а также для устранения влияния отражений от нагрузки. Если ЛОВ на выходе плохо согласована с нагрузкой, то отраженная волна возвращается в пространство взаимодействия и двигается к коллектору взаимодействия с электронным потоком, так как не выполняется условие синхронизма. Затем она отражается от конца замедляющей системы у коллектора (если там нет поглотителя) двигается к выходу ЛОВ и взаимодействует с электронным потоком. На выходе суммируются мощности основной волны и отраженной. Если фазы этих волн совпадают, то выходная мощность возрастает, если противоположны — то уменьшается. Поэтому при отсутствии поглотителя наблюдаются колебания выходной мощности в рабочем диапазоне частот. Распространение энергии в направлении, обратном направлению движения электронного потока, создает внутреннюю положительную обратную связь между полем волны и потоком электронов. Эта связь распределена во всем пространстве взаимодействия. Часть энергии волны возвращается электронному потоку, что способствует дальнейшему группированию потока и возникновению автоколебательного режима. Частоту колебаний автоколебательной системы с внешней цепью обратной связи обычно находят из условия баланса фаз, т.е. из условия, что суммарный сдвиг фазы в замкнутом контуре, определяющем усиление и обратную связь, кратен 2π. Такой подход не возможен в ЛОВ с распределенной обратной связью, так как в ней много петель обратной связи, и обратная связь осуществляется на любом элементе длины замедляющей системы. Поэтому фазовое условие самовозбуждения колебаний свяжем с условием наилучшей передачи энергии от электронного потока СВЧ полю. Это условие состоит в том, что образовавшийся сгусток электронов не должен выходить из тормозящего поля электромагнитной волны. Другими словами, необходимо, чтобы относительный сдвиг фаз ∆φ волны и сгустка не превышал π т. е. (4.22) где определяет сдвиг фаз, создаваемый волной обратно пространственной гармоники, a — электронным потоком. Очевидно, что в общем случае ∆φ может быть равно нечетному числу π: (4.23) Число n называют порядком колебаний в ЛОВ или номером зоны колебаний. Например, для зоны n = 1, ∆φ=3π, поэтому 2/3 пути электронные сгустки проходят в тормозящем, а 1/3 — в ускоряющем полях, отбирая на этом участке энергию от поля волны. В связи с этим результирующая энергия, передаваемая от электронного потока полю, становится меньше, чем в зоне n = 0, которую обычно называют основной. Если путем изменения ускоряющего напряжения U0 изменить скорость движения электронов ve, то (4.23) будет выполняться уже для другого значения фазовой скорости vф(-1) обратной пространственной гармоники. Например, с увеличением U0 скорость электронов ve возрастает и для выполнения (4.23) необходимо увеличение vф(-1). Так как дисперсия фазовой скорости обратных пространственных гармоник аномальная, то фазовая скорость vф(-1) возрастает при увеличении частоты. Таким образом, увеличение U0 приводит к увеличению частоты генерируемых колебаний. Этим и объясняется электронная перестройка частоты генерируемых колебаний. Генерация колебаний в ЛОВ начинается при определенном минимальном значении анодного тока, который называется пусковым. При этом мощность возбуждаемых колебаний в ЛОВ превышает потери мощности в замедляющей системе (условие баланса амплитуд). Пусковой ток, требуемый для начала самовозбуждения, увеличивается с ростом номера n. В [13] получены приближенные формулы для определения пускового тока ЛОВ и электронного КПД: Iп ≈ 0,124U0/RсвN3; ηэ ≈ 0,84C. Пусковой ток уменьшается с увеличением сопротивления связи Rсв замедляющей системы, а также с увеличением электрической длины замедляющей системы. Параметр усиления С в ЛОВ мал, поэтому электронный КПД составляет примерно несколько процентов. На рис. 4.9 приведена зависимость КПД ЛОВ от отношения рабочего тока I0 к пусковому. По оси ординат отложено отношение нормированного значения КПД к параметру С. Данная зависимость получена в результате решения уравнений нелинейной теории ЛОВ. Рис. 4.9 Рис. 4.10 При увеличении рабочего тока увеличиваются входная мощность и соответственно КПД. Максимальное значение КПД получается при отношении I0/Iп=3÷5. Затем при увеличении рабочего тока КПД и выходная мощность уменьшаются. Важной характеристикой ЛОВ является зависимость выходной Мощности и частоты генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения (рис. 4.10). С увеличением ускоряющего напряжения частота генерируемых колебаний увеличивается, т. е. имеет место электронная перестройка частоты генерируемых колебаний. Частотная характеристика ЛОВ является нелинейной. Закон изменения частоты обусловлен дисперсией замедляющей системы. Ширина рабочего диапазона электронной перестройки частоты генератора на ЛОВ определяется характеристиками замедляющей системы и допустимыми пределами изменения выходной мощности. При коаксиальном выводе энергии ЛОВ имеют коэффициент перекрытия диапазона δп ≈ 2, а с волноводным выводом — δп ≈ 1,5÷1,6. Для характеристики зависимости частоты от напряжения удобно пользоваться понятием крутизны электронной перестройки частоты: S=df/dU0. Для ЛОВ сантиметрового диапазона крутизна —- не больше нескольких мегагерц на вольт, а для миллиметрового —- десятки мегагерц на вольт. Рассмотрим теперь зависимость выходной мощности от ускоряющего напряжения. Сначала Рвых растет, так как увеличивается подводимая в ЛОВ мощность постоянного тока P0=I0U0, а затем в связи с увеличением Iп рост Рвых замедляется, возможно наступление насыщения и даже спада. Кривая выходной мощности весьма изрезана вследствие отражений от поглотителя и недостаточного согласования замедляющей системы с выходным волноводом. Лампа обратной волны может быть использована также как усилитель. В этом случае рабочий ток лампы должен быть меньше пускового. Процесс усиления в ЛОВ аналогичен процессу усиления в ЛБВ, только сигналы усиливаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Поэтому вход лампы расположен возле коллектора, а выход, как и в генераторе, — около электронной пушки. Такой усилитель является регенеративным. Кривая усиления имеет вид узкой резонансной кривой, центр которой определяется условием синхронизма. При изменении ускоряющего напряжения условие синхронизма будет выполняться для другой частоты, и кривая усиления смещается по оси частот. Такое свойство усилительной ЛОВ позволяет использовать ее в качестве селективного усилителя с высокой избирательностью по частоте и электронной перестройкой резонансной частоты в широких пределах. Однако усилительные ЛОВ применяются мало. Лампы обратной волны применяются в качестве гетеродинов радиолокационных и связных приемников, в задающих генератоpaх передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ системах передачи данных, в свипгенераторах измерительной аппаратуры. Разработаны ЛОВ для диапазона часто от 0,5 до 870 ГГц. Основное достоинство ЛОВ, как уже было сказано, заключается в возможности электронной перестройки частот ты в широкой полосе. Однако ев последние годы в связи с крупными достижениями в области полупроводниковых приборов СВЧ начался процесс замены ЛОВ во вновь разрабатываемой аппаратуре на частотах до 10—12 ГГц на полупроводниковые генератору СВЧ. На более высоких частотах вместо ЛОВ все чаще используются генераторы на диодах Ганна. Полупроводниковые генераторы на диодах Ганна уже имеют предельную частоту 94 ГГц, а на ЛПД — 110 ГГц. Проводятся также, разработки этих приборов для более высоких частот. В настоящее время выпускаются ЛОВ в основном для замены вышедших из строя в уже существующей аппаратуре. Максимальная выходная мощность ЛОВ составляет 100 Вт на частоте 30 ГГц, 1 Вт на частоте 70 ГГц и 10 мВт на частоте 400 ГГц. Новые типы ЛОВ разрабатываются только в субмиллиметровом диапазоне. Так, недавно закончилась разработка ЛОВ в полосе частот 340— 400 ГГц с выходной мощностью, превышающей 10 мВт, рабочее напряжение изменяется от 4 до 8 кВ. Эта ЛОВ предназначена для применения в космической аппаратуре. В приборе использован магнит из сплава самарий-кобальт, масса прибора 10 кг. Контрольные вопросы. Объясните принцип длительного взаимодействия электронного потока с волной. При каком соотношении скорости электронов и фазовой скорости возможен отбор энергии у электронного потока? Что такое дисперсия. Перечислите основные виды дисперсии? Что такое пространственные гармоники? Какими параметрами они отличаются? Объяснить схематическое устройство и принцип действия ЛБВ. Объяснить назначение и работу основных узлов ЛБВ (электронной пушки, замедляющей системы, фокусирующей системы, коллектора, поглотителя СВЧ энергии). Каким образом устраняется самовозбуждение ЛБВ? Объясните зависимость РВЫХ от тока луча, ускоряющего напряжения. От каких факторов зависит рабочая полоса частот усилительной ЛБВ? Объясните амплитудную и амплитудно-частотную характеристики ЛБВ. Какие методы используются для повышения КПД? Каковы причины шумов ЛБВ? Какие меры предпринимаются для ослабления шумов? Перечислите преимущества и недостатки фокусирующих систем различного типа. назад | оглавление | вперёд