Усилители и генераторы на ЛБВ

Общие сведения об ЛБВ.

Лампы бегущей волны (ЛБВ) применяются для усиления и генерации электрических колебаний в диапазоне дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Принцип действия усилителей и генераторов с такими лампами основан на длительном взаимодействии замедленной бегущей волны электромагнитного поля с электронным потоком неодинаковой плотности. Время взаимодействия поля и электронного потока (луча) обычно измеряется десятками периодов высокочастотных колебаний.

В любой конструкции на ЛБВ имеются следующие элементы: электронная пушка, замедляющая система, фокусирующая система, кол-лектор, входное и выходное устройства (если ЛБВ усилительная) и только выходное устройство (если ЛБВ генераторная).

Усилители на ЛБВ.

Наиболее распространённая схема усилителя на ЛБВ изображена на рис.12.28.

Рис.12.28. Схема усилителя на ЛБВ.

Основным элементом усилителя является сама лампа. Её стеклянный баллон 1 выполнен в виде длинной трубки диаметром 1 – 2 см. Типичная длина такой ЛБВ равна 20 – 40 см. В центре баллона располо-жена проволочная спираль 2. Диаметр спирали бывает 3 – 5 мм. Спираль закреплена четырьмя или тремя тонкими стержнями 3 из кварцевого стекла или керамики. На одном конце лампы расположена электронная пушка, состоящая из катода 4, управляющего электрода 5 и двух цилиндрических анодов и .

Электронная пушка служит источником свободных электронов и обес-печивает их введение в спираль. Электроны летят внутри спирали к коллектору 6.

Лампа помещена в металлический цилиндр, изготовленный из диамагнитного материала (обычно латунь). Он образует наружный провод коаксиальной линии, а её внутренним проводом является спираль, выполняющая роль замедляющей системы. Металлический цилиндр соединён с широкими стенками двух волноводов, в которых сделаны отверстия для лампы.

Между волноводами намотана основная фокусирующая катушка 9. Её часто называют соленоидом. По виткам соленоида проходит постоянный ток, создающий в лампе продольное магнитное поле. Благодаря этому электроны летят внутри спирали очень узким лучом. Предварительная фокусировка электронного луча и сообщение ему кинетической энергии движения осуществляются анодами электронной пушки.

На концах лампы помещаются дополнительные катушки 10. Они улучшают фокусировку электронного луча в области входного и выход-ного волноводов. Основная и дополнительные фокусирующие катушки выполняются из отдельных секций. Каждая секция намотана из оксиди-рованной алюминиевой фольги. Общее число витков фокусирующих катушек огромно. Поэтому напряжённость фокусирующего магнитного поля внутри ЛБВ получается порядка десятков ампер на метр.

Из схемы усилителя видно, что спираль лампы с обоих концов соединена с металлическими цилиндрами, имеющими длину, близкую к четверти волны усиливаемых колебаний. Эти цилиндры вместе с наруж-ной металлической трубкой (соединённой с волноводами) представляют два коаксиальных дросселя. Благодаря им не происходит утечки высоко-частотной энергии с обеих сторон лампы.

Концы спирали 7 и 8 выполняют роль переходных устройств. Их часто называют элементами связи между волноводами и лампой или спиральными миниатюрными антенками. Поскольку спираль имеет соединения со вторым анодом, то она находится под положительным потенциалом относительно катода. В паспорте ЛБВ, а также в описаниях конструкций напряжение второго анода часто называют напряжением спирали. Оно бывает порядка сотен или тысяч вольт. На первом аноде напряжение значительно меньше.

Необходимыми элементами усилителя являются два согласующих поршня 11 и 12. При помощи поршня 11 производят согласование входного волновода с лампой для получения режима бегущих волн в волноводе. При помощи поршня 12 осуществляют согласование лампы с выходным волноводом для получения режима бегущих волн в лампе. Практически обе регулировки взаимосвязаны. Они производятся один раз на заводе и в процессе эксплуатации усилителя не изменяются. Для точной установки лампы по центру фокусирующего магнитного поля в конструкции усилителя предусматриваются юстировочные (центрирующие) приспособления. Это могут быть эксцентриковые втулки, центрирующие винты или иные устройства.

Пользуясь рис.12.28, разберём физические процессы, происходящие в ЛБВ при усилении радиоимпульсов.

1-й случай. Источники питания включены, но сигнала на входе усилителя нет.

Рис.12.29. Электрическое ВЧ поле бегущей волны внутри спирали при отсутствии электронного потока.

При данном условии внутри спирали имеется только одно продольное магнитное поле фокусирующих катушек. Других полей в ЛБВ нет. Поскольку катод лампы накалён, то электроны вылетают из него и, попадая под воздействием электрического поля анодов, устрем-ляется к коллектору.

Сквозь отверстие второго анода электроны движутся равномерным потоком. Магнитное поле фокусирующих катушек удерживает электрон-ный поток в виде тонкого луча. Оно не изменяет энергии электронов. Поэтому внутри спирали электроны летят с постоянной скоростью. В любом сечении спирали плотность электронного луча одинакова.

В этом случае на выходе усилителя высокочастотных колебаний нет.

2-й случай. На вход усилителя поступает высокочастотный сигнал (радиоимпульс), но источники питания схемы не включены.

При отключённом питании катод ЛБВ холодный и электронного потока в лампе нет. Нет и магнитного поля фокусирующих катушек. Если в это время на вход усилителя поступает радиоимпульс, то во входной спиральной антенне возбуждаются высокочастотные колебания. Они создают в лампе электромагнитное поле высокой частоты, переме-щающееся вдоль оси спирали. Картина высокочастотного электрического поля, возникающее между витками спирали показана на рис.12.29. Маг-нитное высокочастотное поле, возникающее в ЛБВ, на рисунке не показано.

Если положение поршней настройки обеспечивает полное согласование лампы с волноводами, то вдоль оси спирали распространя-ется только бегущая волна электромагнитного поля. Скорость её перемещения значительно меньше скорости света. Эта скорость называ-ется фазовой скоростью волны в спирали. Она меньше скорости света во столько раз, во сколько раз длина витка спирали больше шага её намотки. Поэтому спираль называют замедляющей системой ЛБВ.

Фазовую скорость бегущей волны в ЛБВ можно найти по формуле:

= 3 ˖ (12.13)

где – длина спирали;

длина провода спирали.

Обычно = (10 – 30) . В этом случае фазовая скорость усиливаемой волны в 10 – 30 раз меньше скорости света. В рассматри-ваемом случае в любом сечении спирали действующее значение напря-жённости высокочастотного поля одинаково. Поэтому мощность сигнала на выходе ЛБВ такая же, как на входе. Следовательно, усиление сигнала нет. В этом случае ЛБВ выполняет роль коаксиального фидера, в котором электромагнитная энергия распространяется с малой скоростью.

3-й случай. На вход усилителя поступает высокочастотный сигнал (радиоимпульс) при включённых источниках питания схемы.

Если радиоимпульс (сигнал) поступает на вход усилителя при наличии электронного потока в лампе, то появление бегущей волны высокочастотного электрического поля внутри спирали вызовет группи-рование электронов в сгустки. Процесс группирование заряда внутри спирали поясняется рис.12.30 на примере семи электронов.

Рис.12.30. Действие сил высокочастотного электрического поля бегущей волны на электроны луча.

Из рисунка видно, что при указанном положении бегущей волны в лампе электроны 3 и 7 будут тормозиться, а следовательно, они будут отставать от поля. Электроны 1 и 5 будут ускоряться и обгонять электрическое поле. Таким образом произойдёт уплотнение заряда вокруг электронов 2 и 6, скорость которых неизменна и определяется величиной постоянного напряжения на втором аноде лампы.

Из рисунка следует, что сгустки электронов создаются в местах, предшествующих тормозящему электрического полю, так как электроны и поле двигаются в одном направлении.

Если анодное напряжение выбрано так, что скорость движения обра-зующихся электронных сгустков окажется несколько больше фазовой скорости бегущей волны, то электронные сгустки будут постепенно обгонять высокочастотное поле. Одновременно будет продолжаться процесс концентрации заряда в сгустках.

Рис.12.31. Действие сил высокочастотного электрического поля бегущей волны внутри спирали при наличии электронного потока.

При таком режиме ЛБВ движение электронных сгустков сопровож-дается торможением их, а следовательно, частичной отдачей энергии высокочастотному полю. При этом напряжённость поля бегущей волны возрастает по мере её приближения к коллектору (рис.12.31). В этом и заключается процесс усиления высокочастотных колебаний, в результате которого напряжение и мощность сигнала на выходе ЛБВ оказывается значительно больше, чем на входе.

Величина коэффициента усиления ЛБВ существенно зависит от напряжения на анодах электронной пушки и особенно от напряжения (рис.12.32). Причина такой зависимости поясняется рис.12.33. Там изображено мгновенное положение бегущей волны высокочастотного поля сигнала в ЛБВ для трёх различных напряжений на втором аноде. Приведённые графики легко объяснить. При оптимальном напряжении на втором аноде скорость электронных сгустков, образующихся внутри спирали, такова, что они, обгоняя высокочастотное тормозящее поле, покидают его в самом конце лампы. Поэтому процесс торможения сконцентрированного заряда происходит наиболее полно. Следствием этого является наибольший усилительный эффект.

Если напряжение на втором аноде установлено меньше оптимального, то электронные сгустки в процессе их полёта не успевают испытать торможения в пределах всего участка тормозящего поля и усилительный эффект лампы получается меньше максимально возможного.

Рис.12.32. Зависимость усиления ЛБВ от напряжения на втором аноде.

Если напряжение на втором аноде установлено больше оптимального, то каждый сгусток электронов в процессе его полёта успевает пролететь не только весь тормозящий участок высокочастотного поля, но и попасть в участок ускоряющего поля. В этом случае максимальная напряжённость поля сигнала получается не на конце спирали, и поэтому усилительные свойства ЛБВ используются не полностью.

Выбор оптимального напряжения на втором аноде лампы произво-дится перемещением движения потенциометра (рис.12.28).

Поскольку измерение напряжения радиоимпульсов в диапазоне санти-метровых волн производить затруднительно, а измерение их мощности не представляет особого труда, то принято указывать и измерять коэф-фициент усиления усилителя на ЛБВ по мощности. Обычно он бывает равен 20 – 50 дБ. Это означает, что мощность сигнала на выходе усилителя превышает мощность сигнала на входе в сотни или тысячи раз.

Так как в усилителе на ЛБВ входное сопротивление равно выходному сопротивлению, то его коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен коэффициенту усиления по мощности.

Рис.12.33. Мгновенное положение бегущей волны высокочастотного поля сигнала в ЛБВ.

Усилитель на ЛБВ имеет специфическую особенность. Она заключа-ется в его широкой полосе пропускания. При частоте усиливаемого сигнала в несколько тысяч мегагерц полоса пропускания усилителя измеряется сотнями мегагерц. Объясняется это тем, что в ЛБВ нет резонансной системы. Поэтому полоса пропускания усилителя ограничи-вается только переходными и согласующими устройствами, которые весьма широкополосны.

Полосу пропускания усилителей на ЛБВ принято измерять в процен-тах от несущей частоты усиливаемого сигнала. Обычно она бывает около 10 – 40 %. Это обстоятельство позволяет усиливать (или генери-ровать) при помощи ЛБВ радиоимпульсы очень малой длительности (единицы наносекунд).

Рассмотренная конструкция спиральной ЛБВ является простейшей. Наряду с ней имеются и более сложные конструкции.

3. Генераторы на ЛОВ.

Типичная конструкция генератора на лампе обратной волны показана на рис.12.34.

Рис.12.34. Конструкция генератора на ЛОВ (упрощённая).

В изображённом образце лампы используется замедляющая система типа «встречные штыри». Данную систему можно рассматривать как отрезок зигзагообразного прямоугольного волновода без узких стенок. В этом волноводе легко возникают колебания различных частот. Их называют пространственными гармониками. Причиной возникновения многочисленных колебаний в ЛОВ являются шумовые флюктуации электронного потока.

Электромагнитные волны возникающих колебаний начинают рас-пространяться по извилистому волноводу в обоих направлениях. Но только одна из волн быстро нарастает (усиливается сгустками электронов). Все остальные волны почти мгновенно затухают.

Эксперименты показывают, что нарастающая (генерируемая) волна распространяется навстречу электронному потоку и в этом смысле является волной обратной. Её длина (частота) определяется средней скоростью электронов в луче, которая зависит от ускоряющего напря-жения электронной пушки. Его часто называют напряжением элек-тронного луча или напряжением электронного пучка.

Поскольку энергия генерируемой волны возрастает по мере её удаления от коллектора, то выход генератора на ЛОВ всегда нахо-дится вблизи анодов электронной пушки.

Изменением напряжения луча можно изменять частоту генериру-емых колебаний в широких пределах. Такая перестройка генератора называется электронной, поскольку она осуществляется за счёт изме-нения скорости электронов. Обычно диапазон электронной перестройки ЛОВ бывает около ± 30 ÷ 40 % средней частоты генери-руемых колебаний. Столь широкий диапазон плавной перестройки генератора на ЛОВ выгодно отличает его от всех остальных генера-торов СВЧ.

Важное свойство генератора на ЛОВ заключается также и в том, что частота генерируемых колебаний практически не зависит от ха-рактера внешней нагрузки. Это объясняется тем, что в ЛОВ нет колебательной системы.

Поясним несколько подробнее физический процесс передачи энергии электронного луча генерируемой волне. Для этого предполо-жим, что в лампе возникла волна требуемой частоты и движется от коллектора к выходу генератора.

По волноводным зигзагам (между встречными штырями) волна распространяется со скоростью света. Вдоль оси лампы скорость движения волны значительно меньше. В процессе движения волны по волноводу без узких стенок её электрическое поле частично располо-жено в пространстве около штырей. Именно здесь (с двух сторон от штырей) необходимо иметь электронные лучи с неравномерной плотностью электронов. Тогда они окажутся на пути замедленного движения электрического поля генерируемой волны.

Двойной электронный луч в ЛОВ создаётся электронной пушкой с двумя отверстиями в анодах (рис.12.35).

Из рисунка видно, что электрическое поле волны, бегущей от коллектора, может многократно тормозить электронные сгустки, летящие навстречу волне. Наибольший эффект такого взаимодействия достигается в том случае, если каждый электронный сгусток испытает максимально возможное число торможений. Получается это тогда, когда скорость электронных сгустков оказывается намного больше фазовой скорости волны. Напомним, что фазовой скоростью называется скорость распространения какой-либо условной точки волны, характеризуемой неизменным направлением и неизменной напряжённостью поля.

Рис.12.35. Взаимодействие электронных сгустков двух лучей ЛОВ с электрическим полем генерируемой волны.

Фазовая скорость вдоль оси ЛОВ направлена в сторону коллектора, хотя энергия волны распространяется от коллектора. Скорость распространения энергии называется групповой скоростью волны. Таким образом, направление фазовой скорости вдоль оси ЛОВ совпадает с направлением электронного потока, но противоположно направлению групповой скорости.

Кажущееся несоответствие этих понятий трудно объяснить кратко, но в ЛОВ именно обратная волна осуществляет группирование электронов в сгустки и она же отбирает от них энергию. Поэтому напряжённость поля обратной волны, а следовательно и её энергия возрастают по мере приближения её к выходу генератора.

Торможение электронных сгустков в ЛОВ может быть только прерывистым. Поэтому энергия генерируемой волны возрастает дискретными порциями. Число этих порций примерно равно числу штырей замедляющей системы. Следовательно, увеличение их числа в принципе выгодно. Однако при этом возрастают габариты лампы.

Режим работы генератора на ЛОВ может быть непрерывным или импульсным. Генераторы, работающие в непрерывном режиме, используются в качестве возбудителей передатчиков и гетеродинов приёмников. Их выходная мощность бывает около долей ватта, а КПД около единиц процентов.

Генераторы, работающие в импульсном режиме, характеризуют мощностью в импульсе. Она может быть порядка сотен киловатт, КПД таких генераторов доходит до 60 ÷ 70 %.