Группировка электронов в поле бегущей волны (взаимодействие О-типа). Условие синхронизма. Лампа бегущей волны. Лампа обратной волны

Для создания широкополосных приборов необходимо использовать принцип непрерывного взаимодействия электронного потока с полем бегущей волны в нерезонансной колебательной системе. Прибором такого типа является ЛБВ.

Достаточно эффективное взаимодействие в ЛБВ возможно только, если скорость электронов приблизительно равна фазовой скорости электромагнитной волны. Это условие называется условием фазового синхронизма и записывается следующим образом:

. (1)

Так как скорость электронов всегда меньше скорости света в свободном пространстве, то для выполнения условия (1) необходимо замедлять фазовую скорость волны, взаимодействующей с электронами. Для этого используют специальные устройства, которые называются замедляющими системы.

Степень замедления фазовой скорости волны характеризуется коэффициентом замедления n=c/v_Ф принципиально получение замедленных электромагн. волн возможно с помощью однородных волноводов при заполнении их диэлектриком с высоким значением относительной диэлектрической проницаемости. Это следует из формулы:

.

Принцип действия ЛБВ (рис. 1) основан на длительном взаимодействии электронного потока с полем бегущей волны, распространяющейся вдоль замедляющей системы. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется величиной ускоряющего напряжения. С помощью фокусирующей системы, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем протяжении пути вдоль замедляющей системы.

На входе и выходе замедляющей системы расположены специальные устройства для согласования ее с регулярными линиями передачи. Последние могут быть волноводными либо коаксиальными. На вход поступает высокочастотный сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку.

Электроны, двигающиеся вдоль замедляющей системы, взаимодействуют с продольной составляющей напряженности электрического поля. Электронный поток модулируется по скорости и в результате вместо равномерного распределения плотности пространственного заряда в исходном пучке вдоль замедляющей системы образуются участки с повышенной и пониженной плотностями пространственного заряда. Процесс группировки зависит от соотношения скорости электронов v_e и скорости электромагнитной волны v_Ф. наглядное представление о группировке электронов дает пространственно-временная диаграмма.

Если v_e=v_Ф, то электроны группируются в области нулевого значения высокочастотного поля (рис. 2а) и электронный поток не обменивается энергией с бегущей волной.

Если v_e<v_Ф электронный поток будет отставать от волны и все электроны группируются в области ускоряющего высокочастотного поля (рис.2б), которое за счет своей энергии сообщает электронам дополнительную скорость. В результате ЛБВ не усиливает входной сигнал, а ослабляет.

Если v_e v_Ф, электроны, находящиеся в ускоряющем поле, приобретают дополнительное ускорение и перемещаются в область тормозящего поля, где их движение замедляется. Следовательно, электроны будут сосредоточены в тормозящем поле и передадут свою кинетическую энергию бегущей волне. Амплитуда волны по мере распространения вдоль замедляющей системы будет возрастать. Следовательно, необходимым условием усиления ЛБВ является такое соотношение между скоростями v_e и v_Ф, при которой скорость электронов немного превышает скорость электромагнитной волны.

Т.к. скорость электронов в процессе взаимодействия с полем будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны. Необходимо такое различие скоростей, чтобы за время движения сгустка вдоль всей длины PC он не вышел из области тормозящего поля.

Для определения максимальных значений выходной мощности и КПД ЛБВ необходимо рассмотреть ее нелинейные свойства. Допущения, положенную в основу линейной теории, не всегда справедливы в реальных приборах, особенно для ЛБВ средней и большой мощности.

Согласно нелинейной теории максимальная величина электронного КПД ЛБВ имеет порядок

. (2)

Параметр С определяет не только усиление лампы, но и значение максимального КПД. Для увеличения КПД необходимо увеличить С, т.е. повышать сопротивление связи ЗС и увеличивать отношение I₀/U₀.

Реальный КПД мощных ЛБВ составляет примерно 20-30 %.

Основными характеристиками ЛБВ являются: амплитудная, частотная и фазовая (рис. 3). Начальный участок хар-к является линейным, затем с увеличением входной мощности наступает насыщение. Коэффициент усиления ЛБВ имеет наибольшую величину на линейном участке характеристики. Наибольшее значение КПД получается на нелинейном участке в области максимума амплитудной хар-ки.

Зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты при фиксированной величине входной мощности называется частотной хар-кой (рис. 4). По частотной хар-ке можно определить ширину рабочей полосы частот ЛБВ, которая составляет от нескольких десятков до сотни процентов от средней частоты диапазона. Широкополосность – особенно ценное свойство ЛБВ.

Фазовые хар-ки ЛБВ определяются разность фаз между колебаниями на входе и выходе в зависимости от различных факторов: частоты усиливаемых колебаний, изменения ускоряющего напряжения, тока пучка и т.д. Знание фазовых хар-к необходимо для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых ЛБВ.

ЛБВ в зависимости от уровня выходной мощности разделены на 3 класса: маломощные, средней мощности и мощные ЛБВ. К первому классу относятся малошумящие ЛБВ с выходной мощностью несколько милливатт. Применяются для усиления входных сигналов в различных СВЧ приемниках.

ЛБВ средней мощности имеют выходную мощность от нескольких сотен милливатт до единиц ватт. Используются в качестве промежуточных усилителей, а также в качестве выходных усилителей мощности в маломощных передатчиках.

Мощные ЛБВ разрабатываются для импульсного и непрерывного режимов работы. Выходная мощность импульсных ЛБВ составляет от нескольких сотен киловатт до единиц мегаватт. ЛБВ непрерывного действия имеют выходную мощность порядка нескольких сотен ватт. Мощные ЛБВ применяются в передатчиках радиолокационных станций, а системах космической связи и т.д.

Шумы определяют минимальную величину сигнала, которую может усилить ЛБВ. Влияние собственных шумов любого усилителя, в том числе и ЛБВ, характеризуется коэффициентом шума, который показывает, во сколько раз отношение мощности сигнала и шума на выходе усилителя хуже этого же отношения на его входе, т.е.

. (3)

Несмотря на широкополосные свойства в режиме усиления, ЛБВ как генератор не позволяет получить хороших результатов.

Устройство лампы обратной волны показано схематически на рис. 5. в ЗС расположен поглотитель, устраняющий отражение от конца системы и предотвращающий возбуждение на прямой волне. Для фокусировки электронного потока используется соленоид или постоянный магнит. В отличие от ЛБВ, электронный поток взаимодействует с одной из обратных пространственных гармоник бегущей волны, которая хар-тся тем, что ее фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления.

Движение электронного потока должно совпадать с направлением фазовой скорости, при этом энергия в ЗС распространяется навстречу электронному потоку, т.е. от коллектора к пушке. Это 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.

Для эффективного взаимодействия так же, как в ЛБВ, скорость электронного потока должна немного превышать скорость волны. Электроны группируются в сгустки, которые расположены в области тормозящего поля, и отдают при торможении часть своей кинетической энергии электромагнитной волне. В результате группировки в электронном потоке возникает волна, бегущая слева направо со скоростью v_e и с фазовой постоянной .

Частота колебаний ЛОВ определяется параметрами ЗС (дисперсионной характеристикой) и скоростью электронного потока, которая зависит от величины ускоряющего напряжения.

В случае ЛОВ выходной сигнал нельзя рассматривать с учетом только одной нарастающей волны. Поэтому в ЛОВ распределение поля носит более сложный характер, чем в ЛБВ, и это распределение следует объяснить как результат интерференции трех волн.

Формулы для определения пускового тока ЛОВ и электронного КПД:

,

Пусковой ток уменьшается с увеличением сопротивления связи ЗС, а также с увеличением электрической длины ЗС. Т.к. величина параметра усиления С незначительна, то значение электронного КПД ЛОВ невелико, порядка нескольких процентов. На рис. 6 приведена зависимость КПД ЛОВ от отношения рабочего тока I₀ к пусковому. При увеличении рабочего тока КПД увеличивается и соответственно выходная мощность. Затем при увеличении значения рабочего тока КПД и выходная мощность уменьшаются.

Важными хар-ками ЛОВ являются зависимость выходной мощности и частоты генерируемых колебаний от величины ускоряющего напряжения (рис. 7).

Одним из замечательных свойств ЛОВ является электронная перестройка частоты генерируемых колебаний в широких пределах. Как видно из рис. 7, с увеличением ускоряющего напряжения частота генерируемых колебаний увеличивается. Частотная хар-ка ЛОВ является нелинейной. Ширина рабочего диапазона электронной перестройки частоты генератора на ЛОВ определяется допустимыми пределами изменения выходной мощности. Отношение максимальной частоты рабочего диапазона к минимальной называется коэффициентом перекрытия диапазона.

Изменение выходной мощности объясняется изменением ускоряющего напряжения, тока пучка и сопротивления связи ЗС. ЛОВ применяются чрезвычайно широко. Наиболее важными областями их применения является использование в качестве гетеродинов радиолокационных и связных приемников, в задающих генераторах передатчиков радиолокационных станций с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ системах передачи данных, в свипгенераторах измерительной аппаратуры.

ЛОВ разработаны для диапазона частот от 0,5 до 790 ГГц.Достоинство ЛОВ – возможность перестройки частоты в широкой полосе.