Глава третья. Лампы бегущей и обратной волны типа О

3-1. Усилитель на лампе бегущей волны (ЛБВ). Устройство и принцип действия

Определение. Лампой бегущей волны типа О называют электронный прибор СВЧ диапазона, в котором используется длительное взаимодействие сгруппированного потока электронов, движущихся в продольных электрическом и магнитном полях, с прямой гармоникой сигнала (бегущей волной), распространяющейся вдоль замедляющей системы.

Устройство. Лампа бегущей волны (рис. 3-1) представляет собой длинную стеклянную колбу небольшого диаметра, в одном конце которой размещен ряд электродов (электронная пушка), предназначенных для образования узконаправленного пучка электронов. Электронная пушка обычно состоит из катода, управляющего электрода, одного или двух анодов. В зависимости от требуемой формы электронного пучка (цилиндрической или лентообразной) эти электроды могут отличаться по форме. В лампе, изображенной на рис. 3-1, электронный пучок цилиндрический. Катод выполнен в виде цилиндра, дно которого вогнутое, сферическое, покрыто оксидным слоем Управляющий электрод и аноды выполняются в виде дисков с отверстиями или цилиндров с перегородками, снабженными в центре небольшими отверстиями - диафрагмами. Управляющий электрод играет роль управляющей сетки и находится обычно под небольшим отрицательным потенциалом, регулируя величину которого можно изменять интенсивность электронного потока. На анод подается положительное напряжение. Вследствие разности потенциалов между управляющим электродом и анодом образуется система электростатических линз, обеспечивающая предварительное фокусирование электронного луча. В случае применения второго анода поле между ним и первым анодом также представляет собой электронную линзу. Таким образом, после второго анода поток электронов оказывается сфокусированным в узкий цилиндрический луч, который затем мимо замедляющей системы движется к коллектору - положительно запряженному электроду, расположенному в противоположном конце лампы. Для окончательной фокусировки луча используется магнитное поле длинной катушки, намотанной на металлический каркас. Сама лампа помещается внутри этого соленоида. В качестве замедляющей системы в усилительных ЛБВ чаще всего используется спираль. В начале и конце шаг спирали, постепенно увеличивается и спираль плавно переходит в два цилиндра, которые образуют связь спирали со входной и выходной линиями.

Рис. 3-1. Усилитель на лампе бегущей волны. 1 - стеклянный баллон; 2 - катод; 3 - управляющий электрод; 4 - первый анод; 5 - второй анод,; 6 - коллектор; 7 - фокусирующая катушка; 8 - металлический каркас катушки; 9 - спираль; 10 - цилиндры связи; 11 - входная коаксиальная линия; 12 - выходная коаксиальная линия; 13 - устройства согласования лампы с входом и выходом; 14 - поглотитель

Весьма серьезной проблемой в усилителях на лампах бегущей волны является согласование замедляющей системы с волновым сопротивлением входного фидера и сопротивлением нагрузки. При неполном согласовании лампы с нагрузкой часть энергии СВЧ колебаний отражается, появляется отраженная волна, движущаяся от выхода ко входу, и возникает обратная связь. При выполнении условий баланса фаз, который при длинной замедляющей системе может легко удовлетворяться для ряда частот, в усилителе могут возникнуть автоколебания. Во избежание этого замедляющая система согласуется с входным и выходным фидерами весьма тщательно. Обычно в усилителях на ЛБВ предусматриваются специальные устройства в виде короткозамкнутых отрезков волноводов или коаксиальных линий, включаемых параллельно входу и выходу (см. рис. 3-1). Длина таких отрезков может изменяться с помощью подвижных короткозамыкающих поршней. Входное сопротивление короткозамкнутой линии равно:

где W - волновое сопротивление линии; β = 2π/λ;

l - длина отрезка линии.

Таким образом, с изменением длины l входное сопротивление параллельной линии меняется; оно может быть подобрано таким по величине и знаку, чтобы компенсировать рассогласование замедляющей системы с фидерной линией.

Принцип действия. СВЧ колебания, подлежащие усилению, поступают на вход лампы и далее распространяются вдоль замедляющей системы, образованной спиралью и каркасом фокусирующей катушки. Скорость υ_гр распространения электромагнитной волны вдоль провода, свернутого в спираль, равна скорости света. Фазовая скорость υ_ф волны, т. е. скорость ее движения вдоль оси спирали, естественно, в πd/t раз меньше, где d - диаметр, a t - шаг спирали. Параметры спирали t и d выбирают такими, чтобы обеспечить нужное замедление (10-15), но дисперсия должна быть небольшой, так как требуется равномерное усиление в широкой полосе частот при неизменном ускоряющем напряжении.

Для получения эффективного взаимодействия электронного потока с волной требуется примерное равенство фазовой скорости волны и скорости электронов. По мере движения электронов внутри спирали в поле бегущей волны они взаимодействуют с этой волной. Электроны при входе в спираль, в зависимости от фазы сверхвысокочастотного электрического поля, тормозятся или ускоряются этим полем. В результате разности скоростей электронов происходит их группирование в сгустки. При правильно выбранных скоростях движения электронов и волны сгустки образуются в той части бегущей волны, где электроны претерпевают торможение. Таким образом, при дальнейшем движении электронов они постепенно тормозятся, передавая кинетическую энергию волне, амплитуда которой непрерывно увеличивается. На выходе лампы амплитуда волны достигает величины, значительно превышающей амплитуду сигнала на входе.

3-2. Группирование электронов в лампе бегущей волны

Электрическое поле в спирали. Предположим, что на вход ЛБВ подано сверхвысокочастотное колебание с частотой ω.

Расстояние, на которое перемещается волна вдоль оси спирали а один период колебаний, равно λ_в. Эта величина меньше λ - длины волны в свободном пространстве в πd/t раз, так как скорость движения волны вдоль оси спирали υ_ф = ct/πd. Обычно λ > πd, поэтому волна укладывается вдоль отрезка спирали, содержащего значительное количество ее витков.

Упрощенная картина сверхвысокочастотного электрического поля в замедляющей системе показана на рис. 3-2, а.

Рис. 3-2. Картина электрического поля в спиральной замедляющей системе (а) и зависимость εz = f(z) (б)

Вдоль замедляющей системы, вблизи ее оси движется сфокусированный в тонкий луч поток электронов.

В той части спирали, где вектор εz напряженности осевой составляющей совпадает по направлению с вектором υ₀ скорости электронов, поле для электронов тормозящее. И наоборот, там, где вектор εz противоположен вектору υ₀, поле ускоряет электроны (рис. 3-2, б).

Графики движения электронов. Построим график движения электронов относительно некоторой точки z, находящейся на оси спирали и движущейся вдоль оси со скоростью υ_ф перемещения волны. Предположим, что электроны не взаимодействуют с волной перемещаются вдоль оси с начальной скоростью

где U₀ - потенциал последнего анода. Тогда в зависимости от соотношения υ₀/υ_ф графики движения электронов изобразятся в виде фямых линий (рис. 3-3). Если υ₀ = υ_ф, то электрон в любой момент времени находится против точки наблюдения z (график 1), подобно тому как автомашина, движущаяся по шоссе, параллельному железной дороге, все время находится перед глазами пассажира, если ее скорость равна скорости поезда. Если же υ₀ < υ_ф, то с течением времени смещение Δz электрона относительно точки z увеличивается: электрон будет отставать от наблюдателя (график 2). При υ₀ > υ_ф электрон постепенно опережает точку z и относительное смещение Δz имеет положительный знак (график 3).

Рис. 3-3. Графики движения электронов без учета их взаимодействия с волной

Обратимся к рис. 3-4, иллюстрирующему графики движения электронов, когда они взаимодействуют с бегущей вдоль оси волной. На этих графиках выбрано несколько точек наблюдения z, соответствующих разным моментам прихода электронов к началу спирали. Так, например, точка z₁ соответствует электрону, который влетел в спираль в тот момент, когда поле было максимально ускоряющим; точка z₂ - другому электрону, попавшему в спираль, когда εz меньше максимальной величины, и т. д. Для большей наглядности графики движения всех этих электронов изображены вместе. На рис. 3-4, а показаны графики движения электронов для случая υ₀ = υ_ф. Пунктиром обозначено движение электронов, не взаимодействующих с волной. В результате взаимодействия электронов с полем бегущей волны графики их движения описываются кривыми линиями. Электроны, попавшие в ускоряющее поле, движутся все быстрее и постепенно опережают точку наблюдения; электроны, попавшие в тормозящее поле, теряют скорость и отстают. В результате электроны группируются в сгустки в области, где εz = 0. Следовательно, при дальнейшем движении скорость электронов остается неизменной; электроны и поле не обмениваются энергией. Затрата энергии поля на группировку электронов также близка к нулю, так как плотность электронного потока у входа спирали не меняется со временем и, следовательно, поле ускоряет и замедляет за период равное число электронов.

Рис. 3-4. Графики движения электронов с учетом их взаимодействия с волной

На рис. 3-4, б и в показаны графики движения электронов при υ₀ < υ_ф и υ₀ > υ_ф. В первом случае сгусток электронов образуется в области ускоряющего поля. В процессе дальнейшего движения электроны отбирают энергию у поля и амплитуда волны по мере ее распространения уменьшается. Это соотношение скоростей, как мы увидим далее, является нерабочим.

Во втором случае электроны группируются в тормозящем поле волны. Дальнейшее их движение сопровождается потерей скорости и, следовательно, передачей энергии от электронного потока волне. Такое соотношение скоростей (υ₀ > υ_ф) характерно для рабочего режима лампы.

Угол пролета. Для характеристики совместного движения электронов и волны удобно использовать понятие об угле пролета электронов. Введем прежде всего понятие об абсолютном угле пролета электрона

Эта величина характеризует время движения электрона на расстоянии z вдоль оси прибора, выраженное в долях периода сверхвысокочастотных колебаний с частотой ω. Угол Θ_е называют абсолютным, так как он учитывает движение электрона в неподвижной системе координат безотносительно к движению волны. Скорость электрона υ_e в общем случае может слагаться из постоянной и переменной составляющих υ_e = υ₀ + υ. Постоянная составляющая определяется величиной ускоряющего потенциала:

а переменная составляющая υ_∼ - результат воздействия на электрон электрического поля волны.

Следовательно, и абсолютный угол пролета электрона в общем случае должен содержать постоянную и переменную составляющие

где Θ₀ = zω/υ₀ - абсолютный угол пролета невозмущенного электрона, а Θ - изменение угла пролета электрона вследствие его взаимодействия с волной. Знак и величина угла Θ зависят от фазы волны в тот момент, когда электрон входит в спираль, а также от амплитуды волны.

В результате модуляции угла пролета электронов и образуются сгустки. Модуляция электронного потока по скорости приводит к модуляции по плотности так же, как это происходит в клистронах.

Однако имеется и существенное различие в процессах группирования электронов в клистроне и в лампе бегущей волны. В клистроне высокочастотное электрическое поле воздействует на поток электронов лишь в определенной части пространства - между сетками резонатора. Поле неподвижно в избранной системе координат, а электроны движутся и группируются в процессе их дальнейшего движения в пространстве дрейфа или в тормозящем поле отражателя. Следовательно, можно отметить время прекращения возмущающего действия поля и отсчитывать угол пролета электронов при группировании от момента прохождения электронов через плоскость с определенной координатой - середину зазора или же через плоскость одной из сеток.

В лампах бегущей волны вдоль замедляющей системы (по оси z) движутся не только электроны, но и сама волна, электрическое поле которой оказывает воздействие на электронный поток на всей Длине замедляющей системы. Поэтому, здесь удобней пользоваться подвижной системой координат, перемещающейся вместе с волной, т. е. считать, как мы это делали выше, что наблюдатель движется вместе с волной. В этом случае целесообразно ввести понятие относительного угла пролета электронов, т. е. смещения электронов относительно волны в процессе их совместного движения:

Допустим, что в некоторый момент t₀, соответствующий вхождению электрона в спираль, фаза волны характеризуется величиной ψ. Если скорость электрона υ₀ = υ_ф и он не взаимодействует с волной, то фаза волны относительно электрона во время его движения вдоль оси спирали остается неизменной и равной ψ. В этом случае относительный угол пролета φ_е = 0. Это условие называют холодным синхронизмом, подчеркивая словом "холодный" отсутствие взаимодействия электронов с волной.

Условие холодного рассинхронизма соответствует случаям, когда υ₀ ≠ υ_ф. Относительный угол пролета при этом может быть как отрицательным (υ₀ > υ_ф), так и положительным (υ₀ < υ_ф).

В реальных приборах поток электронов взаимодействует с волной, в результате чего изменяется скорость электронов: электроны ускоряются или замедляются электрическим полем волны. Взаимодействие электронов с волной не ограничивается только изменением скорости электронов. Как мы увидим далее, при этом может меняться и скорость волны. Поэтому в дальнейшем под величиной υ_ф будем понимать фазовую скорость волны с учетом ее взаимодействия с электронами, а под величиной υ_ф0 - фазовую скорость невозмущенной волны.

Таким образом, относительный угол пролета, так же как и абсолютный, слагается из постоянной и переменной составляющих

Угол φ₀ определяет смещение электрона относительно волны вследствие отличия его начальной скорости υ₀ от фазовой скорости волны. Величина угла φ определяется степенью торможения или ускорения электрона волной, а также возможным в результате взаимодействия изменением скорости волны.

Условия, при которых φ_е = 0, т. е: υ_e = υ_ф, называют горячим синхронизмом.

Как это легко видеть, абсолютный и относительный углы пролета связаны между собой соотношением

3-3. Энергетическое взаимодействие электронов с волной в лампе бегущей волны

Задачу об энергетическом взаимодействии электронного потока с волной можно решить на основании уравнения, описывающего движение электрона в электрическом поле, обладающем только продольной, z-й компонентой:

Умножим обе части этого уравнения на υ и запишем его в следующей форме:

Это выражение характеризует изменение кинетической энергии электрона в единицу времени, переходящей в случае его торможения в энергию поля. Следовательно, для потока n электронов можно записать:

где dP - мощность взаимодействия электронов с волной, a

- конвекционный ток.

Вследствие модуляции электронного потока по скорости электронный ток содержит переменную составляющую, характеризуемую в случае малых возмущений гармоническим законом. Средняя за период мощность взаимодействия на пути z определяется в этом случае выражением

где I_ем - амплитуда переменной составляющей тока, а ε_zм - амплитуда напряженности поля.

Или в комплексной форме

где

- величина, комплексно сопряженная ε_z.

Знак перед величиной dP зависит от фазовых соотношений между током i и полем ε_z. В случае их синфазности электроны ускоряются полем и мощность dP положительная. При противоположных фазах мощность dP отрицательна: электроны передают энергию волне.

В общем случае переменная составляющая электронного тока и напряженсть поля волны могут отличаться по фазе на любую величину. Разность фаз висит не только от различия начальных скоростей υ₀ и υ_ф0, но и от степени горячего рассинхронизма, т. е. отличия скоростей υ_e и υ_ф. Поэтому величина знак мощности взаимодействия существенно зависят от величины относительно угла пролета φ_е. Иначе говоря, в общем случае мощность взаимодействия - величина комплексная и, следовательно, можно выделить ее активную Р_а и реактивную Р_т части.

На рис. 3-5 представлены зависимости активной и реактивной составляющих мощности взаимодействия от относительного угла пролета φ₀, меняющегося вследствие изменения υ_ф и при постоянстве всех других величин [Л. 6].

Кривая на рис. 3-5, а подтверждает справедливость сделанного в § 3-1 качественного рассмотрения условий энергетического обмена между электронами волной. При положительных углах пролета (φ₀ > ₀), т. е. когда υ₀ < υ_ф, активный компонент мощности взаимодействия положителен; электроны группируются в области ускоряющего поля и отбирают у него энергию. В случае φ₀ < 0, что отвечает условию υ₀ > υ_ф, мощность Р_а отрицательна; сгустки электронов формируются в тормозящей фазе поля и, претерпевая торможение при дальнейшем Движении в поле волны, передают ему энергию. Экстремум кривой Р_а = f(φ₀) соответствует величине угла φ₀ = π. Это означает, что наиболее эффективная передача энергии от электронов полю достигается в том случае, когда на пути взаимодействия электронный сгусток все время остается в тормозящем полупериоде волны. Формируясь в начале тормозящего полупериода, сгусток за время совместного движения с волной смещается к концу этого полупериода, претерпевая все время торможение за счет действия сил поля.

Рис. 3-5. Зависимость активной и реактивной мощности от величины относительного угла пролета: а и б - при неизменной амплитуде волны; в - при экспоненциально-нарастающей волне

В условиях холодного синхронизма (υ₀ = υ_ф0) мощность Р_а = 0: сгустки электронов формируются в той области, где ε_z ≈ 0 и не должны обмениваться энергией с полем волны. Однако, как видно из рис. 3-5, б, в этом случае максимальна реактивная мощность взаимодействия Р_r. Физически это означает, что электронные сгустки при своем движении образуют конвекционный ток с такой фазой, что соответствующее ему электрическое поле сдвинуто по фазе относительно поля волны на угол π/2. Анализ этих процессов [Л. 6] показывает, что в условиях реактивной мощности взаимодействия претерпевает изменение скорость движения волны. При Р_r > 0 фазовая скорость движения волны уменьшается; сгустки электронов постепенно смещаются в область тормозящего поля и развивается процесс передачи энергии от электронов волне. Таким образом, в условиях холодного синхронизма (υ₀ = υ_ф0) энергетический обмен между электронами и волной не прекращается; за счет изменения фазовой скорости возмущенной волны все же будет происходить передача энергии от электронов волне. Нарушение этого энергообмена, т. е. изменение знака мощности Р_а произойдет лишь при достаточно сильном холодном рассинхронизме (υ₀ < υ_ф0).

Кривые на рис. 3-5, а, б построены в предположении, что амплитуда волны при ее движении вдоль замедляющей системы остается неизменной. В действительности же при работе ЛБВ в усилительном режиме амплитуда волны по мере получения энергии от электронного потока существенно увеличивается.

На рис. 3-6 показано изменение амплитуды продольной составляющей поля волны ε_zм = f(z), нарастающей в результате получения энергии от электронов по экспоненциальному закону. На этом же рисунке дана кривая изменения амплитуды переменной составляющей плотности электронного потока I_eм = f(z).

Рис. 3-6. Зависимость амплитуды суммарной волны и переменной составляющей электронного потока от координаты z в ЛБВ

Кривая Р_а = f(φ₀) для случая нарастающей по экспоненциальному закону волны показана на рис. 3-5, в. Легко видеть, что характер зависимости остается прежним; расширяется лишь несколько диапазон углов φ₀, при которых наблюдается эффективный обмен энергией между электронами и волной. Электроны отдают волне значительную энергию даже тогда, когда относительный угол пролета φ₀ существенно отличается от π. Величина этого угла при υ₀ = const определяется фазовой скоростью волны. Следовательно, положительный энергетический баланс выполняется при усилении колебаний в достаточно широком диапазоне изменения частоты, если только дисперсия замедляющей системы невелика. Отметим в заключение особенности и преимущества процесса энергетического взаимодействия электронов с волной в ЛБВ по сравнению с подобными процессами в клистронах.

В ЛБВ электроны взаимодействуют с волной на весьма длинном отрезке пути, в процессе их совместного движения вдоль замедляющей системы. В клистронах это взаимодействие осуществляется лишь на коротком отрезке, в зазоре между сетками резонатора. Поэтому для получения того же эффекта торможения электронов, т. е. для отбора такой же доли кинетической энергии величина тормозящего поля в ЛБВ может быть значительно меньше. Это позволяет отказаться от использования узкополосных резонаторов, высокая добротность которых в клистроне необходима для получения значительной амплитуды переменного напряжения в зазоре резонатора. Использование в ЛБВ нерезонансных замедляющих систем делает эти приборы весьма широкополосными, сохраняющими высокую величину коэффициента усиления в широком диапазоне частот.

В ЛБВ для эффективного взаимодействия электронного потока с волной требуется определенная величина относительного угла пролета (φ₀ ≈ π). Абсолютный угол пролета Θ₀ может быть сколько угодно велик, причем с увеличением Θ₀, или, что то же самое, с увеличением длины замедляющей системы, улучшаются условия группирования электронов и возрастает энергия, передаваемая волне.

В клистроне, поскольку поле локализовано в зазоре между сетками резонатора, понятие относительного и абсолютного углов пролета совпадает с понятием угла пролета Θ₃ зазора резонатора. Максимум отдаваемой электронами энергии, как мы видели, соответствует Θ₃ = 0.

3-4. Параметры и характеристики усилителя на ЛБВ

Коэффициент усиления - один из основных параметров ЛБВ - как и для усилительных клистронов обычно выражается в децибелах

Имея в виду, что усиление в ЛБВ происходит за счет передачи энергии электронами волне, коэффициент усиления можно также записать в виде

где ε_zм0 и ε_zмl - амплитуды продольной составляющей волны на входе и выходе замедляющей системы соответственно. Эти величины связаны между собой соотношением

где l - длина замедляющей системы;

и

- безразмерная величина, называемая параметром усиления.

Подставляя (3-14) в (3-13), получим:

Подставляя далее в это выражение соотношение (3-15) и имея в виду, что ω/υ_ф0 = 2πс/λυ_ф0 = 2π/λ_в, запишем (3-17) в виде

где

- число длин волн, укладывающихся по всей длине замедляющей системы.

Однако по мере распространения волны вдоль замедляющей системы неизбежны потери энергии. Величина этих потерь соответствует 1/3 амплитуды волны на входе спирали. Поэтому из величины коэффициента усиления необходимо вычесть эти потери

Таким образом, выражение (3-18) следует записать в виде

Подавление самовозбуждения в ЛБВ. В самом начале рассмотрения мы предположили, что замедляющая система нагружена на сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, и отражения в линии отсутствуют. В действительности же добиться идеального согласования лампы с нагрузкой, даже если используются специальные согласующие устройства, невозможно. Особенно трудно получить хорошее согласование в широком диапазоне частот. Поэтому часть энергии на выходе ЛБВ отражается и распространяется в обратном направлении от выхода ко входу. При этом взаимодействие отраженной волны с электронным потоком ничтожно мало и волна в обратном направлении фактически не изменяется. Следовательно, на входе лампы, помимо прямой волны с амплитудой ε_zм0, появляется отраженная волна с амплитудой

где р₁ и р₂ - коэффициенты отражения волны на входе и выходе соответственно. В результате отражения волны от выхода в усилителе появляется цепь положительной обратной связи. При необходимых фазовых условиях, легко выполняющихся на ряде частот, так как N = l/λ_в велико, а также при условии, что p₁р₂ e^αl > 1, в ЛБВ возможно самовозбуждение.

Необходимое для подавления самовозбуждения поглощение обеспечивается в ЛБВ либо за счет использования для изготовления спирали материала с достаточно большим удельным сопротивлением, либо путем введения в замедляющую систему специальной поглощающей вставки. Эта вставка, представляющая собой небольшой цилиндр, охватывающий спираль, располагается обычно вблизи середины замедляющей системы. Края такого цилиндра скашивают для уменьшения отражений от самой вставки. Затухание поглощающей вставки может быть весьма существенным, так что и прямая и отраженная волны почти полностью затухают. Однако электронный луч, модулированный по плотности, вновь наводит во второй половине замедляющей системы прямую волну, амплитуда которой быстро нарастает за счет отбора кинетической энергии электронных сгустков.

Если потери мощности в поглотителе обозначить через L, то выражение (3-21) для коэффициента усиления по мощности можно записать в виде

Из этого соотношения видно, что для повышения коэффициента усиления необходимо стремиться к увеличению параметра С (т. е. обеспечить по возможности большую величину R_c и увеличивать ток I₀) и длины l замедляющей системы. Однако при слишком большой длине спирали в ее конце ухудшаются условия передачи энергии от электронов волне; электроны теряют свою скорость, попадают в ускоряющую фазу поля и рост амплитуды волны замедляется. В реальных ЛБВ С ≈ 0,02 ÷ 0,5, N выбирается равным 10-30, а величина L ≈ 4 ÷ 10 дб. При этих условиях коэффициент усиления достигает значения 30-40 дб.

Выходная мощность. Как и для усилительных клистронов, величина выходной мощности служит важным параметром в случае использования ЛБВ в качестве оконечных усилителей мощности.

Величину Р_вых можно определить как мощность, развиваемую волной на выходе лампы на сопротивлении R_c:

Можно также записать для величины выходной мощности более простое выражение [Л. 8]

Отсюда следует, что получение высоких выходных мощностей требует прежде всего мощного электронного потока, обладающего большим запасом кинетической энергии.

Мощные выходные ЛБВ способны обеспечить на выходе мощность порядка 10 квт в непрерывном и более 10 Мвт в импульсном режиме.

Электронный коэффициент полезного действия. Теоретическое значение максимального электронного к. п. д. легко получить из выражения (3-25)

Обращаясь к выражению (3-16), легко заключить, что для повышения т]эл требуется увеличивать R_c, повышать величину тока I₀ и по возможности уменьшать U₀. В реальных ЛБВ η_эл обычно невелик: единицы процентов для ламп миллиметрового диапазона и 20-35% для ЛБВ, работающих в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн.

Электронный к. п. д. может быть увеличен за счет режима рекуперации, для чего на коллектор подается напряжение ниже напряжения U₀. При этом часть мощности источника питания, затраченной на ускорение электронов, возвращается электронами при их торможении полем коллектора.

Полоса рабочих частот. Усилители на ЛБВ выгодно отличаются от клистронных усилителей возможностью усиления сигналов в широкой полосе частот. Это достоинство - результат использования в лампах бегущей волны нерезонансных колебательных систем, обладающих достаточно слабой дисперсией.

Типичная амплитудно-частотная характеристика ЛБВ показана на рис. 3-7.

Рис. 3-7. Амплитудно-частотная характеристика ЛБВ

Полоса рабочих частот (ω_макс - ω_мин), как и для любого усилителя, оценивается для ЛБВ по допустимому (обычно 3 дб) спаду коэффициента усиления при изменении частоты сигнала относительно средней, расчетной частоты. Спиральные замедляющие системы, используемые в ЛБВ, характеризуются, как правило, очень слабой дисперсией, так что нарушение условия синхронизма за счет изменения фазовой скорости волны при изменении частоты практически слабо влияет на процесс усиления.

Снижение коэффициента усиления на частотах ниже рабочей обусловлено, в частности, увеличением длины волны λ_в в замедляющей системе и уменьшением вследствие этого параметра N (3-19).

С увеличением частоты сигнала высокочастотное поле как бы прижимается к виткам спирали, амплитуда его вблизи оси падает и взаимодействие электронов с волной становится менее эффективным.

На величину полосы рабочих частот влияют, кроме того, и условия согласования замедляющей системы со входом и выходом лампы. Согласующие устройства обладают собственным частотным диапазоном, ширина которого относительно невелика. Это обстоятельство не только ограничивает общую полосу рабочих частот, но и приводит зачастую к немонотонности частотной характеристики в пределах рабочего диапазона. Допустимые отклонения коэффициента усиления от среднего, номинального значения в пределах полосы рабочих частот не должны превышать 3 дб.

Все же реальные усилители на ЛБВ обладают весьма широкой полосой рабочих частот: 60% от ω₀ и более.

Внутренние шумы. Уровень собственных шумов имеет особо важное значение для маломощных входных ЛБВ, используемых для усиления слабых сигналов, поступающих на вход радиоприемного устройства. Источниками собственных шумов в ЛБВ, как и в других электронных приборах, являются: дробовой эффект, изменения электронного тока за счет попадания электронов на замедляющую систему и т. п.

Однако уровень собственных шумов ЛБВ, как правило, невелик. В сантиметровом диапазоне волн ЛБВ обладают коэффициентом шума не выше 4-6 дб, что позволяет при их использовании в качестве входных усилителей существенно повысить чувствительность радиоприемного устройства.

Амплитудная характеристика ЛБВ показана на рис. 3-8. При малых уровнях входного сигнала коэффициент усиления имеет наибольшую величину и в диапазоне Р_вх2 - P_вх1, называемом динамическим диапазоном, остается практически неизменным. В этой области работают обычно входные усилители на ЛБВ.

Рис. 3-8. Амплитудная характеристика ЛБВ

Величина динамического диапазона в ЛБВ (10 lg P_вx2/P_вx1) достигает 80-90 дб.

С увеличением входной мощности коэффициент усиления монотонно уменьшается, и при очень больших Р_вх усилитель практически превращается в ослабитель, так как взаимодействие волны с электронным потоком ухудшается. Волна, двигаясь вдоль замедляющей системы, содержащей поглотитель, уменьшается по амплитуде. Это свойство лампы имеет существенное практическое значение, если ЛБВ используется в качестве входного усилителя чувствительного радиолокационного приемника. Усилитель на ЛБВ защищает преобразователь на полупроводниковом диоде в приемнике от нежелательных воздействий мощных сигналов.

Режим максимальной выходной мощности и наибольшего к. п. д. используется обычно в мощных выходных усилителях на ЛБВ.

Характеристика взаимодействия представлена на рис. 3-9. Как видно из этой кривой, выходная мощность достигает максимальной величины при некотором оптимальном напряжении на замедляющей системе, при котором соотношение скорости электронов и фазовой скорости волны соответствует наилучшим условиям передачи энергии от электронов волне. Относительно пологий характер кривой P_выx = f(U₀) в районе максимума свидетельствует о невысокой чувствительности ЛБВ к изменениям напряжения U₀, нестабильность которого допустима в пределах ±1%.

Рис. 3-9. Характеристика взаимодействия ЛБВ

3-5. Генератор на лампе обратной волны (ЛОВ)

Устройство генератора на лампе обратной волны показано на рис. 3-10, а. Электронный луч формируется электронной пушкой, назначение и конструкция которой такие же, как и в лампе бегущей волны. Предварительно сфокусированный электронный поток проходит затем замедляющую систему типа встречных штырей или двухзаходной спирали (рис. 3-10, б) и попадает на коллектор. На управляющий электрод подается небольшое отрицательное относительно катода напряжение, а на первый анод - положительное. Более высокие положительные напряжения подаются на коллектор и на второй анод, соединенный внутри лампы с замедляющей системой.

Рис. 3-10. Устройство генератора на ЛОВ (а); замедляющая система в виде двухзаходной спирали (б). 1 - баллон; 2 - катод; 3 - электронная пушка; 4 - двухзаходная спираль; 5 - коллектор; 6 - поглотитель; 7 - вывод энергии; 8 - магнитная система

Фокусирование электронов в процессе их движения в замедляющей системе осуществляется, как и в ЛБВ, магнитным или электрическим полем. В схеме, показанной на рис. 3-10, для этой цели служит продольное магнитное поле, образуемое длинным соленоидом.

В отличие от усилителя на ЛБВ арматура генератора на ЛОВ снабжена лишь устройством вывода высокочастотной энергии, который расположен вблизи электронной пушки.

Поглощающее устройство располагается вблизи коллектора. Необходимость такого размещения поглотителя мы обсудим ниже.

Принцип действия. В результате флуктуации электронного потока в замедляющей системе могут быть наведены слабые колебания. Возникнет электромагнитная волна, которая может быть представлена суммой пространственных гармоник (см. § 1-3). Фазовая скорость одной из этих гармоник может удовлетворять условию синхронизма: υ_фn ≈ υ₀. В лампе обратной волны это условие выполняется, как правило, для первой обратной гармоники, что обеспечивается выбором структуры замедляющей системы и ее параметров, а также необходимым электронным режимом. Так, например, при противофазном возбуждении двух спиральных проводников (рис. 3-10, б) нулевая гармоника в такой замедляющей системе отсутствует и основной является первая обратная гармоника, имеющая наибольшую амплитуду. Естественно, что взаимодействие электронного потока возникает прежде всего с полем именно этой гармоники. Диаметр, шаг и другие параметры спирали выбираются также из условий необходимого замедления волны и наиболее эффективного взаимодействия электронов с полем рабочей гармоники.

Взаимодействуя с полем обратной гармоники, электроны начнут группироваться в сгустки и отдавать свою энергию полю волны. Амплитуда волны будет нарастать, эффект группирования электронов и передача энергии волне увеличатся еще более и т. д.

В результате, как и в любом автогенераторе, при условии выполнения баланса фаз и мощности установятся колебания стационарной амплитуды.

Таким образом, рассмотрение принципа работы автогенератора на ЛОВ сводится к доказательству возможности выполнения необходимых условий фазового и амплитудного баланса.

Физические процессы взаимодействия электронов с волной: модуляции скорости, процесс группирования, передача кинетической энергии полю и др. в лампе обратной волны протекают так же, как и в ЛБВ. Отличие заключается лишь в том, что в ЛОВ электронный поток взаимодействует с обратной пространственной гармоникой. Поэтому векторы скорости электронов и фазовой скорости обратной гармоники, взаимодействующей с электронами, противоположны по направлению вектору групповой скорости волны (рис. 3-10, а). Это отличие, кажущееся на первый взгляд незначительным, имеет принципиальное значение. Использование электронного потока, движущегося навстречу потоку электромагнитной энергии, и обеспечивает ту положительную обратную связь, без которой невозможна работа автогенератора. Условным входом генератора на ЛОВ можно считать коллекторный конец ее замедляющей системы, ибо электромагнитная энергия переносится волной, от коллектора к выходу, расположенному у электронной пушки. Электронный поток, движущийся от выхода ко входу, служит, таким образом, не только носителем энергии, но и представляет собой своеобразную цепь обратной связи. На рис. 3-11 показаны кривые изменения переменной составляющей электронного тока и амплитуды продольной составляющей поля электромагнитной волны вдоль замедляющей системы. В начальной части замедляющей системы протекает процесс формирования электронных сгустков. Полем волны, воздействующей на электронный поток через обратную гармонику, ускоряется и замедляется примерно одинаковое число электронов; энергетической обмен близок к нулю, амплитуда поля волны почти не меняется, а рост кривой I_ем = f(z) свидетельствует об интенсивной модуляции электронного потока по плотности. В дальнейшем сформировавшиеся сгустки, перемещаясь в тормозящем поле обратной гармоники, передают свою энергию волне. Кривая ε_zм = f(z) приближается по своей форме к косинусоиде в отличие от подобной кривой для ЛБВ (см. рис. 3-6), имеющей экспоненциально нарастающий характер. Амплитуда поля 949;_zм, равная нулю при z = l, быстро увеличивается по мере движения волны к выходу. Таким образом, электроны в своем движении навстречу волне переносят часть энергии с выхода на вход системы.

Рис. 3-11. Зависимость амплитуды суммарной волны и переменной составляющей электронного тока от координаты z в ЛОВ

Баланс фаз. Для обеспечения самовозбуждения сумма фазовых углов при обходе по контуру автогенератора должна быть равна целому числу 2π. Условие фазового баланса для автогенератора на ЛОВ можно записать в виде

где n = 0, 1, 2, 3 ... Первое слагаемое характеризует изменение фазы волны при ее движении вдоль замедляющей системы длиной l, а второе слагаемое - набег фазы за время движения электронов на том же пути. Знак минус связан с различными направлениями движения волны и электронов. Угол π характеризует смещение электронного сгустка относительно волны при их совместном движении.

Запишем выражение (3-27) в несколько ином виде

Отсюда видно, что условия фазового баланса могут выполняться при различных углах пролета электронных сгустков в поле волны. Так, при n = 0 электронный сгусток смещается относительно волны на угол π. Иначе говоря, сгусток электронов, будучи сформирован в начале тормозящего полупериода, в течение всего времени движения находится в тормозящем поле волны. Выполнение этого условия соответствует основному виду колебаний. Колебания, возникающие при n = 1, называют колебаниями первого порядка и т. д.

Из (3-28), в частности, видно, что для самовозбуждения в генераторе основного вида колебаний требуется наименьшее значение скорости υ₀ и, следовательно, наименьшая величина ускоряющего напряжения U₀. Ниже будет показано, что колебания основного вида возникают также и при наименьшем значении тока в лампе, а при переходе от одного вида колебаний к другому изменяется длина волны.

Выражение (3-28) полезно записать и в иной форме, которая может быть получена при подстановке известного соотношения ω = 2πс/λ:

Для основного вида колебаний, при n = 0, получим:

Отсюда следует, что и в лампе обратной волны фазовая скорость обратной гармоники должна быть несколько меньше скорости электронов.

Баланс мощностей. Условие самовозбуждения генератора на ЛОВ, как и любого другого автогенератора, не ограничивается требованиями выполнения фазового баланса. Энергия колебаний, развиваемых в генераторе, должна быть достаточной для поддержания возникшего процесса. Для лампы обратной волны это означает, что энергия, получаемая волной в результате взаимодействия с электронным потоком, должна быть по крайней мере такой, чтобы с учетом затухания в замедляющей системе и других потерь ее величина была бы достаточной для поддержания необходимого процесса формирования электронного потока.

При рассмотрении условий взаимодействия

волны с электронным потоком в ЛБВ (см. § 3-3, 3-4) мы убедились, что величина мощности электромагнитных колебаний пропорциональна параметру усиления С, определяемого соотношением (3-16):

Отсюда можно получить:

Или, умножая числитель и знаменатель на N³, запишем:

Расчет генератора на ЛОВ показывает [Л. 14], что в режиме самовозбуждения ток I₀ должен превышать некоторую величину, называемую, как и для клистронного генератора (см. § 2-11), пусковым током. Величина пускового тока должна быть разной для возбуждения колебаний различных порядков, так как с увеличением n требуются, как это видно из (3-29), различные величины U₀. Для колебаний основного порядка (n = 0) пусковой ток равен [Л. 14]:

Для возбуждения колебаний первого порядка величина I_п1 должна быть в несколько раз больше I_п0. Обычно генераторы на лампе обратной волны рассчитываются на возбуждение колебаний основного порядка. Для предотвращения самовозбуждения колебаний высших порядков выбирается соответствующим образом длина замедляющей системы l = Nλв. Величина l должна быть такой, чтобы I_п1 > I₀ > (2÷5) I_п0. Выполнение этого условия гарантирует устойчивую генерацию колебаний основного порядка и отсутствие колебаний более высоких порядков.

Режим регенеративного усиления. Лампа обратной волны может быть использована также в режиме усиления сигнала. Усилитель на лампе обратной волны отличается по своему устройству от генератора лишь вводом для сигнала, подлежащего усилению, который располагают у коллекторного конца замедляющей системы. Принцип действия такого регенеративного усилителя не отличается от принципа действия генератора, но электронный режим должен быть таким, чтобы исключить возможность самовозбуждения. Иначе говоря, ток I₀ должен быть меньше величины, определяемой соотношением (3-33). Коэффициент усиления теоретически может быть очень большим. Его зависимость от величины тока I₀ показана на рис. 3-12. При условии I₀ ≥ I_п усилитель превращается в автогенератор.

Рис. 3-12. Зависимость коэффициента усиления от величины тока I₀

Электронная перестройка частоты. Одно из наиболее ценных свойств генератора на лампе обратной волны - это возможность перестройки частоты генерации за счет изменения электрического режима работы лампы. Перепишем еще раз уравнение (3-29) фазового баланса, решив его относительно λ, подставив выражение для

и численные значения постоянных:

Из этого выражения хорошо видно, что с изменением ускоряющего напряжения и, следовательно, скорости электронов υ₀ меняется длина волны генерируемых колебаний. В самом деле, например, при увеличении U₀ возрастает скорость электронов υ₀. Для выполнения условия синхронизма υ_ф(-1) ≈ υ₀ фазовая скорость обратной волны также должна увеличиться. Поскольку замедляющая система обладает дисперсией: υ_ф = f(ω), меняется и частота генерируемых колебаний. Как было показано в § 1-3, для всех обратных гармоник дисперсия аномальна: ∂υ_ф/∂ω > 0. Поэтому с увеличением ускоряющего напряжения U₀ частота генерируемых колебаний растет.

Степень изменения длины волны генерируемых колебаний при изменении напряжения U₀ оценивается крутизной кривой λ = f(U₀), для которой может быть получено [Л. 14] достаточно простое выражение

Отсюда видно, что с уменьшением λ крутизна электронной настройки σ_эл снижается.

3-6. Параметры и характеристики генератора на лампе обратной волны

Диапазон рабочих частот. Параметры замедляющей системы и электрический режим лампы обратной волны рассчитываются на рабочую частоту ω₀ (или длину волны λ₀) генерируемых колебаний, с учетом необходимости электронной перестройки в некотором диапазоне частот.

Величина диапазона электронной перестройки частоты оценивается обычно коэффициентом перекрытия диапазона:

Значения коэффициента δ различны для разных рабочих частот. Так, например, в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн δ ≈ 2÷2,5, а в миллиметровом диапазоне волн величина коэффициента перекрытия значительно меньше δ ≈ 1,05÷1,1. Перекрытие рабочего диапазона частот достигается изменением ускоряющего напряжения в значительных пределах. Например, для перестройки рабочей частоты ЛОВ 10-сантиметрового диапазонаот 2400 до 4800 Мгц требуется изменение напряжения U₀ от 150 до 1500 в.

Величины граничных частот ω_макс и ω_мин рабочего диапазона определяются возможными пределами изменения U₀ и I₀, а также допустимыми значениями мощности генерируемых колебаний.

Выходная мощность генератора на ЛОВ может быть оценена с помощью простой формулы [Л. 14]

Здесь N = l/λ_в - электрическая длина замедляющей системы. Ток I должен превышать значение пускового тока I_п0 в 5-6 раз.

Лампы обратной волны, типа О, обычно используются для генерирования небольших мощностей от миливатт до нескольких ватт.

Электронный коэффициент полезного действия ЛОВ типа О не превышает нескольких процентов. Режим наибольшего к. п. д. достигается при выполнении условия I ≤ 5÷6 I_п0 теоретическая величина электронного к. п. д. определяется простым соотношением [Л. 8].

где С - параметр усиления (3-16).

Характеристики ЛОВ типа О. Основные характеристики лампы обратной волны (рис. 3-13) отображают зависимости ω, Р_вых и σ_эл от напряжения U₀.

Рис. 3-13. Зависимость выходной мощности, частоты генерации и крутизны электронной перестройки от напряжения U₀

Вследствие отражений от поглотителя и ряда других причин кривая Р_вых = f(U₀) в рабочем диапазоне весьма немонотонна. Пунктиром на рис. 3-13 показана усредненная зависимость Р_вых = f(U₀). Диапазон рабочих частот может быть оценен по допустимым пределам изменения выходной мощности. На рис. 3-13 показаны значения ω_макс и ω_мин, соответствующие значениям U_0макс и U_0мин, при которых выходная мощность уменьшается вдвое по сравнению с ее максимальной величиной.

3-7. Особенности конструкции ЛБВ и ЛОВ типа О

Конструкция одной из ламп бегущей волны 10-сантиметрового диапазона показана на рис. 3-14. В стеклянном баллоне, в виде длинной трубки небольшого диаметра, размещаются электронная пушка, замедляющая система и коллектор. Длина стеклянного баллона ЛБВ сантиметрового и дециметрового диапазонов может достигать нескольких десятков сантиметров; диаметр баллона в зависимости от типа лампы равен примерно 6-15 мм. Уширенная часть баллона снабжается цоколем с выводами от электродов лампы.

Рис. 3-14. Конструкция ЛБВ 10-сантиметрового диапазона. 1 - стеклянный баллон; 2 - катод; 3 - управляющий электрод; 4 - 1-й анод; 5 - 2-й анод; 6 - спираль; 7 - цоколь; 8 - вывод коллектора

Электронная пушка. Система электродов, образующих электронную пушку, состоит обычно из подогревного катода, фокусирующего электрода, одного или двух анодов. Конструкция электронной пушки рассчитана на формирование электронного пучка цилиндрической формы малого диаметра либо ленточной формы малой толщины. Цилиндрические пучки используются в лампах со спиральными замедляющими системами, а ленточные пучки - в случаях применения гребенчатой системы или же системы типа встречных штырей. С помощью электрических полей, образуемых электродами пушки, электроны получают необходимую скорость при вхождении в замедляющую систему, а также формируются в электронный пучок, плотность тока в котором значительно выше плотности потока электронов с катода.

Замедляющая система. В ЛБВ и ЛОВ типа О применяются различные замедляющие системы. В усилительных лампах бегущей волны, как правило, используются замедляющие системы спирального типа. На рис. 3-14 хорошо видно увеличение шага спирали у ее концов, что обеспечивает необходимое согласование замедляющей системы с входным и выходным устройствами.

В ЛОВ используются замедляющие системы в виде двухзаходной спирали (см. рис. 3-10, б) или в виде встречных штырей. Согласование таких систем с устройством вывода энергии схематически показано на рис. 3-15.

Рис. 3-15. Устройство согласования замедляющей системы с выходной линией

В лампах обратной волны дециметрового и метрового диапазонов волн замедляющие системы представляют собой длинную линию задержки, выполненную в виде цепочки сосредоточенных индуктивностей и емкостей.

Фокусирующая система. Для фокусирования электронного пучка в процессе его движения вдоль замедляющей системы чаще всего используются магнитные поля, образуемые либо с помощью длинного соленоида, либо рядом последовательно расположенных коротких катушек или постоянных магнитов. Одна из возможных конструкций магнитной фокусирующей системы, состоящая из ряда постоянных магнитов, показана на рис. 3-16.

Рис. 3-16. Секционированная магнитная фокусирующая система

Магнитная фокусирующая система вместе с устройствами ввода и вывода электромагнитной энергии образует так называемую арматуру ламп бегущей и обратной волн. В ряде конструкций, как, например, на рис. 3-17, а, допускается смена самих ламп в арматуре. В этом случае арматура содержит юстировочные приспособления - специальные устройства перемещения концов дампы в двух взаимно перпендикулярных направлениях с целью точного совмещения оси самой лампы с осью фокусирующей системы. Точное совмещение этих осей обеспечивает необходимое пространственное положение электронного пучка относительно замедляющей системы. Жесткие требования к фокусированию электронного пучка обеспечиваются использованием весьма сильных магнитных полей. Фокусирующие соленоиды по этой причине получаются многослойными, а вся система весьма тяжелой и громоздкой.

Рис. 3-17. Внешний вид усилителей на ЛБВ. а - арматура, допускающая смену ламп; б - пакетированная конструкция

Наряду с конструкциями арматуры, допускающей смену ламп (рис. 3-17, а), получили распространение и так называемые "пакетированные" конструкции, в которых смена лампы невозможна. Пакетированная конструкция представляет собой единое устройство - усилитель или генератор, снабженное выводом и вводом энергии (рис. 3-17, б).

В последнее время для ламп бегущей и обратной волны разрабатываются электростатические системы фокусирования луча. Примером лампы с центробежно-электростатической фокусировкой (ЦЭФ) может служить цэфатрон (рис. 1-38) - лампа бегущей волны, в которой электроны движутся внутри замедляющей системы по спиральной траектории. Такое движение достигается за счет ввода электронов в замедляющую систему под некоторым углом и последующего их движения в поле цилиндрического конденсатора, образуемого самой спиралью и металлической струной, расположенной по оси спирали.

Рис. 3-18. Устройство цэфатрона