Глава шестая. Лампы бегущей и обратной волны типа М

6-1. Усилитель на лампе бегущей волны типа М (магнетронный усилитель)

Определение. Магнетронным усилителем называют электронный прибор, в котором усиление электромагнитной волны, распространяющейся по замедляющей системе, осуществляется за счет ее длительного взаимодействия с электронным потоком, движущимся в скрещенных электрическом и магнитном полях. Усиление сигнала может быть получено за счет взаимодействия электронов как с прямой, так и с обратной пространственной гармоникой.

Устройство магнетронного усилителя бегущей волны показано на рис. 6-1, а. Электромагнитная волна, подлежащая усилению, подводится к прибору по входной коаксиальной или волноводной линии и распространяется по замедляющей системе. Через выходную линию усиленные колебания отводятся в нагрузку.

Рис. 6-1. Устройство магнетронного усилителя. а - с плоскими электродами; б - с кольцеобразными электродами; 1 - катод; 2 - дополнительный анод; 3 - холодный катод; 4 - замедляющая система; 5 - коллектор; 6 - поглотитель

Постоянное электрическое поле образуется за счет разности потенциалов между замедляющей системой, на которую подается положительное относительно катода напряжение U₀, и отрицательным электродом или, как его называют, холодным катодом, находящимся под отрицательным напряжением. В магнетронных усилителях чаще всего используются замедляющие системы в виде гребенки или же лестничного типа.

Рис. 6-2. Система 'короткой оптики'

Постоянное магнитное поле создается внешней магнитной системой; вектор В магнитной индукции перпендикулярен вектору ε напряженности постоянного электрического поля.

Электронный поток чаще всего формируется специальной системой электродов, носящей наименование системы "короткой оптики". Электроны, вылетая с поверхности катода в виде узкой ленты, расположенной перпендикулярно оси прибора, попадают в скрещенные электрическое и магнитное поля. В этой части прибора постоянное электрическое поле формируется управляющим электродом (дополнительным анодом), на который подается положительное относительно катода напряжение U_а, несколько меньшее напряжения U₀. Величина U_а подбирается такой, чтобы электроны, двигаясь по циклоидальной траектории, приходили бы к началу замедляющей системы в вершине витка циклоиды. Попадая затем в пространство взаимодействия между замедляющей системой и отрицательным электродом, они взаимодействуют с электромагнитной волной и удаляются на коллектор и частично на замедляющую систему.

В реальных приборах система электродов магнетронного усилителя имеет кольцеобразную форму (рис. 6-1, б). Это позволяет уменьшить габариты прибора и упрощает требования к конструкции магнитной системы, которая должна обеспечить создание однородного магнитного поля.

Как видно из рис. 6-1, б, в магнетронном усилителе замедляющая система и электронный поток не замкнуты.

Принцип действия. Работа магнетронного усилителя базируется на физических процессах взаимодействия электронов, движущихся в скрещенных электрическом и магнитном полях, с неоднородным электрическим полем волны. Эти процессы были подробно рассмотрены в гл. 4, поэтому напомним лишь вкратце основные положения. Движение электромагнитной волны вдоль замедляющей системы сопровождается образованием вблизи поверхности замедляющей системы неоднородного электрического поля (рис. 4-8). Под воздействием поперечной составляющей этого поля электроны в потоке формируются в сгустки вокруг электрона, находящегося в максимуме тормозящего поля. Влияние продольной составляющей приводит к отбору "рабочих" электронов в сгустках и постепенному их смещению в процессе движения от отрицательного электрода к замедляющей системе. В результате такого движения электроны теряют потенциальную энергию, отдавая ее полю волны. Передаваемая полю энергия тем больше, чем больший путь проходят электроны по направлению оси y от отрицательного электрода к замедляющей системе. Увеличить существенно расстояние между этими электродами нельзя, так как поле электромагнитной волны быстро затухает по мере удаления от поверхности замедляющей системы. С целью передачи наибольшей энергии электронный поток в виде плоского луча вводится в пространство взаимодействия прижатым к управляющему электроду. Движение в скрещенных полях электронов, обладающих начальной скоростью, отличной от нуля, описывается уравнением трохоиды (4-29) и (4-30). При определенных условиях трохоидальная траектория превращается в прямую. При этом радиус производящей окружности равен нулю. Из уравнения (4-35) легко видеть, что Rп = 0 при условии

Подставляя (6-2) в (4-29) и учитывая, что а = еε/m и ω_ц = еВ/m, получим:

Электроны движутся вдоль оси z прибора равномерно со скоростью движения центра производящей окружности.

Условие (6-1) выполняется в том случае, если ускоряющий потенциал U_a, определяющий скорость электронов в вершине витка эпициклоиды, точно равен потенциалу синхронизации U_s - потенциалу той плоскости, в которую попадают электроны при входе в пространство взаимодействия. Поскольку

зная величины ε и В, легко определить нужное значение напряжения на дополнительном аноде

Таким образом, электроннооптическая система типа короткой оптики должна обеспечить инжекцию электронов в пространство взаимодействия с нужной начальной скоростью и по возможности ближе к плоскости отрицательного электрода. При дальнейшем движении электроны, как уже было сказано, взаимодействуют с переменным электрическим полем, группируются в сгустки и, постепенно поднимаясь к замедляющей системе по почти прямолинейным траекториям, передают полю значительную часть потенциальной энергии.

Во избежание самовозбуждения усилителя, в связи с возможными отражениями волны от входной и выходной линий, в магнетронный усилитель, как и в лампу бегущей волны типа О, вводится специальный поглотитель. Величина его затухания выбирается из тех же соображений, что и для усилителя на ЛБВ типа О (см. § 3-4).

Анализ взаимодействия электромагнитной волны с электронным потоком в магнетронном усилителе показывает, что по мере распространения от коллектора к выходу амплитуда волны нарастает по закону

Здесь ε_zм0 и ε_zмl - амплитуды волны у катодного и коллекторного концов прибора соответственно:

- параметр усиления;

υ_ф0 - фазовая скорость волны, равная в условиях синхронизма скорости движения электронов: υ_ф0 = υ_e; ε - напряженность постоянного электрического поля в пространстве взаимодействия; R_c - сопротивление связи, определяемое выражением (1-16).

Параметры и характеристики. Помимо номинальных параметров, регламентирующих электрический режим работы магнетронного усилителя, таких как напряжение U_н или ток I_н накала, напряжения U_а, U_0э и U₀ на электродах прибора, величина В индукции магнитного поля, важное значение имеют параметры и характеристики, определяющие усилительные свойства прибора: коэффициент усиления, максимальная выходная и минимальная входная мощности сигнала, к. п. д., полоса рабочих частот и др.

Коэффициент усиления. В магнетронном усилителе, как и в усилителе на ЛБВ типа О, для коэффициента усиления можно записать:

Или с учетом (6-5) запишем:

Подставляя сюда (6-7) и учитывая, что ω/υ_0ф = 2π/λ_в, где λ_в - длина волны в замедляющей системе, перепишем (6-9) в виде

Здесь, как и ранее, N = l/λ_в.

Потери энергии в магнетронном усилителе составляют примерно 6 дб. Кроме того, как уже было сказано выше, для устранения возможности самовозбуждения в усилитель вводится специальное поглощающее устройство. Если затухание в этом поглотителе равно L дб, то окончательно для коэффициента усиления можно записать:

В реальных лампах коэффициент усиления достигает 40 дб и более.

Амплитудная характеристика. Как видно из выражений (6-5) и (6-10), амплитуда колебаний на выходе усилителя и величина коэффициента усиления возрастают пропорционально величине входного сигнала и длине пространства взаимодействия. Эти зависимости справедливы лишь для относительно малых входных сигналов, когда отклонение электронного потока вдоль оси у по направлению от холодного катода к замедляющей системе в конце лампы меньше расстояния между этими электродами. Электроны в этом случае попадают на коллектор. По мере роста сигнала на входе это отклонение увеличивается, электроны в конце замедляющей системы все больше приближаются к ее поверхности и все большая часть их потенциальной энергии передается волне. Коэффициент усиления растет. При некотором значении входного сигнала электроны в конце своего пути отклоняются от холодного катода настолько, что попадают на замедляющую систему, а не на коллектор. При этом полю передается наибольшая доля потенциальной энергии

где n - число электронов, U₀ - разность потенциалов между отрицательным электродом и замедляющей системой.

Коэффициент усиления достигает максимальной величины.

Дальнейшее увеличение входного сигнала не сопровождается увеличением энергии, передаваемой от электронов полю. Величина Е_п остается неизменной; меняется лишь - приближается ко входу - область попадания электронов на замедляющую систему. Коэффициент усиления при этом уменьшается, так как с возрастанием сигнала на входе мощность выходного сигнала стремится к некоторому постоянному значению. Усилитель работает в режиме насыщения. Характеристики, иллюстрирующие рассмотренную зависимость, приведены на рис. 6-3.

Рис. 6-3. Зависимости коэффициента усиления, выходной мощности и к. п. д. от величины входной мощности

Электронный коэффициент полезного действия усилителя бегущей волны М типа можно оценить на основании простых рассуждений. Двигаясь в скрещенных полях со скоростью υ_ц перемещения центра производящей окружности, электроны попадают на поверхность замедляющей системы с запасом кинетической энергии

где υ_ц = ε/B - скорость, определяемая потенциалом синхронизации U_S - потенциалом в плоскости вхождения электрона в замедляющую систему.

Максимальная потенциальная энергия электронов в постоянном электрическом поле между отрицательным электродом и замедляющей системой определяется соотношением (6-12). Следовательно, электроны могут передать полю энергию

Таким образом, электронный к. п. д. равен:

Учитывая связь между скоростью υ_ц, потенциалом U₀ и величиной индукции магнитного поля, можно записать выражение для электронного к. п. д. и в иной форме [Л. 11]:

В действительности же к. п. д. вследствие рассеяния электронного потока, неидеальности траекторий и других причин несколько ниже значения, которое может быть получено по соотношениям (6-15) и (6-16). В реальных приборах η_эл ≈ 30÷50%.

Величина η_эл определяется не только режимом питания прибора, но и зависит от мощности входного сигнала (рис. 6-3, б).

При малых сигналах, когда усилитель работает в линейном режиме (до режима насыщения), с увеличением Р_вх растет доля потенциальной энергии, отдаваемой электронами полю, наблюдается возрастание величины η_эл. При значениях Р_вх > Р_вх.опт (рис. 6-3, а) рост к. п. д. замедляется.

Полоса рабочих частот - один из важнейших параметров - достигает в усилителях на ЛБВ типа М 20-30% от средней рабочей частоты. Такой широкий диапазон рабочих частот, характерный вообще для приборов длительного взаимодействия, определяется, в основном, дисперсионной характеристикой замедляющей системы. Однако по сравнению с ЛБВ типа О магнетронный усилитель с такой же дисперсионной характеристикой замедляющей системы обладает несколько более широкой полосой пропускания. Это объясняется некоторым отличием скоростей электронов в различных "слоях" ленточного электронного луча, протяженность которого по оси у расширяется в областях формирования сгустков (см. рис. 4-11). С изменением частоты входного сигнала условия синхронизма движения с волной могут выполняться для электронов, находящихся в различных горизонтальных "слоях".

Коэффициент шума. Вследствие возникающих в лампе паразитных колебаний в области формирования электронного луча, а также за счет возможного взаимодействия электронов с отраженной волной уровень собственных шумов магнетронного усилителя весьма велик. В большинстве приборов отношение мощности полезного сигнала к мощности шумов не превышает 40 дб. Это обстоятельство исключает возможность использования ЛБВ типа М для усиления маломощных сигналов; основное применение эти приборы находят в качестве оконечных усилителей, развивающих мощность сигнала на выходе до нескольких мегаватт в импульсном режиме.

6-2. Генератор на лампе обратной волны типа М

Определение. Генератором обратной волны типа М (карсинотроном типа М) называют электронный прибор, в котором незатухающие колебания сверхвысокой частоты поддерживаются за счет передачи электромагнитной волне потенциальной энергии электронов, движущихся в скрещенных полях и взаимодействующих с обратной пространственной гармоникой этой волны.

Устройство генератора на лампе обратной волны (рис. 6-4) во многом сходно с устройством магнетронного усилителя. Замедляющая система обычно свернута в незамкнутое кольцо. Электронный поток формируется с помощью системы типа "короткая оптика", описанной в предыдущем параграфе. Отличие заключается в отсутствии входной линии. Мощность генерируемых колебаний отводится в нагрузку по выходной линии, расположенной вблизи катода. У коллекторного конца замедляющей системы располагается поглотитель, предназначенный для поглощения электромагнитной волны, отраженной от выходной линии и катодного конца системы.

Рис. 6-4. Устройство генератора на лампе обратной волны. 1 - катод; 2 - дополнительный анод; 3 - холодный катод; 4 - замедляющая система; 5 - коллектор; 6 - поглотитель

Параметры замедляющей системы выбираются такими, чтобы основной была первая обратная гармоника. Кроме того, диапазон электронной перестройки частоты должен быть по возможности более широким. Чаще всего в ЛОВ типа М используется замедляющая система типа встречных штырей.

Принцип действия. После разогрева катода и включения рабочих напряжений на электроды прибора электронный луч в виде узкой ленты движется в пространстве взаимодействия: между замедляющей системой и отрицательным электродом. Под воздействием флуктуации плотности электронного потока в замедляющей системе возникают слабые электромагнитные колебания. Основная - обратная гармоника с наибольшей амплитудой воздействует на поток электронов. Слабое вначале неоднородное электрическое поле вызывает начальную модуляцию электронного потока по скорости и одновременно за счет продольной составляющей ε_Z (см. гл. 4) заставляет электронный поток отклоняться к замедляющей системе. При этом электроны теряют потенциальную энергию, передавая ее полю волны. Амплитуда электромагнитных колебаний возрастает, увеличивается воздействие неоднородного электрического поля на поток электронов и т. д. Процесс развивается до тех пор, пока по условиям баланса мощностей в приборе не установится стационарный режим, при котором амплитуда электромагнитных колебаний остается неизменной. Потенциальная энергия электронов превращается в энергию сверхвысокочастотных колебаний, часть которой расходуется на восполнение потерь в самом генераторе, а часть отводится в нагрузку.

Механизм взаимодействия электронного потока с высокочастотным электрическим полем - формирование электронных сгустков, отбор рабочих электронов, передача энергии полю волны - был подробно рассмотрен в гл. 4. Следует лишь помнить, что в генераторной лампе электроны взаимодействуют с полем обратной гармоники, вектор υ_ф фазовой скорости которой совпадает с вектором скорости движения электронов. А электромагнитная энергия переносится всей волной в противоположном направлении: от коллектора к катоду, так как вектор υ_гр групповой скорости направлен навстречу вектору υ_ф.

Как будет показано далее, закон изменения амплитуды электромагнитной волны вдоль замедляющей системы в ЛОВ типа М имеет косинусоидальный характер. Наибольшей величины амплитуда колебаний достигает в конце пути движения всей волны - у катодного конца замедляющей системы. Здесь и располагается линия отвода высокочастотной энергии в нагрузку.

Таким образом, в генераторной лампе обратной волны типа М, так же как и в ЛОВ типа О, существует цепь обратной связи в виде электронного потока, взаимодействующего с волной через обратную гармонику. В стационарном режиме электрическое поле волны в прикатодной части воздействует на электронный поток, формируя сгустки и нужную траекторию движения электронов. В результате дальнейшего взаимодействия с волной электроны отдают ей свою энергию, которая и переносится волной снова по направлению к выходной линии.

Часть энергии может отразиться от устройства для вывода энергии. Такая отраженная волна, движущаяся от катода к коллектору, не может существенно повлиять на работу лампы, так как фазовая скорость ее обратной гармоники направлена навстречу электронному потоку и, следовательно взаимодействие этой гармоники с электронами отсутствует. Прямые же гармоники слабой отраженной волны невелики, и поле их прижато к поверхности замедляющей системы. Опасность для работы прибора может представить лишь дважды отраженная волна, т. е. волна, отразившаяся от выходной линии, достигшая коллектора и вновь отразившаяся от этого конца замедляющей системы. В этом случае она суммируется, с учетом фазовых соотношений, с основной волной и может существенно повлиять на величину обратной рабочей гармоники. При разных значениях сопротивления нагрузки этот эффект может быть также различным в силу изменения модуля и фазы коэффициента отражения. Для того чтобы исключить влияние характера нагрузки на работу генератора, у коллекторного конца помещают специальный поглотитель, в котором и рассеивается энергия отраженной волны.

Поле в замедляющей системе. Анализ показывает [Л. 11], что в замедляющей системе волна может существовать лишь при условии, что ее амплитуда у коллекторного конца ε_zмl = 0, а у катодного она максимальна. Иначе говоря, на длине l должно укладываться нечетное число четвертей волн: (2n - 1) π/2, где n = 1, 2, 3 ... (рис. 6-5). Закон изменения поля суммарной волны вдоль оси z описывается выражением

где ε_zм0 - амплитуда поля суммарной волны у катодного конца. Величина под знаком cos представляет собой действительную часть постоянной распространения волны: α = ω/υ_ф0Dz. Следовательно, при z = l имеем,

Рис. 6-5. Амплитуда поля суммарной волны при различных значениях n

Отсюда, в частности, видно, что различным случаям распределения амплитуды волны вдоль линии должны соответствовать при l = const разные величины параметра усиления D или разные значения электрических величин, определяющих этот параметр [см. выражение (6-7)].

При каждом переходе кривой ε_zм = f(z) через нуль поле волны как бы меняет фазу: чередование ускоряющих и тормозящих областей поля нарушается. На рис. 6-6 дана схематическая картина поля для случаев n = 1 и n = 2; там же условно показаны кривые изменения амплитуды поля вдоль замедляющей системы. После прохождения кривой ε_zм = f(z) через нуль (точка А на рис. 6-6, б) амплитуда поля вновь начинает нарастать, но чередование ускоряющих и тормозящих областей поля противоположно изображенному на рис. 6-6, а, где кривая ε_zм = f(z) не меняет знака.

Рис. 6-6. Картина поля. а - при n = 1; б - при n = 2

Условия самовозбуждения генератора на ЛОВ типа М, как и всякого другого автогенератора, определяются условиями выполнения баланса фаз и баланса мощностей.

Баланс фаз, как известно, определяется равенством фазового угла целому числу 2π при обходе контура автогенератора. В лампе обратной волны М-типа, как и в ЛОВ типа О, электронный поток представляет собой цепь положительной обратной связи. Мы уже отмечали выше, что установление в ЛОВ стоячих волн с косинусоидальным законом распределения амплитуд возможно лишь в условиях холодного синхронизма (υ₀ = υ_ф0). Иначе говоря, в лампе может возникнуть лишь такая возмущенная волна, фазовая скорость которой равна скорости электронов. Сгустки электронов в ЛОВ типа М образуются в максимуме тормозящего поля волны и движутся далее с неизменной скоростью, равной фазовой скорости волны. Следовательно, фазовый угол при обходе контура автогенератора в стационарном режиме должен быть равен нулю.

Условия баланса мощностей определяют необходимую величину энергии, которая должна быть передана от электронов полю. Эта величина зависит от ряда факторов, определяющих эффективность энергетического взаимодействия с волной, в том числе и от величины электронного тока. Пользуясь соотношением (6-18) и учитывая выражение (6-7) для параметра усиления D, можно получить [Л. 11] формулу для величины I_п пускового тока - тока луча, величина которого необходима для возникновения колебаний в лампе обратной волны в различных режимах:

Области генерации. Таким образом, в ЛОВ типа М, также как и в других автогенераторах сверхвысокочастотных колебаний, существует несколько областей генерации, соответствующих различным законам изменения амплитуды поля волны вдоль замедляющей системы и, следовательно, различным значениям n. Чем выше номер области генерации, т. е. чем больше n, тем больше должен быть ток в лампе. Из (6-19) легко установить связь между пусковыми токами высших областей генерации с величиной пускового тока первой области

где

Увеличение пускового тока с возрастанием n легко объяснить при рассмотрении физических процессов взаимодействия электронов с волной в стационарном режиме генерации СВЧ колебаний. При n = 1 поле суммарной волны (рис. 6-6, а) не меняет фазы. В начале пути электронов у катодного конца линии амплитуда поля велика. Под воздействием сил поля происходит достаточно быстрое формирование электронных сгустков, которые по мере дальнейшего движения передают полю волны потенциальную энергию и поддерживают колебания. В случае n = 2 (рис. 6-6, б) электронный сгусток, образующийся, как известно, в тормозящей области поля, пройдя точку A, где амплитуда поля равна нулю, оказывается далее не в тормозящей, а в ускоряющей области поля. Следовательно, при дальнейшем движении начинается переформирование электронных сгустков: они постепенно перемещаются относительно волны на полпериода, возникая и формируясь снова в тормозящих областях поля, сдвинутых относительно поля в начальной области на угол π. Естественно, что эти процессы снижают эффективность передачи энергии от электронов полю. Для передачи той же доли энергии полю необходимо увеличить число электронов, т. е. увеличить ток I_п. Нетрудно понять, что при n = 3, когда поле волны на пути l дважды меняет фазу, описанные процессы усугубляются.

Как видно из соотношения (6-20), пусковой ток для второй области генерации должен быть в 9 раз больше тока I_п1. В реальных приборах, однако, за счет влияния объемного заряда отношение I_п2/I_п1 ≈ 4.

К ряду особенностей работы ЛОВ М-типа приводит также влияние объемного заряда. Так, например, ток I_п зависит от величины ускоряющего напряжения U₀: с увеличением U₀ пусковой ток растет почти линейно.

Другая, наиболее важная особенность заключается в изменении частоты генерируемых колебаний при переходе из одной области генерации в другую. При значении тока луча I₀ > I_п2 лампа может одновременно генерировать колебания двух частот, перекрестная модуляция которых приводит к возникновению ряда комбинационных частот. Спектр генерируемых колебаний расширяется, а амплитуда колебаний основной частоты резко уменьшается.

Параметры и характеристики. Для генераторных ЛОВ типа М, Как и для других приборов, в паспорте обычно, помимо параметров номинального электрического режима (напряжений на электродах, токов в их цепях, величины магнитного поля и др.), приводятся важнейшие параметры и характеристики прибора как генератора сверхвысоких частот.

Выходная мощность. Величина P_вых - мощности, развиваемой в нагрузке, естественно зависит от эффективности энергетического взаимодействия электронов с волной. Значительная часть