Лекция 4. Лампы бегущей волны

Основным недостатком клистронов является сравнительно узкая полоса про­пускания для усилителей и малый диапазон перестройки частоты для генера­торов, что обусловлено необходимостью применять высокодобротные резонато­ры для эффективного торможения электронных сгустков при кратковременном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем в пространстве между сет­ками резонатора. В лампах бегущей волны (ЛБВ) взаимодействие электронно­го потока с СВЧ-полем происходит на большом участке пути, то есть носит длительный характер, благодаря чему повышается эффективность усиления колебаний. При длительном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем отпадает необходимость в высокодобротных резонаторах, поэтому полоса уси­ливаемых частот получается широкой. Коэффициент перекрытия по частоте составляет 2-4.

Для обеспечения длительного взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем необходимо, чтобы скорость электронного потока была соизмерима со скоростью распространения электромагнитной волны. Поскольку увеличить скорость пото­ка электронов до величины скорости света не представляется возможным, прибе­гают к замедляющим системам, снижающим скорость распространения электро­магнитной волны.

Устройство ЛБВ со спиральной замедляющей системой показано на рис. 10.19.

Рис. 10.19

Электронная пушка 1 формирует тонкий пучок электронов, который влетает в замедляющую систему, выполненную в виде проволочной спирали. Эта спираль является внутренним проводом коаксиальной линии. Наружным проводом яв­ляется трубка 3. С помощью фокусирующей катушки 4 обеспечивается необхо­димое поперечное сечение электронного луча на всем пути вдоль замедляющей системы. Пройдя вдоль замедляющей системы, электроны попадают на коллек­тор 5. Усиливаемые колебания подводят к ЛБВ с помощью входного волновода 6, в котором находится приемный штырь спирали 7. На другом конце спирали име­ется штырь 8, возбуждающий колебания в выходном волноводе 9. Плунжеры 10 служат для согласования волноводов со спиралью, то есть получения в спирали бегущей волны. Спираль содержит десятки или сотни витков и обеспечивает по­лучение фазовой скорости электромагнитной волны υ_ф порядка 30000км/с, что составляет 0,1 от скорости света. В сантиметровом диапазоне волн длина спира­ли составляет 10-30 см, а ее диаметр — несколько миллиметров. На рис. 10.20, а показана картина электрического поля внутри спирали в некоторый конкретный момент времени, а на рис. 10.20, б — распределение потенциала вдоль спирали. Сама спираль показана в разрезе, а знаками «+» и «-» показан знак потенциала. Силовые линии, начинаясь на витках с более высоким потенциалом, заканчива­ются на витках с более низким потенциалом.

Рис. 10.20

Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего и тормозящего поля. Так как электромагнитная волна бежит вдоль спирали, то поле вращается вокруг ее оси и перемещается вдоль оси с фазовой скоростью υ_ф. Электроны влетают в за­медляющую систему со скоростью υ₀, которая больше скорости υ_ф. В результа­те взаимодействия электронного луча с электрическим полем бегущей волны происходит модуляция электронов по скорости и группирование их в сгустки. Если электроны влетают в замедляющую систему в момент, когда поле явля­ется тормозящим, то они тормозятся и далее продолжают двигаться в пределах того же участка к концу спирали, группируясь в более плотные сгустки. По­степенно уменьшая скорость, они все время отдают энергию полю, усиливая бегущую волну. Нарастание амплитуды СВЧ-поля вдоль оси замедляющей системы происходит по экспоненциальному закону. Если электроны влетают в замедляющую систему в момент, когда поле является ускоряющим, то они уве­личивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в участок тормо­зящего поля. В результате этих процессов в выходном волноводе возбуждаются колебания, мощность которых многократно превышает мощность, поступающую от входного волновода. При этом энергия, потребляемая от источника питания, затрачивается на ускорение электронов электронной пушкой, а затем при тормо­жении электронов в замедляющей системе зта энергия отдается бегущей волне электромагнитного поля.

КПД ЛБВ без принятия специальных мер не превышает 20 %. Существует не­сколько способов повышения КПД. Наиболее простым является применение спи­рали с переменным шагом, что обеспечивает постепенное снижение фазовой ско­рости бегущей электромагнитной волны, это позволяет выдержать условие υ > υ_ф на большей длине спирали. Дело в том, что по мере продвижения вдоль оси системы скорость электронов υ снижается, скорости электронов и волны вырав­ниваются, электроны начинают переходить из тормозящего полупериода бегущей волны в ускоряющий и отбор энергии от электронов прекращается. Если же фазовая скорость волны вдоль системы снижается, то возрастает длительность взаимодействия сгустков электронов с электрическим полем, что и обусловлива­ет повышение КПД.

Второй способ повышения КПД основан на отборе энергии от сгустка непо­средственно перед его попаданием на коллектор. С этой целью напряжение на кол­лекторе снижают по сравнению с ускоряющим напряжением. Благодаря этому между замедляющей системой и коллектором создается электростатическое тор­мозящее поле, попадая в которое, электроны замедляются, отдавая часть своей энергии источнику коллекторного напряжения, и лишь оставшаяся часть энер­гии выделяется в виде теплоты при ударе о коллектор. Применение этих мер позволяет повысить КПД ЛБВ до 50 %.

ЛБВ нашли широкое применение в радиолокационных системах, системах кос­мической и тропосферной связи, работающих на частотах, измеряемых десятка­ми гигагерц с полезной мощностью до сотен киловатт. Многие ЛБВ способны отдавать в импульсе мощность более 10 МВт.

Принцип работы ЛБВ послужил основой для разработки ламп обратной волны (ЛОВ), особенностью которых является то, что направление движения электро­нов противоположно движению волны в замедляющей системе. Ввод сигнала в ЛОВ осуществляется у коллекторного конца замедляющей системы, а вывод — около катода. Усиление в такой лампе получается лишь в узкой полосе частоты, причем положение этой полосы в диапазоне частот зависит от ускоряющего по­стоянного напряжения. Значительно чаще ЛОВ применяют для генерирования колебаний СВЧ. Такие генераторы применяют в качестве гетеродинов радиоло­кационных и связных радиоприемников, в задающих генераторах передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ-системах переда­чи данных. В настоящее время ЛОВ в диапазоне частот до 10-12 ГГц заменяются полупроводниковыми генераторами СВЧ, а разработка новых ЛОВ ведется толь­ко для субмиллиметрового диапазона.