Замедляющие системы

Ранее мы рассматривали волноводные линии передачи, в которых фазовая скорость распространения колебаний была равна скорости света или превосходила ее. Однако для нужд электроники СВЧ часто требуются волноводные системы, в которых фазовая скорость была бы меньше скорости света: . Медленные электромагнитные волны находят широкое применение электронных приборах СВЧ: лампах бегущей и обратной волн, линейных ускорителях частиц и других приборах. Так, например, в лампе бегущей волны электроны движутся по прямой со скоростями . Для обеспечения длительного взаимодействия электромагнитной волны с электронами ее фазовая скорость должна быть близка к скорости электронов.

Отношение фазовой скорости направляемой электромагнитной волны к скорости света в свободном пространстве называются коэффициентом замедления направляющей системы . Для электронных приборов СВЧ он требуется в пределах от 0,3 до 0,02, для линейных ускорителей − несколько меньше единицы.

В технике СВЧ широкое применение находят цельнометаллические замедляющие системы, не содержащие диэлектриков. Одной из них является спиральный волновод, показанный на рисунке 51.

Рисунок 51 − Спиральный волновод

Данная замедляющая система представляет собой достаточно тонкий проводник, навитый на круглый цилиндр радиуса по винтовой линии с некоторым постоянным шагом . Строгая теория спирального волновода довольно сложна, однако для приближенного определения коэффициента замедления достаточно положить, что вдоль провода спирали распространяется волна тока со скоростью, приблизительно равной скорости света в вакууме. Поскольку путь тока вдоль провода значительно превышает проекцию этого пути на ось спирали, фактическая скорость распространения колебаний вдоль волновода уменьшается по сравнению со скоростью света. Длина одного витка спирали находится из его развертки на плоскость: . Очевидно, что коэффициент замедления равен отношению пути, который проходит волна вдоль оси спирали, к пути тока вдоль спирали: . Фазовая скорость волны вдоль оси направляющей системы:

.

Отметим, что данные равенства верны только при , в противном случае волны «перескакивают» с витка на виток и коэффициент замедления становится функцией частоты.

Примером применения спирального волновода является лампа бегущей волны (ЛБВ), которая применяется для усиления или генерирования СВЧ колебаний. Схематическое устройство лампы показано на рисунке 52.

Рисунок 52 − Лампа бегущей волны

Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением таким образом, чтобы она была равнялась фазовой скорости волны в замедляющей системе: . В замедляющую систему подается усиливаемый сигнал. При движении пучка электронов вдоль оси лампы часть его кинетической энергии передается электромагнитной волне, распространяющейся вдоль спирального волновода при условии синхронизма между электронным потоком и распространяющейся волной. При этом происходит усиление СВЧ сигнала.

Важно отметить, что коэффициент замедления, и, следовательно, фазовая скорость волны в спиральном волноводе не зависит от частоты и зависит только от геометрии спирали. Это свойство обеспечивает работу ЛБВ в широкой полосе частот. Коэффициент усиления ЛБВ при неизменном ускоряющем напряжении может оставаться почти неизменным в широкой полосе частот — порядка 20—50 % от средней частоты.

Помимо спирального волновода, применяются гребенчатая замедляющая структура, представляющая собой металлическую поверхность с прямоугольными канавками глубиной не более (рисунок 53). Замедление происходит при распространении электромагнитной волны в направлении, перпендикулярном канавкам.

Рисунок 53 − Гребенчатая замедляющая структура

Физическая природа замедления заключается в следующем. Каждый отдельный период структуры может рассматриваться как некоторая колебательная система, обладающая конечным временем установления колебаний. В случае гребенчатого волновода такой колебательной системой является отдельная канавка, которая может рассматриваться как закороченный на конце отрезок длинной линии с волной типа ТЕМ. Для достижения установившейся амплитуды колебаний требуется конечный отрезок времени, тем больший, чем ближе размеры системы к резоснансным, т.е. с приближением глубины канавки к значению . Упрощенный теоретический анализ гребенчатой замедляющей системы показывает, что справедлива следующая простая формула для коэффициента замедления:

.