Лампи хвилі, що біжить.

Лампою хвилі що біжить (ЛБХ) називають прилад, який працює по принципу розподіленої взаємодії електронного потоку з прямою, рухомою уповільненою електромагнітною хвилею.

Це високоефективний підсилювач з широкою смугою посилення (порядку 20-30% від середньої робочої частоти), високим коефіцієнтом посилення (порядку 20-60дБ) та низьким рівнем технічних та природніх шумів. Високий коефіцієнт посилення досягається завдяки тривалої взаємодії згустків електронного потоку з високочастотним полем уповільнюючих систем, які знижують фазову швидкість електромагнітної хвилі до швидкості електронів. Для різних частотних діапазонів використовуються різні уповільнюючі структури: спіральні, циліндричні, гребінці та інші. Саме вони визначають частотний діапазон роботи приладу.

Спіральна уповільнююча система в ЛБХ використовується до 30 ГГц. При збільшенні частоти виникають труднощі пов‘язані з виводом енергії та відводом тепла, що частково знімається завдяки резонансним та планарним відкритим системам.

Конструкція ЛБХ, приведена на рис.7. Джерелом електронів є електронна гармата, утворена катодом, керуючим електродом, першим та другим анаодами. Електронна гармата забезпечує необхідну швидкість, начальне фокусування та керування струмом електронного потоку. Керування струму потоку відбувається за допомогою керуючого потенціалу U_кер. Швидкість потоку визначається прискорюючим потенціалом U₀.

Рисунок 7. Лампа хвилі, що біжить: 1- катод; 2 – керуючий електрод; 3—перший анод; 4 — другий анод; 5 — вхідний хвилевід; 6 — перехід, що погоджує; 7—спіральна уповільнююча система; 8—локальний поглинач; 9—вихідний хвилевід: 10 — колектор; 11 — пристрій узгодження; 12 — фокусуюча система.

Форма електродів гармати, їх взаємне розташування і потенціали на них відносно катода в сукупності діють як електронна лінза, що фокусує електронний пучок. Для фокусування електронного пучка при його русі всередині спіралі використовується магнітне поле.

Для створення магнітного поля застосовується соленоїд або кільцеві магніти фокусуючої системи (ЛБХ, що пакетуються), які не вимагають джерела живлення і дозволяють отримати кращу якість фокусування пучка.

У якості хвилеводно-коливної системи ЛБХ використовується спіраль, яка разом з кожухом складає спіральну уповільнюючу систему. Електронний пучок, усередині спіралі, спочатку модулюється по швидкості і щільності подовжньої складової НВЧ- поля хвилі, а потім віддає частку енергії своїх електронів цій хвилі, що приводить до посилення вхідного сигналу.

Перехід, що погоджує, є елементом спіральної уповільнюючої системи з вхідним і вихідним хвилеводами. До вхідного хвилеводу підводиться сигнал посилення, а посилений відводяться вихідним хвилеводом. Для підстроювання узгодження вхідного і вихідного хвилеводів з уповільнюючою системою передбачені елементи налаштування пристрою узгодження. Для розв'язки виходу і входу ЛБХ, а також запобігання самозбудженню на систему кріплення спіралі (керамічні або кварцові стрижні) наносять шар поглинача (локальний поглинач). Поглинач розташовують на достатньому видаленні від входу, щоб забезпечити хороше групування електронів, і на достатньому видаленні від виходу, щоб забезпечити максимальну передачу енергії пучка НВЧ - полю (отримати великий коефіцієнт посилення).

Розгледимо основні параметри і характеристики ЛБХ. Характер залежності вихідної потужності від потужності вхідного сигналу (амплітудна характеристика) і коефіцієнта посилення приведені на рис.8.

Рисунок8. Амплітудні характеристики лампи хвилі, що біжить

Лінійний режим роботи лампи зберігається до тих пір, поки всі електрони згустків знаходяться протягом всього часу взаємодії в гальмівному НВЧ - полі. При подальшому збільшенні амплітуди поля частина електронів, в кінці інтервалу взаємодії, потрапляє в прискорююче НВЧ поле, що приводить до зменшення коефіцієнта посилення. Максимальна вихідна потужність ЛБХ відповідає режиму насичення.

Залежно від вхідної потужності ЛБХ розділяють на прилади малої потужності (Р_вих в режимі насичення не перевищує 1 Вт), середньої потужності (Р_вих= 1...100 Вт), великої потужності (Р_вих >100 Вт) і надпотужні (Р_вих>100 кВт).

Коефіцієнт посилення ЛБХ залежить від вхідної потужності, частоти сигналу, режимів живлення, навантаження, а також інших факторів. Коефіцієнт посилення (у децибелах) в лінійному режимі роботи ЛБХ визначається рівнянням

(1.10)

де параметр посилення; I₀ — струм електронного пучка; U₀ — прискорювальний потенціал; R_cв— опір зв'язку (величина, що визначає ефективність зв'язку електронного пучка зі НВЧ - полем уповільнюючої системи); l_е=l / l_зам — електрична довжина уповільнюючої системи; l — геометрична довжина уповільнюючої системи; a_n — загасання локального поглинача.

Із приведених формул і аналізу принципу дії відносно лінійного режиму роботи ЛБХ необхідно зробити наступні висновки:

а) посилення зростає із збільшенням струму пучка I₀, оскільки збільшується кількість електронів, що взаємодіють з електромагнітною хвилею;

б) посилення зростає із збільшенням електричної довжини l_еуповільнюючої системи, оскільки збільшується час взаємодії електронів з електромагнітною хвилею. Зазвичай 1= (10... ...30) l_зам. При подальшому збільшенні l_е виникає нелінійна залежність і коефіцієнт посилення не зростає;

в) локальний поглинач зменшує посилення. Проте це зменшення легко компенсується збільшенням довжини спіралі і відсутність загрози самозбудження лампи, що дозволяє підвищити коефіцієнт посилення;

г) зміна прискорюючої напруги викликає розсинхронізацію пучка і хвилі, що приводить до зменшення коефіцієнта посилення (рис.8). Різні типи ЛБХ мають коефіцієнт посилення в межах 15... 60 дБ.

Частотна характеристикалампи хвилі, що біжить, приведена на мал.9. Частотні властивості ЛБХ визначаються властивостями уповільнюючої системи, якістю узгодження виводів і локального поглинача, режимом живлення та іншими. Якість частотної характеристики оцінюється нерівномірністю посилення в діапазоні частот. У широкосмугових ЛБХ (смуга біля однієї октави) різниця між максимальним і мінімальним посиленням досягає 6... 8 дБ. Діапазон робочих частот ЛБХ зазвичай відлічується на заданому рівні мінімального посилення ЛБХ.

Рисунок 9. Частотна характеристика лампи хвилі, що біжить.

Фазова характеристиказалежить від прискорюючої напруги, якості узгодження входу і виходу ЛБХ і вхідній потужності. Зміна фази вихідної напруги при зміні прискорюючої напруги DU_o приблизно виражається формулою

Dj = -105 l_е (DU_o /U_o ).

Зміна вхідній потужності ЛБХ змінює кінетичну енергію електронів і цим викликає фазовий зсув вихідного сигналу. Тому при посиленні амплітудно-модульованого сигналу за допомогою ЛБХ виникає невелика фазова паразитна модуляція.

ШумиЛБХ виникають завдяки флуктуації швидкості електронів, зміною струморозподілення, іонізацією, вторинною електронною емісією і тепловими шумами. Шуми ЛБХ можна зменшити вибором електричного режиму роботи (в основному зменшенням струму пучка), поліпшенням узгодження на вході і виході і поліпшенням фокусування пучка.

Шуми ЛБХ мають особливе значення при використанні їх як вхідні підсилювачі радіоприймачів. Лампи хвилі що біжить подібного застосування, називаються малошумлячими ЛБХ. Їх коефіцієнт шуму знаходиться в межах 4... 20 дБ. Широкого поширення набули малошумлячі ЛБХ як вхідні підсилювачі високої частоти приймачів, що дозволяє на 10...20 дБ збільшити чутливість приймача і захистити детектор змішувача від вигоряння.

Лампи хвилі що біжить середньої і великої потужності, застосовуються як проміжні, а інколи і крайові каскади підсилювачів потужності передавача. Відмітною особливістю таких підсилювачів є широка смуга частот і велике посилення на каскад. У табл.3 приведені усереднені електричні параметри ЛБХ.

	Таблиця 3 Усереднені електричні параметри ЛБХ     Таблиця 3. Усереднені параметри ЛБХ
Вид ЛБХ	Коеффіцієнт перекриття діапазону	Коефіцієнт шуму, ДБ	Коефіцієнт посилення, дБ	Вихідна потужність, Вт	Потенціал живлення, В
Малошумлячі	1,1...2	4...10	15...35	10-3...10-2	250...1200
Проміжні	1,1...4	10...30	25...60	10-2...1,0	600...2000
Малої потужності	1,5...2	20...30	20...60	1,0...10	103...4*103
Середньої потужності	1,5…2		25...35	10...102	1,5*103...4*103
Великої потужності	1,5…2		13...30		2*103...2*104