Основные схемы использования приборов типа ЛБВ

Возможность взаимодействия элект­ронного потока с прямыми и обратными гармониками волны в ЗС позволяет использовать в основном четыре схемы приборов типа ЛБВ (рис.11): две усилительных и две генераторных.

Усилитель прямой волны. Схема, показанная на рис.11а, является схемой усилите­ля прямой волны. В этой схеме усиливаемые колебания со стороны входа подводятся к началу ЗС, и вдоль нее распространяется бегущая волна. Электронный поток направляется вдоль ЗС в сторону распространения энергии, т.е. скорость электронов v_q совпа­дает по направлению с групповой скоростью волны v_Г

Скорость v₀ выбирается примерно равной (несколько большей) фазовой скорости k -ой прямой пространственной гармоники, с которой осуществляется взаимодействие. Усиленные в результате взаимо­действия колебания распространяются к концу ЗС и далее прохо­дят на выход в нагрузку прибора. Обычно используется основ­ная прямая гармоника, иногда - первая прямая гармоника. Гар­моники с номером k > 2, как правило, не используются. Объ­ясняется это главным образом тем, что амплитуда высших гармо­ник значительно меньше амплитуды основной гармоники, а поэто­му эффективность взаимодействия, а значит, и усиление прибора будут при этом значительно меньше. Высшие гармоники целесооб­разно использовать в приборах миллиметрового диапазона, так как в этом случае ЗС может иметь достаточно большие размеры. Усилитель прямой волны может усиливать колебания в очень широкой полосе частот, так как фазовая скорость прямых гармо­ник в используемых ЗС, как правило, медленно изменяется с из­менением частоты в достаточно широкой полосе частот.

Усилитель обратной волны. На рис.11б изображена схема усилителя обратной волны. В этой схеме усиливаемые колебания поступают на вход ЗС, расположенный у коллектора, и распрост­раняются вдоль нее навстречу электронному потоку. Электронный поток взаимодействует либо с основной обратной, либо с первой обратной гармоникой. Первая обратная гармоника обычно используется при положительной дисперсии ЗС, т.е. при v₀ > 0. В ре­зультате взаимодействия суммарное поле в ЗС

нарастает, и на вы­ход системы поступают усиленные колебания. Крутизна дисперси­онных характеристик обратных гармоник, как правило, значитель­на, поэтому усилитель обратной волны обычно усиливает колеба­ния в более узкой полосе частот, чем усилитель прямой волны.

Генератор прямой волны. Схема генератора прямой волны по­казана на рис.11в. По существу, она является схемой усили­теля прямой волны, выход которого соединен линией обратной связи с входом. Вход ЗС в этой схеме служит для подачи части энергии с выхода ЗС, с тем чтобы обеспечить самовозбуждение. Основная же часть энергии с выхода генератора отводится в на­грузку. Самовозбуждение генератора начинается с флюктуаций электронного потока, возбуждающих в ЗС бесконечно большое чис­ло элементарных волн, встречных потоку и попутных с ним. Как те, так и другие содержат гармоники, фазовая скорость которых совпадает по направлению со скоростью электронного потока. По­этому поток в принципе может взаимодействовать как с гармони­ками попутных (прямых) волн, так и с гармониками встречных (обратных) волн.

Вообще говоря, в системе при данной скорости электронного потока может возникнуть ряд колебаний с частотами, определяе­мыми соотношением (11) при v_Фk ≈ v_о . В действительности возникают только те колебания, для которых выполняются усло­вия баланса фаз и баланса амплитуд. Условие баланса амплитуд требует, чтобы мощность, затрачиваемая волной на модуляцию электронного потока, была не больше мощности, поставляемой потоком волне. Это достигается обычно при некотором минималь­ном токе луча (пусковом токе). Легче всего возбуждаются гар­моники с меньшими номерами, так как они имеют большие амплитуды. Пусковой ток для возбуждения высших гармоник обычно в несколько раз превышает пусковой ток, необхо­димый для возбуждения основной гармоники. Выбором тока луча, таким образом, можно добиться возбуждения генера­тора на основной гармонике, т.е. тем самым избавиться от многоволнистости - одновременного генерирования на различ­ных частотах. Генератор будет работать на определенной частоте при соответствующей скорости потока, примерно равной фазовой скорости основной гармоники. Частота колебаний может быть най­дена по дисперсионной характеристике ЗС v_ф0 (f ) .

Специальным выбором дисперсионной характеристики, изменением длины линии обратной связи и электрического режима генератора можно добиться перестройки генератора в некотором диапазоне частот так, что генератор каждый раз будет работать на одной частоте. Однако сложность метода настройки затрудняет подобное использование генератора. Элект­ронная перестройка частоты генера­тора может составлять только доли, иногда единицы процентов от среднего значения частоты.

Генератор обратной волны. Большими возможностями электронной перестройки частоты обладает генератор обратной (встречной) волны, схема которого показана на рис.11г. Как и в предыдущем случае, при нали­чии электронного потока в ЗС возникает большое число встреч­ных (движущихся вправо) и попутных (движущихся влево) волн. Попутные волны подавляются поглотителем, расположенным в ле­вом конце ЗС. Встречные волны, групповая скорость которых про­тивоположна скорости электронов, своими обратными гармоника­ми (движущимися влево) взаимодействуют с электронным потоком.

При данной скорости электронов в генераторе возникают колеба­ния с частотой, соответствующей фазовой скорости обратной гар­моники с наименьшим номером (либо основной гармоники в ЗС с отрицательной дисперсией, либо первой гармоники в ЗС с положительной дисперсией). Это обеспечивается

выполнением условия баланса амплитуд, т.е. соответствующим выбором тока луча, который дол­жен быть меньше пускового тока для высших гармоник. Роль об­ратной связи в генераторе обратной (встречной) волны выполня­ет электронный поток, движущийся навстречу волне. Поток, про­ходя вдоль ЗС, взаимодействует с ее полем, модулируется по скорости и плотности и передает часть своей энергии полю. Это приводит к дальнейшему увеличению амплитуды колебаний, распро­страняющихся навстречу потоку и снова модулирующих электрон­ный поток. Так осуществляется обратная связь.

В генераторе обратной волны отсутствует внешняя линия об­ратной связи, и условие баланса фаз на определенной частоте вы­полняется автоматически за счет внутренних процессов. Колеба­ния возникают на частоте, которая при данной фазовой скорости обратной гармоники однозначно определяется дисперсионной ха­рактеристикой ЗС. Отсюда следует, что частота генератора об­ратной волны может плавно изменяться при плавном изменении скорости электронов (так как v_Фk ≈ v_о).Крутизна характерис­тики электронной перестройки частоты по напряжению определяет­ся дисперсионной характеристикой ЗС и зависимостью скорости электронов от напряжения ЗС, а диапазон - конструкцией систе­мы.

Фазовая скорость обратных гармоник увеличивается с увели­чением частоты, поэтому для увеличения частоты необходимо уве­личивать ускоряющее напряжение. Современные генераторы обрат­ной волны позволяют осуществлять электронную перестройку в очень широком диапазоне частот, зачастую превышающем октаву, т.е. в диапазоне, превышающем более чем в два раза наимень­шую частоту перестройки.