Тема: Лампы бегущей волны

Учебные вопросы: 1 Устройство лампы бегущей волны 2 Принцип работы лампы бегущей волны

1 Устройство лампы бегущей волны

Лампой бегущей волны называют электровакуумную лампу, в которой осуществляется длительное взаимодействие бегущей электромагнитной волны, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе и электронного потока. Различают лампы прямой волны, называемые ЛБВ, и лампы обратной волны — ЛОВ. Устройство ЛБВ показано на рис. 4.28. Стеклянный баллон ЛБВ выполнен в виде трубки диаметром 12 см и длиной 20...40 см. Вдоль оси трубки помещена проволочная спираль, диаметром 3... 5 мм. На одном конце баллона расположена электронная пушка, на другом — коллектор.

Трубка с обоих концов запаяна, и внутри создан высокий вакуум. Лампа помещается в латунный цилиндр — экран, выполняющий роль наружного провода коаксиальной линии, внутренний провод которой (в виде спирали) выполняет роль замедляющей системы. Поверх экрана располагается магнитная фокусирующая система, создающая продольное магнитное поле, фокусирующее электронный поток внутри спирали. Энергия входного сигнала подается через входной волновод к входному концу спирали, а усиленная энергия снимается с волноводного выхода у коллектора.

2 Принцип работы лампы бегущей волны

Принцип действия ЛБВ удобно рассмотреть по этапам.

1. Сначала допустим, что источники питания включены, а сигнала на входе нет. Электронный поток, излучаемый катодом, фокусируется в электронной пушке и устремляется к коллектору с большой скоростью. Внутри спирали имеется только одно продольное магнитное поле фокусирующих катушек. Оно не изменяет энергии электронов, а только удерживает электронный поток в виде тонкого луча. Электроны летят внутри спирали с постоянной скоростью и постоянной плотностью. Колебаний на выходе нет.

2. На вход ЛБВ подается радиосигнал, но источники питания схемы не включены. Нет электронного потока, и нет магнитного фокусирующего поля. Входной сигнал возбуждает в замедляющей системе колебания СВЧ. Они создают в лампе электромагнитное поле, перемещающееся вдоль оси спирали. При согласовании лампы с входным и выходным волноводами вдоль оси спирали распространяется только бегущая волна.

Поскольку спираль является центральной жилой коаксиального кабеля, то бегущая волна проходит по виткам спирали и поступательно перемещается от витка к витку вдоль оси спирали от входа к выходу. При этом фазовая скорость вдоль витков провода почти равна скорости света с0, а фазовая скорость поступательного движения волны вдоль спирали будет меньше во столько раз, во сколько шаг спирали меньше длины витка спирали. Таким образом осуществляется замедление скорости распространения электромагнитной волны вдоль оси ЛБВ, обычно в 10... 30 раз. В этом случае, когда источники питания не включены, мощность сигнала на выходе равна мощности на входе, т. е. усиления сигнала не происходит. Лампа выполняет роль коаксиального фидера, в котором электромагнитная энергия распространяется с малой (замедленной) скоростью.

3. Источники питания схемы включены, и на вход ЛБВ поступает сигнал СВЧ. В этом случае лампа работает в качестве усилителя. Вдоль оси спирали распространяется бегущая волна сигнала и летит тонкий пучок электронов. Вследствие периодической структуры замедляющей системы распространение поля бегущей волны вдоль нее также будет периодическое: области поля, тормозящего электроны, чередуются с областями, ускоряющими их. При совместном движении электромагнитной волны сигнала и потока электронов происходит группирование электронов в сгустки. В спираль электроны входят с одинаковой скоростью. Затем те же электроны, которые попадают в тормозящее поле СВЧ, притормаживаются и отстают от тех, которые проходят в местах нулевого значения продольного электрического поля СВЧ. А те электроны, которые попадают в ускоряющее поле, выходят несколько вперед, догоняя отставшие.

Если скорость перемещения электронных сгустков несколько больше скорости волны, то сгустки переместятся в область тормозящего поля, так как в тормозящую область будет влетать электронов больше, чем вылетать из нее. Одновременно будет продолжиться процесс концентрации электронов в сгустках. При таком режиме работы ЛБВ движущиеся электронные сгустки в моменты торможения отдают часть своей энергии полю СВЧ, усиливая его. В результате мощность колебаний на выходе будет больше, чем на входе. Таким образом происходит процесс усиления колебаний СВЧ в ЛБВ.

Условие максимального значения коэффициента усиления ЛБВ со спиральной замедляющей системой в зависимости от постоянного ускоряющего напряжения Eа можно получить из следующих соображений. Для длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем СВЧ необходимо обеспечить условие фазового синхронизма, т. е. приблизительного равенства скорости электронов vо и фазовой скорости распространения волны, вдоль оси спирали vф: vо = vф.

Усилители на ЛБВ используют в мощных каскадах передатчиков как в непрерывном, так и в импульсном режиме с выходной мощностью в импульсе порядка десятков и сотен киловатт и даже мегаватт. Применяются они также и во входных каскадах приемников дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. КПД усилителей на ЛБВ невысок—не более 10 %. Важной особенностью усилителя на ЛБВ является его широкополосность в связи с тем, что в ЛБВ нет резонансной системы, полоса пропускания усилителя составляет сотни мегагерц при частоте сигнала в несколько тысяч мегагерц. Полоса пропускания в нём ограничивается только переходными и согласующими устройствами, которые очень широкополосны. Обычно полоса пропускания усилителя на ЛБВ составляет 10... 40 % несущей частоты усиливаемого сигнала. Это дает возможность усиливать или генерировать радиоимпульсы очень малой длительности (единицы наносекунд). Для использования ЛБВ в качестве автогенератора СВЧ необходимо осуществить обратную связь выхода ЛБВ со входом и выполнить условия самовозбуждения: баланс фаз и баланс амплитуд. Для выполнения баланса фаз необходимо, чтобы в замкнутом контуре, состоящем из замедляющей системы и цепи обратной связи, укладывалось целое число волн. Но такие генераторы из-за ряда недостатков не применяются.

Дата добавления: 2015-07-10