Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

Существенный недостаток первых типов ЛБВ — это наличие соленоидов для фокусировки электронного потока, потребляющих большую мощность и имеющих значительную массу. В дальнейшем были разработаны и применены фокусирующие системы с посто­ янными магнитами. Возможно несколько вариантов такой фокуси­ ровки. Простейший вариант, когда ЛБВ устанавливают между полю­ сами магнита, так что ось ЛБВ совпадает с направлением поля.

Иногда применяют два более ко­ ротких магнита, поля которых направлены навстречу. Но наи­ большее уменьшение'.массы фо­ кусирующих систем и всей ЛБВ обеспечивает периодическая маг­ нитная фокусировка кольцевыми магнитами, разделенными фер­ ромагнитными прокладками (рис. 3.16). На электроны, летя­ щие вдоль оси со скоростью н0, вследствие наличия радиальной

составляющей магнитного поля НТ действует магнитная сила FT, направленная перпендикулярно плоскости чертежа. Эта сила за­ ставляет электроны вращаться по окружности, вокруг оси. Но тогда за счет скорости вращательного движения ѵх и продольной (осевой)

составляющей магнитного поля Hz появляется радиальная сила Fr, заставляющая электроны прибли­ жаться к оси Z. ЛБВ с периодиче­ ской магнитной фокусировкой на­ зываются пакетированными. Паке­ тированная ЛБВ показана на

рис. 3.17.

Габариты и масса ЛБВ умень­ шаются при использовании элек­ тростатической фокусировки.

Получили некоторое распро­ странение ЛБВ с центробежной электростатической фокусировкой (ЛБВ с ЦЭФ). Фокусирующей си­ стемой в ЛБВ с ЦЭФ является

'сама замедляющая система: спи­ раль с внутренним электродом (см.

рис. 3.3, з).

Между спиралью и осевым электродом прикладывается фокусирующее напряжение U Конструкция электронной пушки тако­

ва, что электроны имеютФ 'не только продольную ѵ0, но и танген­ циальную составляющую скорость ѵх, и они начинают движение

81

вокруг центрального электрода. При вращении появляется центро­ бежная сила, которая стремится приблизить электроны к виткам спирали. Но электрическое поле между спиралью и осевым элек­ тродом создает силу, направленную навстречу центробежной силе. При некотором напряжении Ѵф эти силы становятся равными, и электроны начинают движение по спиральной траектории около осевого электрода, на постоянном расстоянии от него. Основной

и соединен с внутренним электродом коаксиального кабеля. ЛБВ со спиральной замедляющей системой характеризуется широкой полосой пропускания и относительно малой выходной мощностью в непрерывном режиме, не превышающей 1 кВт в диапазоне 5— 12 ГГц. Значительную мощность в этом диапазоне и на более высо­ ких частотах можно получить, применяя в качестве замедляющих

но уровень выходной мощности в непрерывном режиме достигает

10кВт.

Вкачестве замедляющей системы в мощных твистронах исполь­ зуют диафрагмированный волновод, в котором диафрагмы имеют форму листа клевера (замедляющая система типа клеверного листа).

ЛБВ находят широкое применение в СВЧ-устройствах в качестве входных, промежуточных и выходных широкополосных усилителей

82

в системах многокальной радиорелейной связи, в космической связи и других системах.

Имеются также ограничительные, фазовращательные, умножи-

тельные и другие ЛБВ. Возможность умножения частоты сигнала связана с несинусоидальной формой конвекционного тока в нели­ нейном режиме работы ЛБВ. Поставив, как на рис. 3.13, после обычной замедляющей системы секцию с другим коэффициентом замедления, необходимым для выполнения условия примерного синхронизма на кратной частоте, можно на выходе секции получить колебания этой гармоники.

В табл. 2 приведены основные параметры типовых ЛБВО, две последние строчки относятся к типам ЛБВ с очень большой мощ­ ностью в непрерывном или импульсном режиме. На рис. 3.18 пока­ зан внешний вид мощной 'ЛБВ.

ГЛ А В А 4

ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА О (ЛОВО)

§ 4.1. Принцип работы усилительной ЛОВО

Схема усилительной ЛОВ показана на рис. 4.1, а. В отличие от ЛБВ сигнал в замедляющую систему входит у коллектора, а выходит у катода. Поэтому направление групповой скорости (направление передачи энергии) противоположно направлению скорости элек­

тронов ѵ0.

Так как мы рассматриваем обратную пространственную гармони­ ку, то ее фазовую скорость ѵф_р надо направить навстречу групповой скорости ѵг. Таким образом, в этой схеме ѵф_р и ѵГсовпадают по

83

направлению, и поэтому при выполнении условия синхронизма для обратной гармоники (н0 2? ѵфщр) можно обеспечить ее взаимодействие с электронным потоком, так же как обеспечивалось взаимодействие для прямых пространственных гармоник в ЛБВ. Модуляция потока по скорости в случае выполнения условия синхронизма приведет к группировке электронов в тормозящий полупериод СВЧ-поля бегущей волны (обратной пространственной гармоники). Электрон­ ный поток отдает часть кинетической энергии полю волны. Но

энергия волны может переноситься по замедляющей системе только в нагрузку, т. е. в сторону катода, поэтому амплитуда поля E z воз­ растает в этом же направлении (см. рис. 4.1, б).

Электроны, влетающие со стороны катода в замедляющую сис­ тему, постепенно группируются, так что амплитуда переменной составляющей конвекционного тока / (1) должна увеличиваться в электронном потоке к коллекторному концу. Ток / (1) у катода мал, так как еще не проявилось группирование электронов, а затем он резко увеличивается, так как электроны попадают в область с наибольшей напряженностью поля E z. Однако у коллекторного конца прирост незначителен, так как в этой области поле E z мало и не может существенно изменить имеющуюся группировку элект­ ронов. В свою очередь, наибольшая скорость изменения E z полу­ чается у коллекторного конца, так как большому току / (1) соответ­ ствует значительный наведенный ток в замедляющей системе. Величины / (1) и E z растут в противоположных направлениях, увеличивая друг друга. Это эквивалентно положительной обратной связи.

84

Таким образом, противоположность направлений групповой 1>р и фазовой Уф р скоростей при условии совпадения направления скорости электронов и фазовой скорости приводит к положитель­ ной обратной связи. Характерно, что положительная обратная связь осуществляется через электронный поток и действует на любом элементе длины. Поэтому цепь обратной связи можно рассматривать как распределенную, состоящую из очень большого числа цепей обратной связи ОС, соответст­ вующих каждому элементу дли­ ны, на котором происходит взаимодействие поля замедляю­ щей системы и потока (рис. 4.2).

концах. Принципиальным является наличие обратных пространст­ венных гармоник, приводящих к появлению внутренней положи-

тельной обратной связи.

Усилительная ЛОВ — это узкополосный СВЧ-прибор. Условие синхронизма, определяющее эффективность взаимодействия поля и электронов, может быть выполнено только в узкой области частот вследствие сильной зависимости фазовой скорости обратных про­ странственных гармоник от частоты (рис. 4.3, а). При заданном ускоряющем напряжении U0, определяющем скорость ѵ0, усиление наблюдается в узкой полосе частот (см. рис. 4.3, б). Таким образом,

85

в усилительной ЛОВ можно осуществить электронную перестройку рабочей частоты — перемещение амплитудно-частотной характе­ ристики по шкале частот.

§ 4.2. Принцип работы генераторной НОВО

Схема генераторной ЛОВ показана на рис. 4.4. Она отличается от усилительной ЛОВ тем, что входное устройство заменено погло­ тителем, который должен поглощать энергию волны, отраженной от выходного конца при неидеальном согласовании. О влиянии погло­ тителя на работу ЛОВ будет сказано в дальнейшем.

Рис. 4.4

Как известно, в любом электронном потоке имеются флюктуации скорости электронов и тока с любой частотой. Поэтому в замедляю­ щей системе ЛОВ возбуждаются гармонические составляющие с любыми частотами, которые распространяются в обоих направле­ ниях: в сторону поглотителя и выходного конца. Вследствие перио­ дичности структуры замедляющей системы поле шумовых колебаний с любой частотой должно быть представлено бесконечной суммой пространственных прямых и обратных гармоник. Среди шумовыя пространственных гармоник, фазовая скорость которых совпадает по направлению со скоростью электронов, найдется одна, у которой фазовая скорость немного больше скорости электрона, так что будет выполнено условие синхронизма, т. е. условие усиления. Далее описание процесса взаимодействия такое же, как в усилительной ЛОВ. Обратная пространственная гармоника, для1которой выпол­ няется условие синхронизма, вызывает модуляцию электронного потока по скорости и, следовательно, по плотности, что, в свою очередь, приводит к передаче энергии от потока к полю, т. е. к уве­ личению амплитуды гармоники и росту всего поля в замедляющей системе. Если мощность, отдаваемая электронным потоком, пре­ высит мощность потерь в системе, возникает генерация колебаний.

Поясним назначение поглотителя в генераторной ЛОВ. Пред­ положим, что нагрузка, подключенная к замедляющей системе около электронной пушки, не согласована с системой. Реальная волна,

86