6.2 Лампы бегущей и обратной волны типа «м» (лбвм и ловм).

В этих приборах усиление и генерация СВЧ-колебаний осуществляется в результате взаимодействия бегущей волны в замедляющей системе с электронами, движущимися в скрещенных электрическом и магнитном полях. В отличие от других приборов типа М электронный поток вводится в пространство взаимодействия с помощью специальной электронно-оптической системы.

6.2.1 Устройство и принцип действия лбвм.

На рис. 6.18 изображено устройство ЛБВМ плоской конструкции.

Рис. 6.18.

Лампа состоит из инжектирующего устройства и пространства взаимодействия. Инжектирующее устройство состоит из катода, испускающего электроны и управляющего электрода, обеспечивающего создание ленточного потока электронов и ввод его в пространство взаимодействия. Движение электрона в инжектирующем устройстве осуществляется в скрещенных статических электрическом и магнитном полях. В соответствии с п. 6.1.1 движение электронов осуществляется по циклоидным траекториям, как изображено на рис. 6.19.

Точка входа в пространство взаимодействия

Рис. 6.19.

Подбирают такие условия, что электрон в момент входа в пространство взаимодействия находился на вершине циклоиды. Поэтому начальная скорость электронов, входящих в пространство взаимодействия определяется по формуле:

. (6.16)

Если переносная скорость, определяемая формулой:

, (6.17)

будет равна , то в соответствии с п.6.1.1, электроны при отсутствии СВЧ поля будут двигаться по прямой линии.

СВЧ сигнал подводится через вход замедляющей системы. При выполнении условия синхронизма (6.14) для одной из пространственных гармоник, электроны, двигающиеся в благоприятной фазе, начнут двигаться от катода к аноду, преобразуя потенциальную энергию источника питания в энергию СВЧ поля, а электроны в неблагоприятной фазе будут двигаться к катоду, забирая энергию от СВЧ поля, как изображено на рис. 6.20. Усиление СВЧ сигнала будет происходить только в том случае, если смещение электронов в благоприятной фазе будет больше смещения электронов в неблагоприятной фазе.

Рис. 6.20.

В конце пути электроны попадут на коллектор. Однако, если амплитуда СВЧ сигнала велика, электроны могут попасть раньше на верхний положительный электрод замедляющей системы, как видно из рис. 6.21.

Рис. 6.21.

6.2.2 Параметры и характеристики лбвм.

К. п. д.

Для выполнения условия синхронизма начальная скорость электронов, влетающих в пространство взаимодействия, в соответствии с (6.14) и (6.17), должна быть равна:

, (6.18)

где - фазовая скорость k-пространственной гармоники.

Кинетическая энергия электрона при этой скорости равна:

. (6.19)

При вылете из катода скорость электронов близка к нулю. Поэтому рост кинетической энергии равен . Он вызван уменьшением потенциальной энергии на величину

. (6.20)

Если считать, что электроны, двигающиеся в благоприятной фазе достигают анода с кинетической энергией близкой к нулю, то энергия СВЧ поля увеличиться на величину ( ). Электроны, двигающиеся в неблагоприятной фазе и достигающие анода, отбирают от СВЧ поля энергию равную . Поэтому электронный к.п.д. при этих условиях может представлен в виде следующего выражения:

. (6.21)

Из (6.21) видно, что если стремиться к нулю, то стремиться к единице. Уменьшение означает введение электронного потока ближе к катоду. Однако напряженность СВЧ поля резко падает при удалении от анода. Поэтому при смещении электронного потока к холодному катоду для получения прежнего группирования потока потребуется больший входной сигнал, что снизит коэффициент усиления. При большем входном сигнале обычно не превышает 70%. Во-первых, это связано с тем, что не все электроны, двигающиеся в благоприятной фазе, достигают анода. Во-вторых, электроны, которые достигают анода, обладают значительной кинетической энергией. В результате удара об анод эта энергия превращается в тепло.

Амплитудная характеристика.

Амплитудная характеристика ЛБВМ представлена на рис. 6.22.

Рис. 6.22.

При увеличении входного сигнала выходная мощность возрастает и достигает насыщения при некотором значении входной мощности. Причиной насыщения является попадание электронов, отдавших полностью свою потенциальную энергию, на анод. С повышением входного сигнала все большее число электронов попадает на анод, причем точка попадания смещается влево и рост выходной мощности замедляется.

Увеличение тока пучка при постоянном входном сигнале приводит к пропорциональному росту выходной мощности, так как увеличивается энергия, отдаваемая электронным пучком СВЧ полю. Однако стремиться к насыщению поскольку растет мощность .

Амплитудно-частотная характеристика.

ЛБВМ имеет более широкую полосу пропускания, чем ЛБВО при одинаковых замедляющих системах. Это связано с тем, что кулоновские силы отталкивания электронов приводят к появлению поперечной составляющей скорости, которая порождает силу Лоренца, направленную вдоль оси пучка. Электроны, находящиеся на разных расстояниях от оси пучка, испытывают воздействие различной по величине силы Лоренца. Электроны, расположенные в верхнем слое, имеют максимальную скорость, а в нижнем слое минимальную. Скорость электронов на оси остается неизменной. Поэтому условие синхронизации (6.18) при изменении частоты может выполняться для электронов других слоев, что и расширяет полосу пропускания.