5.3 Лампа бегущей волны типа о (лбво)

I. Назначение, устройство, принцип действия

Лампа бегущей волны типа О(ЛБВО), в дальнейшем именуемая для краткости ЛБВ , представляет собой электронно-вакуумный прибор, предназначенный для широкополосного усиления сигналов СВЧ.

На рис.1 схематически изображены устройство и схема питания маломощного усилителя на ЛБВ. Здесь: I - электронная пушка; 2,6-вход и выход усиливаемого сигнала; 3 - замедляющая система (ЗС) в виде спирали; 4 - поглотитель; 5 - фокусирующий электромагнит; 7 -коллектор.

Рис.1

Электронная пушка служит для создания предварительно ускоренного и сфокусированного электронного потока и состоит из подогревного катода с фокусирующим электродом и первого анода в виде редкой сетки иди диафрагмы. Напряжение на аноде регулирует рабочий ток ЛБВ. Вто­рой анод-диафрагма обычно соединяется с замедляющей системой, по ко­торой бежит волна усиливаемого сигнала.

Усиление в ЛБВ осуществляется за счет длительного взаимодействия электронного потока с продольной составляющей электрического по­ля волны усиливаемого сигнала. В ходе взаимодействия происходят мо­дуляция скорости электронов, приводящая к образованию сгустков элек­тронов, и торможение этих сгустков полем. Вследствие этого энергия поля увеличивается, т.е. происходит усиление сигнала. Усиленный сигнал возбуждает выходную линию, отводящую мощность в нагрузку. По выходе из пространства взаимодействия электроны собираются коллектором.

Поглотитель, расположенный около середины 3G, предупреждает самовозбуждение усилителя на ЛБВ. Внешний электромагнит (соленоид) обеспечивает фокусировку электронного потока на всей длине пространства взаимодействия.

Поясним взаимодействие электронного потока и поля волны усиливаемого сигнала. Для эффективного взаимодействия необходимо, чтобы сгустки электронов (рис. 2, в), попав в тормозящую фазу усиливаемого поля, длительное время двигались вместе с ним, тормозились в нем, увеличивая его энергию, т. е. усиливая его. Для этого необходимо, чтобы скорость сгустка V_o, равная средней скорости электронов, несколько превышала фазовую скорость волны V_ф:

V₀=(2qU_c/m)^1/2 V_ф, (1)

где q, m -заряд и масса электрона; U_c — напряжение, ускоряющее электроны.

Рис.2

Если условие синхронизма (I) не выполняется (скорость электронов значительно отличается от фазовой скорости волны), то сгустки электронов последовательно и многократно проходят тормозящую и ускоряющую фазы поля волны, отдавая ему и забирая у него энергию. В среднем передачи энергии от электронов полю и усиления сигнала не происходит.

В обычных линиях передачи СВЧ V_ф  C, в то время как скорость электронов V₀  C. Поэтому для выполнения условия (1) нужна специальная линия, уменьшающая фазовую скорость волны - замедляющая система (ЗС). 3С, изображенная на рис1, представляет собой коакси­альную линию с внутренним проводником в виде спирали с шагом h и длиной витка 2a ( h / 2a  1 , рис. 2,а) Электромагнитная волна усиливаемого сигнала распространяется вдоль проволоки спирали со скоростью света. Вдоль оси спирали фазовая скорость волны

V_ф  ch / 2a

обычно в 15-20 раз меньше. Следовательно, появляется возможность удовлетворить условию синхронизма (1). Скорость электронов подбирается регулировкой напряжения на спирали.

Взаимодействие поля усиливаемого сигнала с электронным потоком происходит внутри спирали - в пространстве взаимодействия. Так как волна бежит по спирали, между соседними ее витками существует высокочастотная разность потенциалов. Расположение силовых линий (рис.2, а) указывает на существование продольной составляющей электрического поля в пространстве взаимодействия. Пространственный период этого поля равен длине волны колебаний в спирали _с (рис.2,б,в). При синусоидальном сигнале на входе спирали и _с h распределе­ние продольного СВЧ-поля вдоль оси спирали также можно считать си­нусоидальным (рис.2,в). Продольное СВЧ-поле будет изменять скорость электронов. Положим, что положительная полуволна ускорит электроны, а отрицательная - замедлит их. За счет полученной разности скорос­тей электроны будут собираться в сгустки. Легко видеть, что если невозмущенная скорость электронов Vo равна фазовой скорости волны вдоль оси спирали v_о= v_ , то сгустки будут образовываться в об­ласти перехода продольного СВЧ поля через нуль от ускоряющего к тормозящему. Эти места на рис.2,в отмечены стрелками. Число уско­ренных электронов равно числу замедленных, и в среднем направленной передачи энергии от поля к электронам или наоборот не будет.

Если невозмущенная скорость электронов несколько больше скорос­ти волны (v_о v_ ), то сгустки электронов будут образовываться в тормозящей фазе поля, передавая ему часть своей кинетической энергии (рис.2,в). При этом волна, бегущая по спирали, будет усиливаться. Если же средняя скорость электронов несколько меньше скоро­сти волны (v_о< v_), то сгустки будут образовываться в ускоря­ющей фазе поля, забирая у него энергию. Как видно, усиление возможно только при v_о v_.

Существует оптимальное соотношение v_о и v_ , при котором электроны передают полю максимальную энергию. Чередование сгустков и разрежений в электронном потоке представляет собой волну плотно­сти объемного заряда, движущуюся со средней скоростью электронов v_о. При малых возмущениях скорости электронов можно считать, что изменение плотности электронов вдоль потока синусоидально. Частота волны плотности заряда равна частоте  усиливаемого сигнала. На­бег фазы "электронной" волны на длине L пространства взаимодейст­вия составит L/V_o=_eL, где _e=/V_o - "электронная" постоянная распространения. Волна усиливаемого поля на той же длине ЗС будет иметь набег фазы, равный L/V_=L, где =/V_ - постоянная распространения волны в ЗС, связанной с электронным потоком. Оптимальные условия передачи энергии от потока полю будут, если сгусток, двигаясь несколько быстрее волны, все время будет на­ходиться в тормозящей фазе, т.е. "разность фаз" волны поля и центра сгустка в конце замедляющей системы будет равна :

( - _{e) L = (}/V_ - /V_{o) L =} L (V_o-V_{) /} V_oV_{ = o (}V_o/V_{ - 1) =} 

Здесь _o= L/V_o – угол пролета невозмущенного электрона в прост­ранстве взаимодействия. Из этого условия можно найти наибольшую до­пустимую разность скоростей волны и электронов на входе в ЗС (обыч­но - не более 10% от V_o ).

Фазовая скорость волны V_ в замедляющей системе зависит от частоты (рис.3). Чем слабее эта зависимость (т.е., чем меньше дис­персия волн в замедляющей систе­ме), тем в более широкой полосе частот выполняется условие син­хронизма (I) при неизменном режиме ЛБВ и неизменной средней скорости электронов. Следовательно ЗС с малой дисперсией позволяют осуществить широкополосное усиление с помощью ЛБВ.

Рис.3

Замедляющие системы в виде спиралей с малым шагом намотки, ис­пользуемые обычно с маломощных ЛБВ, обладают весьма малой дисперси­ей, что позволяет создавать усилители на ЛБВ с полосой в октаву и более.