5.7. Генератори на лампах біжучоі хвилі.

Лампа біжучої хвилі (ЛБХ) призначена для підсилення і генерації коливань надвисоких частот. В ЛБХ здійснена тривала взаємо­дія сфокусованого електронного потоку з високочастотним електромаг­нітним полем. Ця взаємодія проходить на протязі десятків і сотень періодів поля, причому в процесі взаємодії пучок електронів моду­люється ею швидкості І віддає свою енергію, яка одержується за ра­хунок прискорюючого електричного поля джерела живлення, електромаг­нітній хвилі, в результаті чого проходить підсилення енергії остан­ньої ,

Будова ЛБХ представлена на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Будова лампи біжучоі хвилі.

Лампа має три основні елементи : електронну гармату, яка скла­дається з катоду ї, фокусуючого електроду 2 і системи анодів ; упо­вільнюючий елемент 5 в вигляді спіралі, яка охоплює електронний зфокусований пучок електронів ; колектор б, який ловить електрони в кінці їх шляху. Всі ці елементи розміщені в скляному балоні, всере­дині якого створений високий вакуум. Зверху витягнута частина бало­ну розміщена в металічному екрані 7 з двома хвилеводами 8,9 чи коаксіальними переходами. Поверх екрану розміщена фокусуюча систе­ма (система постійних магнітів чи соленоїд), яка створює повздовжне магнітне поле, яке додатково фокусує електронний потік по вісі лампи.

Електронна гармата створює вузький пучок електронів з допомо­гою спеціального фокусуючого електрода і одного - двох анодів 4 в вигляді діафрагми чи циліндрів з отворами для пропускання променя. На фокусуючий електрод подається (відносно катоду) невелика негатив­на напруга Еg, на перший анод - позитивна напруга в декілька десят­ків вольт , а на другий - порядка кількох сотень чи тисяч вольт.

Уповновільнюючий електрод (спіраль) електрично з'єднаний з другим анодом і колектором б та має постійний потенціал . Енергія вхідного сигналу підводиться через вхідний хвилевід 8 до вхідного кінця спіралі (найближчого до катоду ), а підсилена енергія знімаєть ся з хвилеводного виходу 9 біля колектора. Мри цьому вхід та вихід уповновільнюючої системи повинні бути узгоджені з відповідними хви­леводами чи коаксіальними лініями (наприклад, при допомозі поршнів 11 та 12).

Особливістю підсилювачів на ЛБХ є їх широка смуга підсилення (робоча смуга частот складає 20 ... ЗО і від середньої частоти), низький рівень шумів і велике підсилення по потужності. При викорис­танні ЛБХ а вигляді генератора немає необхідності в резонансних коливальних системах, які є в клістронах та магнетронах, Це дозволяє будувати генератори широкого діапазону частот з електронним настро­ениям.

Особливістю будови ЛБХ є наявність уповновільнюючого елементу - спіралі, - яка створює з металічним екраном коаксіальну лінію, причому спіраль є внутрішнім проводом, а екран - зовнішнім. При по­дачі високочастотної енергії на вхідний кінець спіралі в лінії спі­раль - екран виникають електромагнітні коливання, які в вигляді біжучої хвилі будуть розповсюджуватись вподовж лінії і в її кінці поступають в вихідний хвилевід. Одночасно з високочастотним всереди­ні спіралі по її осі пропускається зфокусований електронний пучок.

Принцип дії ЛБХ полягає в такій взаємодії електронного пучка з біжучою хвилею, при якій електронний пучок безперервно віддає час­тину своєї енергії хвилі, в результаті чого енергія хвилі збілішується. і її потужність, яка поступає в вихідний хвилевід, стає більшою від тієї, яка подається на вхід лінії. Для здійснення такої взаємодії необхідно зрівняти швидкість електронів пучка 1 електромагнітної хвилі.

Швидкість електронного пучка після вильоту з електронної гар­мати підтримується постійним потенціалом спіралі і колектора і зале­жить від потенціалів першого і другого анодів. Для звичайних анод -них напруг до 1,5 ... 2 кВ ця швидкість не перевищує 0,1 швидкості електромагнітної хвилі. При такому співвідношенні швидкостей, коли швидкість електромагнітної хвилі значно більше швидкості пучка елек­тронів, взаємодія пучка І хвилі стає малоефективною.

Для одержання ефективної взаємодії необхідно знизити швидкість електромагнітної хвилі, що і досягається використанням уповновільнюючого елементу. Коли електромагнітна хвиля проходить по спіральному проводу, то її фазова швидкість вподовж витків проводу практично до­рівнює швидкості світла Со, поступальна ж швидкість розповсюдження вподовж осі спіралі зменшується тим сильніше, чим вище співвідношен­ня діаметру витка до кроку спіралі. Величина, яка характеризує уповільнення поступальної швидкості хвилі, називається коефіцієн­том уповільнення :

Де - фазова швидкість вподовж осі ;

- діаметр витка спіралі ;

h - крок спіралі.

Крім вказаного уповільнення фазової швидкості вподовж осі, в спіральній коаксіальній лінії появляється повздовжня (аксіальна) складова напруженості поля, яка спрямована вподовж осі ( в звичай­них лініях Існує тільки поперечне поле).

При проходженні електронів вподовж осі спіралі, коли по ній розповсюджується електромагнітна хвиля, проходить групування елек­тронів в згустки. На початку спіралі електрони пучка рівномірно розподілені вподовж осі ; потім швидкість електронів, які попали під дів негативної (заторможеної) напівхвилі повздовжного поля , знижується, а швидкість електронів, які попали в позитивну (прис­корюючу) напівхвилю поздовжного поля, збільшується, внаслідок цього густина електронного пучка стає нерівномірною І появляються згустки електронів. Коли швидкості електронного пучка і хвилі рівні ( = ), то електрони по всій спіралі будуть взаємодіяти з тими напівхвилями повздовжнього поля хвалі, в які вони попали при вході з пола. В результаті заторможення електрони, які знаходяться в заторможеній напівхвилі поля , зближується з електронами, які прискорюються в попередній прискорюючій напівхвилі, створюючи згуст­ки електронів в місцях нульового повздовжнього поля, коли повздовжня складова напруженості змінює знак із прискорюючої стає заторможен­ою.

З процесі взаємодії електрони, які попали в прискорююче поле, збільшують швидкість за рахунок енергії хвилі, в електрони, які зна­ходяться в заторможеному полі, втрачають її і віддають частину сво­єї кінетичної енергії полю. Оскільки число електронів, які знаходять­ся в прискореній і заторможеній напівхвилі, приблизно однакове, а згустки електронів групуються поблизу нульового значення повздовжньої складової, то підсилення енергії хвилі ( за рахунок енергії електронів) не проявляється і вона поступово затухає із-за втрат в лінії. Якщо швидкість електронів, які влітають в лінію, менша осьової фазової швидкості хвилі ( < )» згустки електронів , одержані при групуванні на початку лінії, також будуть рухатися повільніше хвилі, відстануть від неї 1 попадуть в зону прискорюючо­го поля. В результаті енергія хвилі буде зменшуватись, збільшую­чи кінетичну енергію електронів. Хвиля в лінії буде затухати.

Якщо швидкість електронів пучка (а, отже , і їх згустків) бу­де трохи більшою швидкості хвилі ( Vе>Vф ), то згустки електронів перемістяться в область заторможеного поля, оскільки число електро­нів, які влітають в зону заторможення, буде більше числа електронів, які вилітають з неї. В результаті енергія хвилі буде збільшуватись вподовж лінії за рахунок кінетичної енергії електронів і високочас­тотна потужність на виході стане більшою вхідної.

Таким чином, підсилення потужності в ЛБХ спостерігається тіль­ки тоді, коли Vе>Vф .Ефективність взаємодії електронних згустків і повздовжнього поля хвилі буде тим більшою, чим краще згрупова­ні електрони І чим більша величина напруженості поля в зоні заторможення.

Величина повздовжньої складової поля швидко зменшується при збільшенні віддалі від внутрішньої поверхні спіралі, тому на підси­лення ЛБХ великий вплив має співвідношення розмірів діаметрів спіралі і пучка електронів. Для збільшення ефективності взаємодії бажано, щоб електричний пучок проходив по можливості ближче до повер­хні спіралі. Одначе це потребує зниження діаметра спіралі, приведе до недопустимого зменшення коефіцієнта уповільнення викличе необхідність значно жорсткішої фокусіровки проміня для зменшення числа електронів, які осідають на спіраль, її струму. Жорстка фокусиров­ка значно ускладнює фокусуючу систему і конструкцію трубки, що нера­ціонально.

Ефективність взаємодії в значній мірі залежить від частоти електромагнітної хвилі. На низьких частотах довжина електромагніт­ної хвилі буде приходитись на більше число витків спі­ралі, в результаті чого градієнт повздовжньої складової поля буде невеликим і ефективність взаємодії знизиться.

При збільшенні частоти довжина хвилі буде розташовуватися на меншому числі витків, градієнт повздовжнього поля збільшиться І ефек­тивність взаємодії зросте. Подальше збільшення частоти приводить до зниження градієнта , оскільки довжина витка стає сумірною хвилі, структура поля спотворюється, силові лінії будуть замикатися навкруг витка і повздовжня складова поля зменшується. Це свідчить про існування деякої оптимальної частоти на якій напруженість повздовжнього поля і ефективність взаємодії максимальні. Цей мак­симум не є критичним і ефективність взаємодії буде високою в широкому діапазоні частот :

Дослідження ЛБХ показали, що коефіцієнт уповільнення спіраль­ної лінії залежить від частоти, тому фазова швидкість хвилі в лінії буде різною на різних частотах. Ця залежність фазової швидкості від частоти електромагнітних коливань називається дисперсією Дисперсія вважається позитивною, якщо зі збільшенням частоти коливань (змен­шенням Ао ) фазова швидкість вподовж осі спіралі зменшиться, і негативною, якщо фазова швидкість зі збільшенням частоти збільшуєть­ся.

Характер хвильових процесів в ЛБХ залежить від типу і струк­тури уповільнюючих систем. Спіральна уповільнююча система втрачає-свої якості зі збільшенням частоти коливань із-за необхідності змен­шення геометричних розмірів спіралі, що приводить до збільшення за­тухання в лінії. При цьому потрібно збільшити струм пучка, в резуль­таті чого зростає потужність розсіювання на елементах ламп і погіршується її тепловий режим. Для роботи в діапазоні сантиметрових та міліметрових хвиль, а також при великих потужностях замість спіралі використовують Інші уповільнюючі системи (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Типи уповільнюючих систем ЛБХ.

В них злектромагнітна хвиля рухається вздовж вигинів стінок зі швидкістю світла , електронний же пучок проходить вздовж осі системи.

Наприклад, в гребінчастій системі (рис. 5.14а) пучок електронів рухається в зазорі між стінкою хвилевода і гребінкою . Взаємодія пучка і хвилі проходить тільки в момент проходження пучка біля поперечних пазів. В уповільнюючій системі типу зустрічних штирів (рис. 5.14 б) електронний пучок рухається в прорізі штирів. На відмі­ну від спіральних систем хвилеводні уповільнюючі системи є періодич ними : електронний потік взаємодіє з хвилею не безперервно, а періодично, пролітаючи ділянки з повздовжнім електромагнітним полем хвилі. Уповільнення хвилі в періодичних системах, очевидно, залежить від кількості пазів З і їх глибини. Віддаль між сусідніми пазами називається періодом уповільнюючої системи. В більшості випадків період системи дорівнює половині довжини хвилі в повздовжньому нап­рямку, поле в двох сусідніх пазах спрямовані назустріч одне одному і максимум повздовжньої складової поля будуть спостерігатися в цент­рі паза.

При використанні ЛБХ в вигляді генератора високочастотних ко­ливань потрібно здійснити зворотній зв'язок виходу ЛБХ з входом та виконати умови самозбудження : баланс фаз і баланс амплітуд. Для виконання балансу фаз необхідно, щоб коливання, які поступили на вхід ЛБХ( були б фазі з коливанням, які діють на виході.(Це значить, що в замкнутому контурі, який складається з уповільнюючої системи і кола зворотнього зв'язку, повинно вкладатися ціле число хвиль. Для виконання балансу амплітуд необхідно, щоб в стаціонарному режи­мі здійснювалась повна компенсація активних втрат в уповільнюючій системі, колі зворотнього зв'язку і корисному навантаженні.

Для виконання умови балансу фаз в ЛБХ використовується зовніш­ній зворотній зв'язок, який складається з лінїї (коаксіальної, хвилеводної чи уповільнюючої), фазозсуваючого кола і смугового фільтра (рис. 5.15). Уповільнююча система лампи повинна мати зосереджене

Рис. 5.15. Структурна схема генератора на ЛБХ.

навантаження з великим затуханням для послаблення відбитої хвилі і внутрішнього зворотнього зв'язку. Для самозбудження необхідно ви­конати умови балансу амплітуд і фаз, при .цьому можливий цілий ряд зон генерації і перескок від однієї частоти на іншу. Для усунення