12.4. Лампы обратной волны

Основная область применения маломощных ЛОВ-О — источники СВЧ-колебаний с электронной перестройкой частоты. В отношении диапазона перестройки частоты у ЛОВ-0 нет конкурентов. Такие гене­раторы широко используются в измерительной аппаратуре, например в панорамных измерителях коэффициентов отражения и полных сопро­тивлений, разработанных для частоты от 1 до 500 ГГц. Лампы обрат­ной волны с волноводными выводами перестраиваются обычно во всей 1,5-кратной стандартной рабочей полосе волновода (например, 11—17, 17—26, 26—37, 37—52, 52—78 ГГц и т.д.). Однако это не пре­дел. Известны ЛОВ с диапазоном перестройки, превышающим октаву.

Важным свойством генераторов на ЛОВ является слабая зависи­мость мощности и частоты колебаний от степени согласования с нагрузкой.

Конструктивно ЛОВ имеет много общего с ЛБВ. Внешнее отли­чие состоит в том, что вывод энергии СВЧ расположен не в конце замедляющей структуры, а вблизи катода (рис 12.14).

Дело в том, что в ЛОВ используется особый тип волны, у которой фазовая скорость по направлению и значению примерно совпадает со скоростью электронов, а групповая скорость переноса энергии направлена в другую сторону — к катоду. По этой причине волны такого типа называются обратными.

Представить себе возможность возникновения обратных волн можно на примере замедляющей структуры в виде согнутого в спи­раль волновода (рис. 12.15).

Вдоль волновода от входа, где подключен внешний источник СВЧ-колебаний, к выходу распространяется основная волна Е sin ( - kх)

Рис. 12.15. Схема образования пространственных гармоник электромагнит­ного поля

с фазовой скоростью (фазовая скорость волны в незаполненном диэлектриком волноводе больше скорости света, а по направлению распространения она совпадает со скоростью передачи энергии). На электроны, пролетающие через отверстия в широких стенках волно­вода, электрическое поле основной волны влияет лишь при тех зна­чениях продольной координаты, которые соответствуют участкам взаимодействия. Таким образом, напряженность электромагнитного поля, воздействующего на электронный пучок, представляется в виде произведения напряженности поля в волноводе на комплексную

Рис. 12.16. Модуль функции F(x), описывающей прерывистый процесс взаи­модействия электронного потока с полем

периодическую функцию, характеризующую пространствен­ное расположение участков взаимодействия (рис. 12.16) при одина­ковых фазах поля в этих участках

Е(х, t) = Re (12.12)

Путем разложения в ряд Фурье функцию (x) можно предста­вить в виде суммы, где h — период структуры ( (x) = (x + h)), а и — целое число.

Тогда и напряженность результирующего поля (12.12), определя­ющую поведение электронов, можно представить в виде суммы так называемых пространственных гармоник — «простых» волн, ампли­туды которых уже не зависят от координаты:

Е(х, t) = Re . (12.13)

Каждое слагаемое ряда (12.13) представляет собой волну со своей фазовой скоростью

Фазовые скорости могут быть положительными (при 1 + > 0), соответствующими прямым волнам или отрицательными, т. е. имею­щими направление, противоположное направлению скорости основ­ной волны волновода . На рис. 12.15 наклонные прямые, проведенные через участки взаимодействия с одинаковым направлением электрического поля, характеризуют фазовые скорости отдельных пространственных гармоник, а также такие скорости электронов, при которых они в каждом участке внутри волновода будут встречать одну и ту же фазу поля (ускоряющего их или замедляющего), что и обеспечит длительность взаимодействия потока с выделенной про­странственной гармоникой.

Например, линии с наклонами, соответствующими фазовым ско­ростям _nl и _n2, характеризуют прямые пространственные гармо­ники, а линия ₀₁ — одну из обратных гармоник. Если электроны будут двигаться со скоростью ₀₁ в сторону «входа» замедляющей структуры, т. е. против направления распространения энергии основ­ной волны, они в каждом зазоре взаимодействия попадут в электри­ческие поля одинакового направления, что приведет (как и в ЛБВ) сначала к группированию электронов в сгустки, а затем по мере их торможения к передаче энергии электромагнитному полю.

Завершая описание физического смысла и условий возникновения пространственных гармоник, следует сформулировать более четко их свойства.

В отличие от гармоник периодического по времени процесса, име­ющих кратные частоты, все пространственные гармоники имеют одинаковую частоту колебаний со, но различные постоянные распро­странения k и соответственно разные фазовые скорости. Частота колебаний определяется либо внешним генератором, либо условием баланса стационарных колебаний автогенератора на ЛОВ.

Каждая из пространственных гармоник не существует как незави­симый объект, лишь их комбинация (сумма) образует реально наблю­даемый волновой процесс.

Групповая скорость всех пространственных гармоник одинакова, она определяется общим суммарным электромагнитным полем основной волны. Действительно, групповая скорость для каждой из пространственных гармоник не зависит от номера п этой гармоники, как это следует из (12.13).

Электронный поток эффективно взаимодействует с той состав­ляющей (пространственной гармоникой) поля, фазовая скорость которой близка к скорости электронов. (Волны с другими фазовыми скоростями не обеспечивают длительного единообразного во вре­мени воздействия на электронный поток и возможности обмена энергией с ним.)

Передача энергии от сгруппированного потока электронов одной из пространственных гармоник сопровождается возрастанием интенсивности всех остальных пространственных гармоник, т.е. интенсив­ности основной волны, которая и переносит энергию.

Пространственно-временные диаграммы распределения полей (см. рис. 12.15) позволяют увидеть еще одну особенность обратных волн. Если

фазовая скорость основной волны с ростом частоты уменьшается (угол а становится меньше), то фазовые скорости пря­мых волн _nl и _n2 также уменьшаются, что соответствует нормаль­ной дисперсии. При этом, однако, фазовая скорость обратных волн, например ₀₁, возрастает (угол р увеличивается), что свидетельствует об аномальной дисперсии этой группы пространственных гармоник.

Дисперсионная характеристика обратной волны , выбранной в качестве рабочей для ЛОВ, определяет регулировочную характе­ристику этого прибора (рис. 12.17). Усиление или режим гене­рации в ЛОВ происходит на той частоте, на которой фазовая скорость близка к скорости электронов. Равенство этих скоростей, или, как говорят, условие синхронизма, поэтому эквивалентно условию баланса фаз в автогенераторе.

Для возникновения автоколебаний в ЛОВ необходимо помимо этого еще и выполнение энергетического баланса: интенсивность СВЧ-поля в прикатодном участке ЛОВ должна поддерживаться поступлением энергии с противоположного конца структуры, где эта энергия передается полю от замедляемых электронных сгустков. Условие баланса приобретаемой полем и уходящей в нагрузку энер­гии достигается, если ток электронного пучка превышает пусковое значение. Усилительные ЛОВ, имеющие кроме выходного (прикатодного) вывода энергии еще и устройство для подвода входного сиг­нала на коллекторном краю структуры, работают, естественно, при токах, меньших пускового тока. В усилительном режиме ЛОВ используются редко и преимущественно в качестве перестраивае­мого полосового фильтра.

Рис. 12.17. Дисперсионная характеристика структуры (я) и регулировочные характеристики автогенератора на ЛОВ (б)

Контрольные вопросы и задания

1. Определить начальную скорость электронов при напряжении на спирали относительно катода 800,1500,3000В.

2. Спираль имеет диаметр d и шаг h. Найти фазовую скорость волны в спирали.

h, мм	d, мм
	2	5
0,5
1

3. Определить постоянную распространения (волновое число) для волны, имеющей на частоте 10 ГГц фазовую скорость, равную 0,1 с (с — скорость света)

4. Напряжение на спирали ЛБВ в центре зоны усиления 1100 В. Расстояние между вводом и выводом СВЧ-сигнала 20 см. Оценить время задержки сигнала в ЛБВ.

5. Через ЛБВ с полосой усиления 3,0-3,5 ГГц проходят сигналы с несущими частотами?

третьего канала?

6. Для чего в ЛБВ и ЛОВ-О используется фокусировка электронного луча и как она осуществляется?

7. Почему поглотитель, устанавливаемый в баллоне ЛБВ, предотвращает самовозбуждение?

8. Изобразить и пояснить регулировочные характеристики ЛБВ - зависимости коэффициента усиления и набега фазы от ускоряющего напряжения?

9. Из-за чего возникают и как проявляются частотные и нелинейные искажения анодным блоком. Использование именно магнетронных автогенераторов в ЛБВ?

10. Зависят ли фазовые скорости пространственных гармоник от частоты?

11. Как в автогенераторе на ЛОВ осуществить модуляцию сигнала по амплитуде? По частоте!

12. Какие виды модуляции сигнала осуществимы в ЛБВ?

Глава тринадцатая

Усилители мощности и автогенераторы

магнетронного типа

___________________________________________________