5.2. Лампы бегущей и обратной волны
Они являются приборами с длительным взаимодействием электронного сгустка с замедленной электромагнитной волной. При этом происходит группировка ускоренных электронов, и отдача энергии замедленных электронов полю СВЧ.
Для этого должно выполняться условие синхронизма – скорость электронов в потоке должна совпадать с фазовой скоростью волны.
В лампах бегущей волны (ЛБВ) движение электронов совпадает с направлением движения энергии по замедляющей системе. В них электронный поток взаимодействует с прямой замедленной волной.
В лампах обратной волны электронный поток движется навстречу потоку энергии и электронный поток взаимодействует с обратной волной.
ЛБВ и ЛОВ делятся на две основные группы. К приборам О-типа относятся лампы с продольным магнитным полем, которое используется для фокусировки электронного пучка. К приборам М-типа относятся лампы в которых электроны движутся в скрещенных электрических или магнитных полях.
Рассмотрим устройство и принцип действия ЛБВ О-типа (рис. 5.3).
Эмиттируемые катодом электроны ускоряются напряжением г до скорости ~0,1с, где с – скорость света. СВЧ колебания, подлежащие усилению подаются на вход лампы и далее распространяются вдоль замедляющей системы, образованной спиралью и каркасом фокусирующего селеноида. Скорость uгрраспространения электромагнитной волны вдоль провода спирали равна скорости света. Фазовая скорость волны, т.е. ее скорость движения вдоль оси спирали будет в πd/tраз меньше, где в – диаметр спирали,t– шаг спирали. Обычно обеспечивается замедление в 10-15 раз.
Рис. 5.3
Движение энергии в замедляющей системе происходит в направлении движения электронов. Фокусировка электронного потока осуществляется с помощью постоянного магнитного поля, созданного селеноидом.
По мере движения электронов внутри спирали в поле бегущей волны они взаимодействуют с этой волной. В зависимости от фазы сверхвысокочастотного электрического поля, они тормозятся или ускоряются. В результате появления разности скоростей электронов происходит группирование их в сгустки. Сгустки образуются в той части бегущей волны, где электроны претерпевают торможение. При дальнейшем движении электроны постепенно тормозятся, передавая кинетическую энергию волне и увеличивая ее амплитуду.
ЛБВ работают на частотах до десятков ГГц и могут иметь мощность от единиц Вт до 1 кВт в непрерывном режиме. В импульсном – до 10 МВт. Главным преимуществом ЛБВ является широкая полоска усиливаемых частот до 15%. КПД ЛБВ составляет от 20 до 50%.
ЛБВ применяются в радиолокации, системах космической и трансферной связи.
Лампы обратной волны (ЛОВ). ЛОВ применяются в основном для генерации СВЧ колебаний, но могут работать и в усилительном режиме. В ЛОВ применяются такие же системы фокусировки и замедляющие системы как в ЛБВ. В ЛОВ волна и электронный поток движутся навстречу друг другу. В усилительных ЛОВ вход располагается около коллектора, а выход около катода. Усиление в такой лампе возможно лишь в узкой полосе частот. Положение этой полосы частот в диапазоне частот зависит от ускоряющего напряжения.
Значительное большее распространение получили генераторные ЛОВ. В условиях синхронизации скорость электронов и обратной гармоники в ЛОВ совпадают по направлению, а поток энергии направлен от коллектора к катоду. Поэтому выход СВЧ колебаний располагается в катодном конце замедляющей системы. Все прямые гармоники поглощаются согласованной нагрузкой. Генерация колебаний в ЛОВ осуществляется за счет наличия внутренней обратной связи, распределенной по длине лампы и обусловленной встречным движением энергии и волны в замедляющей системе. В ЛОВ имеется возможность плавной перестройки частоты изменением ускоряющего напряжения. ЛОВ применяются в качестве гетеродинов приемников РЛС, задающих генераторов передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты, в широкополосных ЧМ системах передачи данных.