книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

спальной линии, внутренний 'провод которой свернут в спираль С, укрепленную >в вакуумном пространстве ЛБВ. Внешний провод отрезка линии образуется полой металлической трубкой Т, в ко­ торую вставлен стеклянный баллон лампы Б. Второй анод А2, спи­ раль С и коллектор К соединены между собой и имеют общий по­

мощи штыря Ш с волноводом, по которому распространяется элек­ тромагнитная волна, подлежащая усилению. Связь входного и выходного волноводов с лампой наиболее часто осуществляется именно при помощи штырей (антенн) на концах спирали, ориенти­ рованных вдоль оси лампы. В системе входной волновод— ЛБВ — выходной волновод должен быть сохранен режим бегущей волны*). Для этого входной и выходной волноводы имеют дополнительные отрезки согласования, настраиваемые металлическими поршнями П.

В ЛБВ происходит непрерывное взаимодействие электромагнит­ ного поля и потока электронов. Скорость распространения элек­ тромагнитной волны в вакууме близка к скорости света, скорость потока электронов определяется ускоряющим напряжением Е0 и, естественно, много меньше. Поэтому для непрерывного взаимодей­ ствия ноля и потока фазовые скорости их перемещения в простран­ стве лампы должны быть одного порядка. Для этого используются замедляющие структуры, искусственно удлиняющие путь усили­ ваемой электромагнитной волны. Классическим образцом замед­ ляющей линии является проволочная спираль, показанная на рис. 8.96. Электромагнитная волна, распространяющаяся но про­ воду спирали, последовательно обегает виток за витком. При этом осевая скорость распространения усиливаемой волны, называемая фазовой Пф, и ее поля вдоль оси лампы и спирали будет много

Например, при длине провода спирали 600 см и ее осевой дли­ не 30 ем фазовая скорость волны по оси спирали и лампы будет

сто получить выбором ускоряющего напряжения До порядка

1500—2000 В.

Конструкции замедляющих структур чрезвычайно разнообраз­ ны. На рис. 8.10 приведены примеры часто встречающихся замед-

*) Подробно режим 'бегущей волны в линиях и понятие скорости движения фазы волны по данной линии рассматриваются в «Основах радиотехники».

241

ляющих структур. Кроме спирали, используются также цилиндри­ ческие волноводы с круглыми перегородками-диафрагмами (рис. 8.10а), плоская гребенка (рис. 8.106), так называемая магнетрон­ ная система (рис. 8.10в), представляющая собой металлическое тело с высверленными сквозными отверстиями и прорезями. Такая

а)

6)

Рис. 8.10. Замедляющие структуры ЛБВ:

а) с круглыми диафрагмами; 6 ) в виде плоской гребенки (одно- и двухрядной); в ) магнетронная

замедляющая система применяется в магнетронных генераторах. Лампа бегущей волны практически является продолжением ли­ нии передачи энергии, поэтому в ней сохраняется режим бегущей волны, усиливаемой за счет взаимодействия с потоком электронов. Таким образом, генератор свч колебаний в виде ЛБВ преобразует энергию источника постоянного напряжения Е0 в энергию свч ко­ лебаний. Рассмотрим подробнее процесс взаимодействия потока электронов с усиливаемой волной. Усиливаемые колебания элек­ тромагнитной волны, распространяясь по проводу спирали, создают вокруг него переменное высокочастотное электрическое и магнит­

242

ное поля. Это поле— волна — распространяется вдоль провода со скоростью света, а вдоль оси ЛБВ — со скоростью Иф.

Чтобы волна распространялась по волноводам без отражений, необходимо согласование входного и выходного волноводов со штырями на концах спирали. Это достигается передвижением ме­ таллических поршней П в отрезках волноводов (рис. 8.9).

Как уже сказано, электромагнитная волна, бегущая по спира­ ли, создает внутри и вне ее электрическое и магнитное поля. Одна­ ко основное взаимодействие электронного потока лампы происхо­ дит именно с электрическим полем, действующим вдоль оси спи­ рали, так как магнитное поле оказывает на электроны слабое дей­ ствие.

Поток электронов после второго анода Л2 входит в спираль с постоянной скоростью wo. Начинается его взаимодействие с элек­ трической составляющей электромагнитной волны, перемещаю­ щейся вдоль оси спирали с фазовой скоростью w$, близкой к ско­ рости потока электронов. Электроны в потоке неизменно направ­ лены к коллектору, а направление напряженности электрического поля в спирали периодически меняется во времени с частотой под­ веденных (усиливаемых) колебаний.

Совместное движение волны и электронов вдоль оси спирали вызывает процесс группирования электронов в сгустки. В начале лампы плотность потока электронов постоянная. При их движении по направлению волны часть электронов попадает в тормозящее поле, а другая часть — в ускоряющее. При равенстве осевой ско­ рости потока wo и волны Оф одни электроны длительно испытывают торможение, а другие — ускорение. В результате длительного воз­ действия волны происходит эффективная группировка электронов.

Рис. 8.11. Взаимодействие электриче­

ского поля волны с потоком электро­ нов при различном соотношении их скоростей:

а ) скорость волны равна скорости потока; б ) скорость волны больше скорости потока; в ) скорость волны

меньше скорости потока

Возможны три характерных случая взаимодействия потока элек­ тронов с полем бегущей волны, условно показанных на рис. 8.11.

1. Средняя скорость электронов точно равна фазовой скорости перемещения волны (wo = w$). Группирование электронов нроисхо-

243

дит около места движения нулевой фазы (момент .перемены знака электрического поля). При этом электроны, собранные в сгустки, не отдают своей энергии полю волны, так как здесь они не уско­ ряются и не тормозятся.

2. Скорость электронов меньше фазовой скорости волны

(ооС^ф). Волна обгоняет сформировавшиеся сгустки. Большая часть электронов будет испытывать ускорение, попадая в ускоряю­ щее поле, отбирая энергию от волны. В этих условиях ни усиле­ ние, ни автогенерация колебаний свч невозможны.

3. Скорость электронов несколько больше осевой скорости рас­ пространения волны (г>о>Иф). Образующиеся сгустки, опережая волну, попадают в тормозящее поле. В этом случае большая часть электронного потока будет передавать свою энергию волне, т. е. производить ее усиление за счет кинетической энергии элек­ тронов, накопленной в ноле источника постоянного напряжения £о.

Обычно в ЛБВ средняя скорость потока электронов мало отли­ чается от скорости волны, н сгустки длительное время проходят в тормозящем поле, отдавая ему свою энергию. Поэтому в прибо­ рах непрерывного взаимодействия потока с полем обязательно вы­ полнение условий

Для получения эффекта усиления подводимых колебаний под­ бором напряжения на аноде скорость потока электронов устанав­ ливается несколько большей фазовой скорости перемещения поля бегущей волны. В этом случае образующиеся сгустки электронов несколько обгоняют поле и испытывают длительное торможение.

Длительность взаимодействия электронного потока и поля,

Е

I

Рис. 8.12. Изменения интенсивности электрических

колебаний толя усиливаемой волны и •■сгустков элек­ тронов в потоке вдоль оси

244

определяющая количество энергии, передаваемой полю, зависит от длины замедляющей системы ЛБВ.

На рис. 8.12 изображено изменение интенсивности электриче­ ских колебаний поля и плотности электронов в сгустках потока вдоль замедляющей системы. -С некоторого расстояния от входа лампы /опт амплитуда усиливаемой волны начинает уменьшаться вследствие того, что сгустки электронов, отдав свою энергию тор­ мозящему полю, перемещаются в область ускоряющего поля и начинают отбирать энергию у волны. Таким образом, при данном электронном режиме лампы — токе луча /о, напряжениях на элек­ тродах и мощности входного сигнала вх— существует одна оптимальная длина замедляющей системы 10 пт. В этом месте и должен быть расположен выходной волновод.

Основными характеристиками лампы бегущей волны являются следующие:

а. Коэффициент усиления, т. е. отношение выходной колеба­ тельной мощности Р~вых к величине входной мощности Р~ вхКоэффициент усиления обычно выражается в децибелах. Он -су­ щественно зависит от плотности электронного потока, т. е. величи­ ны конвекционного тока Iо, определяемого свойствами катода и величиной ускоряющего напряжения Еа. Зга зависимость имеет экстремальную точку (рис. 8.13а).

б. Амплитудная характеристика ЛБ-В — зависимость выходно колебательной мощности Р~ вых от мощности входного сигнала Р~ вхНа рис. 8.136 -показана полученная экстремально такая ха­ рактеристика. Видно, что при малых величинах входного сигнала амплитудная характеристика линейна и коэффициент усиления ЛБВ практически постоянный. При увеличении мощности вход­ ного сигнала усиление падает, так как с ростом Л ~Вх изменяются условия -взаимодействия электронного потока с бегущей волной. Увеличение напряженности электрического высокочастотного -поля

245

приводит к 'меньшему времени 'существования сгустка электронов и к некоторому его рассеиванию раньше, чем сгусток покидает спи­ раль (замедляющую структуру).

в. Зависимость выходной колебательной мощности Р~ вых от ускоряющего напряжения Е0 (рис. 8.13в). Существует оптимальное значение величины ускоряющего напряжения в данной лампе £оодт, при которой отдаваемая мощность в нагрузку будет макси­ мальна. Изменение ускоряющего напряжения приводит к уменьше­ нию выходной мощности. Пределы изменения Е0, при которых со­ храняются эффективные условия работы ЛБВ, не превышают 10%

ОТ Ео опт'

Благодаря отсутствию в ЛБВ объемных резонаторов (обяза­ тельных в клиетронных усилителях) диапазон усиливаемых рабо­ чих частот — чрезвычайно широкий, и это является большим до­ стоинством ЛБВ по сравнению с приборами другого типа. Пока длина волны усиливаемых колебаний превышает диаметр спирали, фазовая скорость волны при изменении частоты входного сигнала изменяется о,чвнь слабо и усиление оказывается равномерным в весьма широкой полосе. Для передачи современных видов инфор­ мации она практически даже не может быть полностью использо­ вана. В реальных условиях ширина полосы пропускания ЛБВ ограничивается устройствами согласования на ее входе и выходе, так как трудно создать согласующие устройства, обладающие та­ кой же шириной пропускания.

Входное устройство ЛБВ, являющееся для входного волново­ да (или коаксиального фидера) нагрузкой и одновременно возбу­ дителем отрезка коаксиальной линии лампы С— Т (ем. рис. 8.9), может рассматриваться как переходный трансформатор между двумя линиями передачи электромагнитной волны. Поэтому основ­ ным требованием к нему для сохранения максимального кпд пере­ дачи является отсутствие отражения волны на входе. Выходное устройство также согласует выход замедляющей структуры с вы­ ходным волноводом (или коаксиальным фидером). Оно обеспечи­ вает поглощение энергии усиленной волны выходной нагрузкой с минимальным отражением. Таким образом, и выходное согласую­ щее устройство, выполняющее роль переходного трансформатора, должно отвечать тем же требованиям, что и входное. В современ­ ных конструкциях ЛБВ эти устройства выполняются одинаковыми. Для поглощения неизбежно существующих отраженных волн ис­ пользуются специальные поглотители. В маломощных ЛБВ это обычно специальный слой, наносимый на опоры спирали, а в мощ­ ных ЛБВ — специальные 'устройства, размещаемые в средней час­ ти лампы. Используемые поглотители не должны нарушать струк­ туры поля прямой водны.

Рассмотренный тип ЛБВ относится к группе так называемых приборов типа «О». Основное их .свойство заключается в непрерыв­ ном взаимодействии потока электронов с продольным электриче­ ским полем волны, бегущей и одну сторону с потоком.

246

нуждаются в принудительном охлаждении. Узкая часть стеклян­ ного баллона, содержащая замедляющую систему, вставляется в арматуру с фокусирующей системой и отрезками внешних волно­ водов. У ЛБВ с замедляющей системой в виде коаксиальной спи­ рали внутренняя проводящая поверхность этой арматуры играет роль наружного проводника коаксиальной линии лампы. Она обыч­ но выполняется из хорошо проводящего немагнитного материала ('медь, латунь, алюминий).

Более мощные ЛБВ (десятки, тысячи ватт) изготовляются с ме­ таллическими баллонами (рис. 8.146), в которых элементы кон­ струкции лампы размещаются точно и жестко, что очень важно для условий эксплуатации лампы. Электронная пушка в таких конструкциях обычно выносится за пределы магнитного поля лам­ пы и окружается магнитным экраном. Волноводы или коаксиаль­ ные вход и выход часто отходят от лампы в одном направлении со стороны принудительно охлаждаемого коллектора, на котором рас­ сеивается кинетическая энергия электронного потока после про­ хождения им замедляющей системы. Конструктивные вариации служат для упрощения установки лампы во внешнем соленоиде фокусирующего магнитного поля.

Основным недостатком рассмотренных ЛБВ типа «О» является их низкий коэффициент полезного действия сравнительно с кли­ стронами; обычно он порядка 20%. В устройствах, предназначен­ ных для создания мощных свч колебаний (например, в радиолока­ ционных передатчиках) они пе применяются из-за слишком низко­ го коэффициента полезного действия

Этот недостаток ЛБВ устранен в приборах типа «М» (магне­ тронах и др.), получивших свое название из-за однородного маг­ нитного поля, которое должно действовать вдоль оси прибора. В них существуют постоянные перекрещивающиеся магнитное и электрическое ноля, действующие на поток электронов совместно с высокочастотным электрическим полем усиливаемого сигнала. Причем благодаря специальной конструкции замедляющей систе­ мы (рис. 8.10в), в которой роль резонаторов играют продольные полости, взаимодействие потока электронов происходит не с про­ дольным, а с поперечным полем волны. Электронный кпд генера­ торов тина «М» достигается 70% при коэффициентах усиления по­ рядка 10—20 дБ. Их выходная мощность достигает в импульсных режимах единиц мегаватт, а в режимах непрерывной генерации — единиц киловатт. В режиме непрерывной генерации снижается коэффициент полезного действия прибора, так как для создания в нем большого магнитного поля требуются весьма большие токи. Использование пиковых значений переменного тока или мощных кратковременных импульсов постоянного тока (в течение несколь­ ких микросекунд) сохраняют нормышленный коэффициент полез­ ного действия магнетронного генератора на уровне 40—45%. Маг­ нетроны и другие приборы типа «М» в аппаратуре связи не при­ меняются и поэтому в настоящем курсе подробно не рассматри­ ваются.

248

ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

Лампа обратной волны (ЛОВ) — электровакуумный при­ бор, в котором осуществляется взаимодействие потока электронов с обратной волной, двигающейся в направлении от коллектора к катоду.

Существуют два основных типа ЛОВ. Первый— маломощный тип ЛОВ (доли ватт) — применяется как автогенератор, в котором взаимодействие электронного потока осуществляется с продольной электрической составляющей поля волны (тип «О»). Второй тип ЛОВ — мощный генератор типа «М», в котором использование обратной волны при наличии поперечного магнитного ноля при­ нято для генерирования и усиления свч колебаний. Такими моди­ фицированными приборами являются платинотрон, карматрон и некоторые другие; они отличаются узким диапазоном частот и вы­ соким коэффициентом полезного действия.

Маломощные ЛОВ тина «О» — автогенераторы — применяются в качестве широкодиапазонных источников свч колебаний с прос­ той и быстрой перестройкой. Такие источники необходимы для передатчиков свч и используются в некоторых новых методах ис­ следования, например, в радиоспектроскопии. Клистрон, как это было выяснено выше, этим требованиям не удовлетворяет из-за ограниченных пределов изменения частоты, не превышающих 1—2% номинальной.

ЛОВ разработана в 50-х годах. Схематическое изображение ЛОВ типа «О» показано на рис. 8.15а. Сфокусированный электрон­ ный поток под действием ускоряющего напряжения Е0 движется вдоль оси в направлении к коллектору К. Внешняя фокусирующая система на рисунке не показана. Анод А, замедляющая система 2 и коллектор находятся под общим потенциалом. Таким образом, в пространстве после анода А не создается никаких дополнитель­ ных постоянных электрических полей. Возникающая энергия вы­ сокочастотных электромагнитных автоколебаний, • усиленная за счет электронного потока, отбирается с выхода ЛОВ при помощи коаксиального фидера. Выход располагается в начале замедляю­ щей системы. В качестве замедляющих систем 2 в ЛОВ исполь­ зуются только так называемые неоднородные структуры, в отли­ чие от спирали в ЛБВ, являющейся почти однородной системой. Вид одной из неоднородных замедляющих структур показан на рис. 8.156. Их применения в ЛОВ-автогенераторе обязательно, так как только при них возбужденное электромагнитное поле содержит бесконечное множество прямых и обратных волн— пространствен­ ных гармоник, имеющих разные скорости. Если для одной из волн выполняется условие взаимодействия волны с потоком, когда ao~a$, то происходят ее усиление и отдача-энергии внешней на­ грузке. Скорость электронного потока определяется величиной ускоряющего напряжения Е0. В ЛОВ изменение Е0 приводит к из­ менению частоты автоколебаний и возможности плавной ее пере­ стройки в широком диапазоне.

249