книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

проводник коаксиальной линии заканчивается опиралью, имею­ щей направление намотки, обратное направлению намотки за­ медляющей спирали лбв.

Волноводно-спиральный переход, изображённый на рис. 17.13, выполнен при помощи неоднородной ленточной спирали с изме­

в однородную спираль лбв. Для согласования волновода со спиралью используется короткозамыкающий поршень. Обычно размеры по узкой сто­ роне поперечного сечения вол­ новода в волноводно-спираль­ ном переходе меньше соответ­ ствующего размера стандарт­ ного волновода, поэтому для перехода к волноводу стан­ дартных размеров используют­ ся конические секции.

Основными параметрами лбв являются рабочий диапазон ча­ стот, коэффициент усиления, коэффициент затухания, коэффи­ циент шума и максимальная выходная мощность.

В теории лбв показывает, что коэффициент усиления

G = 47,3 С Л/ — L, дб,

где

С= f'Ai-V/3

\4t/0y

—величина, называемая параметром усиления, а N—число длин волн вдоль спирали.

Параметр усиления определяется током луча /о, ускоряющим напряжением на спирали относительно катода t/0 и величиной волнового сопротивления спирали р.

Коэффициент затухания L равен отношению выходной мощ­ ности лампы Р вых к мощности на входе Р вх в логарифмических единицах в отсутствие электронного потока

L = lO lg ^f^

/ „ = 0

460

и характеризует затухание, введённое в замедляющую систему

для устранения возбуждения.

Коэффициент шума F определяется формулой

Рейх

Лампы бегущей волны в зависимости от назначения подраз­ деляются на лампы с низким уровнем шумов, лампы малой и средней мощности и мощные лампы бегущей волны.

Лбв с низким уровнем шумов применяются для усиления сигналов во входных цепях приёмных устройств свч, и для них наиболее важным параметром является коэффициент шума, ко­ торый определяет чувствительность приёмного устройства в це­ лом. Шумы в лбв вызываются флуктуациями тока в электрон­

шумов электронного потока осуществляется путём создания опре­ делённого изменения потенциала между катодом и началом спирали, для чего в электронных пушках используются два и более анода. На рис. 17.14 представлена зависимость уровня

461

шумов и коэффициента усиления лампы бегущей волны типа УВ-5 от напряжения первого анода при различных напряжениях на управляющем электроде. Из графика следует, что существует оптимальный режим, при котором коэффициент шумов мини­ мален. Лбв среди других усилителей свч обладают наинизшим уровнем шумов. Лбв с низким уровнем шума имеют коэффи­ циент шума в 8-5-12 дб и коэффициент усиления 20-5-30 дб. Имеются лампы с уровнем шумов в 6 дб.

Лампы бегущей волны малой и средней мощности применя­ ются для усиления сигналов в промежуточных ступенях приём­ ников, в выходных ступенях радиорелейных станций и для пред­ варительного усиления в мощных генераторах свч. Уровень шу­ мов этих лбв не имеет значения, для них существенными пара­ метрами являются коэффициент усиления и выходная мощность. Лбв малой мощности имеют коэффициент усиления порядка 20-5-35 дб и выходную мощность от десятков милливатт до одного ватта. Лбв средней мощности обладают усилением до 30 -т- 40 дб и выходной мощностью от одного до нескольких де­ сятков ватт.

Усиление лампы бегущей волны максимально при малых сигналах и уменьшается с увеличением подводимой мощности.

входная мощность, мнбт

Рис. 17.15

Выходная мощность возрастает с увеличением подводимой мощ­ ности и достигает максимума при определённом значении Р вх, когда наступает оптимальное группирование электронного по­ тока. На рис. 17.15 представлена зависимость выходной мош-

462

ности и коэффициента усиления от мощности, подводимой ко входу лампы для лбв типа УВ-7.

Рабочая полоса частот составляет величину от нескольких десятков процентов до ста и более процентов относительно сред­ ней частоты диапазона. Коэффициент полезного действия лбв

лампы имеют волноводный ввод и вывод энергии. Для фокуси­ ровки луча применяется осевое магнитное поле напряжённостью 700-ь800 эрстед, создаваемое соленоидом, питаемым постоянным

с т у п е н я х

Лампы бегущей волны большой мощности применяются в выходных ступенях мощных передатчиков непрерывного и им­ пульсного режимов. Мощные лбв, в отличие от маломощных, имеют довольно высокий кпд (от 10 до 25%) и относительно узкую полосу рабочих частот (10—20%). Разработаны лбв с вы­ ходной мощностью для непрерывного режима от нескольких сот до нескольких тысяч ватт. Выходная мощность лбв в импульс­ ном режиме составляет при малом коэффициенте заполнения от нескольких сот киловатт до одного мегаватта.

§17.4. Устройство и принцип действия ламп обратной волны

спродольным магнитным полем

На принципе, тождественном с принципом работы лампы бегущей волны, основано действие лампы обратной волны. Лам­ па обратной волны является маломощным генератором и юбла-

463

дает весьма широким диапазоном электронной настройки. В от­ личие от лбв в лов электронный поток движется в направлении, обратном распространению бегущей волны.

Устройство лампы обратной волны с волноводным выходом изображено на рнс. 17.16. Электронная пушка, состоящая из катода К, фокусирующего электрода Ф и анода Л, создаёт сфо­ кусированный электронный поток, который проходит вдоль за­ медляющей системы 3. Обычно фокусирующий электрод имеет потенциал, близкий или равный потенциалу катода, на анод подаётся напряжение от нескольких десятков до нескольких сотен вольт, а на замедляющую систему — от нескольких сот до тысячи и более вольт. Электронный поток, пройдя вдоль замедляющей системы, поступает на коллектор Колл. Возбуж­ даемая в лов электромагнитная волна распространяется в на­ правлении, противоположном движению электронного потока, от коллектора к электронной пушке. Вывод энергии осуществляет­ ся со стороны электронной пушки. Для обеспечения стабильной работы на конце замедляющей системы, ближайшем к коллек­ тору, находится поглотитель. Для фокусировки электронного потока, идущего вдоль замедляющей системы, используется про­ дольное магнитное поле, создаваемое соленоидом или постоян­ ным магнитом, поэтому лов этого типа называются лампами обратной волны с продольным магнитным полем или лов типа О.

Как было отмечено выше, работа лампы бегущей волны основана на взаимодействии бегущей волны с потоком электро­ нов. Электроны, движущиеся в лбв со скоростью, близкой к фа­ зовой екорости волны, можно рассматривать как находящиеся в почти постоянном поле. В этом случае поле приводит к обра­ зованию групп электронов, которые, затормаживаясь полем, отдают ему свою энергию и вызывают усиление колебаний. По­ добные условия взаимодействия, однако, могут быть получены даже при движении электронов против направления движения

электромагнитной волны при условии периодической встречи электронов с волной.

464

На рис. 17.17 изображён волновод, имеющий змеевидную форму, вдоль которого волна проходит длинный зигзагообраз­ ный путь. В стенках волновода сделаны отверстия, через кото­ рые по всей длине волновода проходит электронный луч. Элек­ тронный поток движется слева направо, тогда как волна вдоль волновода распространяется справа налево. Электромагнитная

d » |- d

Поток электронов

1 —Электромаг-

— — нотная волна

Рис. 17.17

волна при этом периодически пересекает поток электронов то сверху вниз, то снизу вверх. При определённых условиях будет происходить эффективное взаимодействие между электронным потоком и электромагнитной волной, распространяющимися в противоположных направлениях. Действительно, пусть в мо­ мент прохождения электрона через секцию волновода А в нём существовало максимальное тормозящее поле и пусть за время пролёта электрона от точки А до точки В волна вдоль волно­ вода переместится в противоположном направлении настолько, что в секций волновода будет снова максимальное тормозящее поле. При последующем движении этот электрон будет пересе­ кать волновод в те моменты времени, когда поле в нём будет максимально тормозящим. Следовательно, рассматриваемый электрон будет по отношению к бегущей волне двигаться в поч­ ти неизменном поле. Это будет справедливо для всех других электронов, так как они проходят через каждую из секций вол­ новода при постоянной фазе поля в нём. Поэтому, как и в случае лампы бегущей волны, будет происходить группирование элект­ ронного потока и передача энергии от электронного потока электромагнитной волне, распространяющейся в обратном на­ правлении.

Следует несколько более подробно остановиться на условиях и характере взаимодействия электроноз с полем бегущей волны. Взаимодействие электронов с электромагнитной волной носит прерывистый характер и имеет место только в течение прохож­ дения электронов сквозь секцию волновода.

Найдём условия, при выполнении которых электрон при прохождении через секции волновода находится под воздейст­ вием поля одной и той же фазы, т. е. поля одного и того же направления и величины. Пусть фазовая скорость распростра­ нения волны вдоль оси электронного потока против направления его движения равна ьф. Фазовая скорость ь ф меньше фазовой

скорости волны в волноводе на коэффициент, равный отношению расстояния вдоль оси электронного потока к общей длине вол­ новода. На рис. 17.18 показано перемещение волны с течением времени. По оси абсцисс (г) отложено расстояние вдоль направ-

Рнс. 17.18

ления движения электронного потока, а по оси ординат — время t.

На оси z буквами А, В, С, D, ... отмечено положение сере­ дин соответствующих секций волновода, изображённого на рис. 17.17. Линии движения минимумов, т. е. максимального тормозящего поля волны, бегущей в обратном электронному потоку направлении, изображаются пунктирами 1—Г, 2—2', 3—3' ит. д. На рис. 17.18 сплошной линией 1—о_, изображена

зависимость расстояния от времени, когда следующие друг за другом минимумы волны, обозначенные цифрами 2, 3 , . . про­ ходят через середины последовательно расположенных секций волновода В, С, D, ... Тогда электрон, движущийся со скоро­ стью, определяемой линией 1—и_,, встречает волну в секциях

волновода при одной и той же фазе. Взаимодействие электрона с волной, бегущей в обратном направлении, на отдельных участ­ ках А, В, С ,. . . происходит так же, как и взаимодействие с вол­ ной, бегущей в прямом направлении и имеющей скорость, опре­ деляемую углом наклона линии 1 — о_i .

Поле в волноводе с периодической структурой можно пред­ ставить как сумму волн, распространяющихся с соответствую­ щими скоростями. Такие волны называются пространственными гармониками. Волны, скорость которых имеет то же направле­ ние, что и распространение энергии, называются прямыми про-

466

странственными гармониками, а волны, распространяющиеся в обратном направлении, называются отрицательными, или об­ ратными пространственными гармониками. В рассматриваемом примере электроны взаимодействуют с первой обратной гар­ моникой.

Вычислим скорость первой обратной гармоники, определяе­ мой на рис. 17.18 углом наклона линии 1 — о_1.Шаг конструк­ ции замедляющей системы по оси электронного потока равен удвоенному расстоянию между секциями. Время перемещения волны на расстояние, равное длине волны вдоль оси электрон­ ного потока минус шаг конструкции 2d, равно

За это же время электрон со скоростью v0, равной скорости первой обратной гармоники i, должен переместиться на рас­ стояние 2d, т. е.

. 2d __ _2d_

Отсюда скорость электронов v0, равная скорости первой об­ ратной гармоники v-i , равна

1

Таким образом, чтобы электрон при прохождении через каж­ дую секцию волновода находился под воздействием поля одина­ ковой фазы, необходимо, чтобы время его перемещения на рас­ стояние шага конструкции 2d было равно периоду колебаний минус время распространения волны на то же расстояние. Если скорость электронов несколько больше, чем определяемая соот­ ношением (17.1), то все электроны будут, как и в лампе бегу­ щей волны, двигаться в поле примерно постоянной фазы. Вслед­ ствие группирования и передачи энергии от электронного потока волне будет происходить увеличение её амплитуды при распро­ странении её от коллектора в направлении катода.

В лампе обратной волны усиленные колебания распрост­ раняются в направлении, противоположном движению электрон­ ного потока, поэтому при достаточно большом токе луча созда­ ются условия для самовозбуждения колебаний. Процесс возник­ новения колебаний можно пояснить следующим образом. Если вблизи коллекторного конца замедляющей системы за счёт теп­ ловых шумов или переходных процессов при включении возни­

кает волна, бегущая в направлении к катоду, то эта волна вызовет группирование электронного потока, который будет усиливать амплитуду распространяющейся волны и в свою очередь возбуждать у коллекторного конца замедляющей систе­ мы волну, бегущую в обратном направлении. В лампе обратной волны за счёт обратной связи, создаваемой электронным пото­

свойств волновода как замедляющей системы, а определяется из условия (17.1) прохождения электронов через секцию вол­ новода при одной и той же фазе поля. Это условие устанавли­ вает определённое соотношение между скоростью электронного потока, геометрией замедляющей системы, фазовой скоростью волны в ней и частотой. При изменении скорости электронов вследствие изменения потенциала замедляющей системы отно­ сительно катода происходит изменение частоты распространяю­ щейся волны таким образом, что для нового значения частоты выполняется условие постоянства фазы. Таким образом, лов является генератором, изменяющим частоту колебаний в зави­ симости от напряжения на замедляющей системе. Диапазон та­ кой электронной настройки лов очень велик. На рис. 17.19 для

С В и

Рис. 17.20

примера изображена зависимость частоты генерируемых коле" баний одного из типов лов от напряжения на замедляющей системе.

В качестве замедляющих систем лов применяются одиноч­ ные и двойные спирали и замедляющие системы штыревого и пластинчатого типов. На рис. 17.20 изображена замедляющая

468

система лов в виде спирали С, намотанной на винт В и изоли­ рованной от винта керамическими стержням» И. При использо­ вании этой системы применяется полый цилиндрический элект­ ронный пучок, проходящий вблизи опирали. На рис: 17.21 пока-

Рис. 17.21

зана замедляющая система в виде встречных штырей, которая представляет две гребёнки, вставленные друг в друга. Электро­ магнитная волна распространяется вдоль щели между штырями, как по змеевидному волноводу. В лов с системами в виде встреч­ ных штырей используется ленточный электронный поток, иду­ щий над замедляющей системой вдоль неё.

Для нормальной работы лов требуется хорошее согласова­ ние коллекторного конца замедляющей системы, которое осу­ ществляется введением поглотителя на коллекторном конце её, и хорошее согласование замедляющей системы с линией пере­ дачи к нагрузке. При плохом согласовании происходит отраже­ ние волны от концов замедляющей системы и наблюдается рез­ кое изменение мощности при изменении длины волны колебаний. На рис. 17.22 изображено изменение выходной мощности от дли­ ны волны генерируемых колебаний при хорошем и плохом со­

бежных ламп обратной волны с продольным магнитйым полем';

469