4.5. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схему и краткое описание измерительной установки, условное обозначение ЛБВ и ее паспортные данные.

3. Дисперсионная характеристика ЗС ЛБВ, построенная в координатах ,(– коэффициент замедления).

4. Сопротивление связи ЗС для условий п. 5. из 4.4.

5. Параметр усиления для средней и крайних частот диапазона при двух значениях тока катода ЛБВ.

6. Результаты исследования, оформленные в виде таблиц и графиков. Таблицы и графики должны быть снабжены заголовками и необходимыми пояснениями.

4.6. Контрольные вопросы

1. Что такое условие синхронизма?

2. Как зависит коэффициент усиления ЛБВ от ускоряющего напряжения на аноде и замедляющей системы?

3. Опишите методику измерения коэффициента усиления ЛБВ.

4. Опишите методику измерения дисперсионной характеристики лампы.

5. Расскажите о способах использования дисперсионных характеристик для выбора рабочих режимов ЛБВ.

5. Исследование характеристик лампы обратной волны

Цель работы: ознакомление с принципом действия и устройством лампы обратной волны (ЛОВ) типа «О» и исследование ее выходных характеристик.

5.1. Основные теоретические положения

5.1.1. Принцип действия лов

ЛОВ относится к электронным приборам СВЧ с длительным (распределенным) характером взаимодействия электронного потока и медленной электромагнитной волны. Замедление волны достигается применением специальных электродинамических структур, называемых замедляющими системами (ЗС). ЗС, используемые в современных приборах СВЧ, как правило, представляют собой периодические структуры с некоторым пространственным периодом . Распространяясь, электромагнитная волна в ЗС создает продольное (вдоль направления дрейфа электронного потока) электрическое поле, имеющее фазовый сдвигна расстоянии периода[5]. Важно отметить, что пространственное распределение этого поля вдоль осиимеет существенно неоднородный характер. Электронный поток со скоростью, попадая в такое пространственно-периодическое поле, будет испытывать на себе воздействие этого поля подобно колебательной системе, на которую воздействуют серией импульсов. Электронный поток «почувствует» только ту пространственную Фурье компоненту (составляющую) поля, которая находится в синхронизме с его собственной скоростью.

Для выделения этой составляющей необходимо разложить в ряд Фурье распределение амплитуды продольной составляющей электрического поля по пространственным гармоникам с периодом:

где ,– амплитуда-й гармоники,– фазовая постоянная-й пространственной гармоники.

Из (5.1) необходимо выбрать гармоники с фазовой скоростью . Учитывая, что на частотефазовая скорость определяется отношениемиз условия синхронизма, получим:

При этом скорость распространения энергии волны (а не ее фазы) для всех гармоник с номером будет одинакова:

Важно отметить, что фазовая и групповая скорости гармоник могут иметь не только разную величину, но и разный знак. Из приведенных рассуждений становится ясно, что выполнение условия (5.2) возможно как при одинаковых знаках и, так и при разных. В первом случаенаправление распространения энергии волны и скорости потокабудут совпадать, во второмбудут противоположны. Первый случай характерен для взаимодействия волны с потоком в лампах бегущей волны, второй – в лампах обратной волны.

При синхронизме электронного потока с одной из пространственных гармоник происходит явление группировки, т. е. в потоке появляется переменная составляющая конвекционного тока. Естественно, что эта компонента будет возбуждать в электродинамической системе волну, воздействующую на поток. При противоположном направлении скорости электронов и направлении распространения энергии волны электронный поток выступает как своеобразный элемент обратной связи. При некоторых значениях тока луча , достаточного для компенсации потерь в системе, возможно возникновение генерации СВЧ-колебаний.

Схема построения прибора, реализующего такую ситуацию, показана на рис. 5.1. Электронный поток 3, создаваемый катодом 1, движется слева направо к коллектору 6. Замедляющая система 4 нагружена на согласующее сопротивление5 справа, а слева имеет связь с внешней нагрузкой через элемент связи 2. Флуктуации электронного потока с некоторой частотой будут нарастать справа налево при выполнении условия (5.2). Изменяя скорость потока за счет изменения ускоряющего напряжения,в таком приборе можно получить изменение генерируемой частоты в соответствии с дисперсионной зависимостью используемой ЗС. Диапазон такой электронной настройкипромышленных образцов ЛОВ может составлять октаву и более. По этому параметру ЛОВ не имеет аналогов среди генераторов СВЧ. Однако специфика взаимодействия электромагнитной волны и потока такова, что ЛОВ имеют низкий коэффициент полезного действия. Это вызвано тем фактом, что нарастание амплитуды электромагнитной волны происходит справа налево (в соответствии с направлением), а нарастание переменного конвекционного тока (группировки) – слева направо (в соответствии с направлением). Максимальное значение КПД, предсказываемое теорией, составляет

где – параметр усиления Пирса

Используемая в выражении (5.4) величина называется сопротивлением связи. В целях повышения КПД необходимо обеспечить наиболее эффективное взаимодействие обратной волны с электронным потоком. Такая волна должна быть основной, т. е. иметь наибольшую фазовую скорость, т. к. при этом сопротивление связи максимально. Для-й пространственной гармоники эта величина характеризует связь между продольной составляющей поляв месте расположения потока и мощностью электромагнитной волны в ЗС –:

Из (5.3) – (5.5) видно, что для получения ЛОВ с хорошими энергетическими параметрами необходимо подбирать системы с высоким сопротивлением связи . Учитывая тот факт, что полеэкспоненциально убывает с увеличением расстояния от ЗС, необходимо максимально приближать электронный поток к ЗС, а также увеличивать периферию потока, применяя ленточные или полые цилиндрические потоки.

ЛОВ типа «О» отличается от ЛБВ главным образом устройством замедляющей системы и расположением поглотителя, который находится в «коллекторном» конце генераторной ЛОВ в виде согласованной нагрузке 5. Вывод энергии при этом обеспечивается через элемент связи 2 с «катодной» стороны лампы.

В качестве замедляющей системы чаще всего применяют ЗС встречно-штыревого типа или двухзаходные спирали.