Лекция № 3 Лампы бегущей и обратной волн.

План лекции

1. Лампы бегущей волны О-типа.

2. Лампы обратной волны О-типа.

3. Лампы бегущей и обратной волн М-типа.

1. Лампы бегущей волны о-типа

Конструктивные особенности. В лампах бегущей волны обеспечивается взаимодействие промодулированного электронного потока с прямой или обратной волной замедляющей системы. Приборы, в которых взаимодействие осуществляется на прямой волне, называются лампами бегущей волны (ЛБВ) в отличие от ламп обратной волны (ЛОВ), где используются отрицательные пространственные гармоники замедляющей системы.

Существуют разновидности ЛБВ и ЛОВ О- и М-типов. В приборах О-типа (ЛБВО, ЛОВО) электроны прямолинейного потока группируются продольной электрической составляющей СВЧ поля и передают кинетическую энергию электромагнитной волне. В ЛБВ и ЛОВ М-типа (ЛБВМ, ЛОВМ) группирование электронов осуществляется за счет взаимодействия потока с поперечной электрической составляющей СВЧ поля. При этом в результате взаимодействия с продольной составляющей поля электроны передают потенциальную энергию электромагнитным колебаниям. Таким образом, приборы М-типа получили название от приборов магнетронного класса, работающих в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях.

На рис. 1 показано устройство ЛБВО. Она имеет игольчатую конструкцию стеклянного баллона, содержит спиральную замедляющую систему СЗС с коаксиальными входом и выходом, электронную пушку с фокусирующим электродом ФЭ, на который подается напряжение U_ф, и анодом А с потенциалом U₀ таким же, как и потенциал замедляющей системы. Замедляющая система, связанная с внешними линиями передачи, обычно заземляется так, что катод К электронной пушки находится под высоким отрицательным напряжением. Электронный поток ЭД, попадающий в СЗС, фокусируется магнитным полем соленоида С и оседает на коллекторе Кл, напряжение которого может быть отрицательным относительно СЗС при использовании метода рекуперации.

ЛБВ является широкополосным усилителем с высоким коэффициентом усиления. «Рекордная» ширина полосы пропускания соответствует десятикратному отношению верхней частоты к нижней (f_в : f_н = 10 : 1), т.е. занимает более трех октав. Наиболее высокое значение коэффициента усиления ЛБВ равно 60 дБ в полосе частот около 10% от средней частоты.

Рис. 1. Схема устройства ЛБВ Компфнера

Для предотвращения самовозбуждения ЛБВ в замедляющей системе размещают локальный поглотитель ЛП, с помощью которого ликвидируется обратная связь при отражении сигнала от выхода ЗС. Это происходит, если локальный поглотитель вносит ослабление, превышающее значение коэффициента усиления. При этом ослабляется и прямой сигнал, распространяющийся от входа к выходу ЛБВ.

Характеристики и параметры ЛБВ. Лампы бегущей волны О-типа по функциональному назначению подразделяют на мощные, маломощные и ЛБВ средней мощности. Среди маломощных ЛБВ выделяют малошумящие и сверхмалошумящие. ЛБВ средней мощности и мощные используют в импульсном и непрерывном режимах. Кроме того, ЛБВ подразделяют на широкополосные и узкополосные усилители.

К мощным ЛБВ относят усилители с выходной мощностью более 100 Вт в непрерывном и свыше 10 кВт в импульсном режимах. К маломощным относят ЛБВ с выходной мощностью не более 1 - 3 Вт. Малошумящие ЛБВ имеют коэффициент шума 12 - 18 дБ в диапазоне частот 1 - 18 ГГц, сверхмалошумящие – 4 - 8 дБ в том же диапазоне частот. Широкополосные ЛБВ имеют полосу пропускания ~ 1 ÷ 2 октавы; к узкополосным относят ЛБВ с полосой до 10% от средней частоты. Основными характеристиками ЛБВ, как и любого другого усилителя, являются амплитудные и частотные характеристики.

Отличительной особенностью ЛБВ является то, что они содержат нерезонансные колебательные системы и имеют широкую полосу пропускания. Рабочая полоса частот ЛБВ ограничивается не полосой пропускания ЗС, а ее дисперсией, из-за которой приходится изменять ускоряющее напряжение U₀ при изменении частоты входного сигнала. Для обеспечения мгновенной широкополосности при U₀ = const необходимо использовать замедляющие системы со слабой дисперсией.

Рабочая полоса частот может быть ограничена из-за недостаточной широкополосности согласующих устройств на входе и выходе ЛБВ. Согласование ЗС с внешними линиями передачи обеспечивается при равенстве волновых сопротивлений. Для согласования ЗС используются трансформирующие устройства, которые обычно не широкополосны. Задача согласования усложняется еще и потому, что значения Z_в.зс и Z_в.лп по-разному зависят от частоты. Поэтому согласующие устройства иногда приходится снабжать подстроечными элементами.

Примером решения задачи согласования является использование устройств входа и выхода спиральной ЛБВ с волноводными вводом и выводом энергии (рис. 2). Из рисунка видно, что конец спирали плавно переходит в сплошной цилиндр 1, который выполняет роль штыря, входящего в волновод перпендикулярно его широкой стенке и возбуждающего волну Н₁₀ в прямоугольном волноводе 2. Для подстройки в закрытом конце волновода размещают короткозамыкающий поршень 3.

Рис. 2. Схема устройства вывода энергии от спиральной ЗС на прямоугольный волновод

К.п.д. ЛБВО и возможности его повышения. Электронный к.п.д. ЛБВ определяется начальной и конечной скоростями электронов: .

Рассмотрим основные способы увеличения к.п.д. ЛБВ. Одним из таких способов является метод рекуперации. Для ЛБВ также используются два источника питания, один из которых подключен к ЗС ЛБВ, другой - к коллектору (рис. 3). Источник питания в цепи ЗС имеет малую мощность Р_зс = U₀I_зс, т.к. токооседание в ЗС незначительно. Этот маломощный источник питания обеспечивает стабильное ускоряющее напряжение U₀ и соответственно устойчивую работу усилителя в оптимальном режиме. В цепь коллектора включается источник большой мощности Р_кл = U_клI_кл от которого не требуется, чтобы он обеспечивал высокую стабильность напряжения коллектора.

Рис. 3. Схема подключения ЛБВ к источникам питания по методу рекуперации

Значение к.п.д. ЛБВ методом рекуперации можно увеличить пропорционально глубине рекуперации, которая ограничена обратным потоком электронов от коллектора к ЗС. Поэтому в ЛБВ, рассчитанных на использование метода рекуперации, применяют конструкции коллекторов с «электронными ловушками». Наиболее эффективны многосекционные коллекторы, в которых обеспечивается «мягкая посадка» электронов с различными скоростями в секциях с различными потенциалами (рис. 4). При таком включении «медленные» электроны оседают на первых, а «быстрые» - на дальних секциях, потенциалы которых ниже.

Рис. 4. Схема подключения ЛБВ к источникам питания при многоступенчатой рекуперации

Существуют другие варианты многосекционных коллекторов с электронными ловушками ЭЛ (рис. 5,а) и рассеивателями Р электронов (рис. 5,б). Рассеиватель имеет вид острого конуса, направленного навстречу движения электронов. Он находится под отрицательным потенциалом, соответствующим потенциалу катода электронной пушки. Использование метода рекуперации позволяет увеличить к.п.д. ЛБВ с 15 - 20 до 30 - 40%.

Рис. 5. Схемы устройств многосекционных коллекторов с электронными ловушками

Довольно эффективным с точки зрения повышения к.п.д. ЛБВ является способ программирования шага ЗС для постепенного уменьшения фазовой скорости волны, бегущей вдоль системы. На рис. 6,а показана гребенка с переменным шагом, а также уменьшение вдоль нее фазовой скорости бегущей волны. Лампы, в которых синхронизм поддерживается за счет программированного изменения фазовой скорости вдоль ЗС, получили название изохронных ЛБВ.

Режим изохронности позволяет увеличить к.п.д. ЛБВ в 1,4 - 1,8 раза. При переходе от обычных ЛБВ к изохронным возрастает не только к п.д., но и коэффициент усиления, поскольку выходная мощность увеличивается за счет повышения эффективности взаимодействия.

Рис. 6. Схема поддержания синхронизма в изохронной ЛБВ (а) и результаты анализа ее на основе нелинейной теории ЛБВ (б)

Изготовление ЗС с изменяющимся шагом нетехнологично, поэтому на практике более распространены ЛБВ со скачком фазовой скорости, в которых использовано несколько секций (обычно две) ЗС с различными коэффициентами замедления (рис. 7). Для оптимизации к.п.д. к секциям ЗС с разными коэффициентами замедления можно подвести от маломощных стабилизированных источников питания Р₀₁ и Р₀₂ напряжения U_0l и U₀₂. Основной, мощный, источник питания в такой схеме по методу рекуперации подключают к коллектору, на который подается наименьший потенциал (U_кл < U₀₂ < U₀₁). Одновременное использование методов рекуперации, скачка фазовых скоростей и скачка потенциала позволяет обеспечить к.п.д. ЛБВ О-типа до 50%, что ставит их на один уровень с лучевыми приборами М-типа.

Рис. 7. Схема двухсекционной ЛБВ со скачком фазовой скорости

Самый высокий к.п.д. ЛБВ О-типа, полученный в непрерывном режиме, составляет 58% в трехсантиметровом диапазоне длин волн.

Снижение шумов в ЛБВ. Одним из преимуществ ЛБВ О-типа перед другими электронно-вакуумными приборами является их низкий уровень шумов. Источники шумов в ЛБВ обычно те же, что и в других приборах: флюктуация скоростей электронов, эмиттируемых катодом электронной пушки; изменение тока луча вследствие оседания электронов на ЗС; нагрев системы за счет высокочастотных потерь и т.д. Однако в маломощных ЛБВ с электронным потоком малой плотности эти факторы могут быть существенно ослаблены.

Отсутствие сеточных зазоров в колебательной системе и хорошая фокусировка электронного луча значительно снижают влияние токораспределения на шумы в ЛБВ. Использование многоанодных электронных пушек (рис. 8) с небольшим изменением потенциалов анодов уменьшает разбросы электронов по скоростям при их влете в ЗС.

Рис. 8. Схема устройства многоанодной электронной пушки малошумящей ЛБВ

Особый источник шума, присущий ЛБВ, связан с тем, что в результате модуляции электронного потока по плотности в нем возникают волны пространственного заряда. Расположение входа ЗС в узле стоячей волны флюктуации плотности тока способствует уменьшению уровня шумов ЛБВ. Тепловые шумы могут быть снижены путем охлаждения ЗС, для чего ЛБВ погружают в сосуд с жидким азотом. Самое низкое значение шум-фактора ЛБВ К_ш составляет около 2 дБ.

Миниатюризация ЛБВ. Размеры и массу ЛБВ уменьшают в первую очередь за счет усовершенствования магнитной фокусирующей системы. Вначале соленоид, в который помещалась ЛБВ, был заменен системой с реверсом магнитного поля (рис. 9), состоящей из нескольких соленоидов с противоположным направлением продольного магнитного поля. Такая реверсная система по сравнению с соленоидом позволяет также уменьшить потребление электроэнергии на питание магнитной системы и поля рассеяния вне соленоида, так как магнитное поле рассеяния снаружи системы тем меньше, чем короче каждая секция.

Рис. 9. Схема устройства реверсной магнитной системы с двумя соленоидами: 1 – ЛБВ; 2 – магнитный экран; 3 - соленоид

В пакетированных конструкциях ЛБВ аналогом реверсной системы является магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС) (рис. 10), состоящая из набора шайб, в котором постоянные магниты чередуются с шайбами из магнитомягкого материала, выполняющими роль полюсных наконечников. Постоянные магниты 1 представляют собой аксиально намагниченные шайбы. Наименьшие габариты имеют ЛБВ, в которых использованы МПФС из самарийкобальтовых или других магнитных материалов на основе редкоземельных элементов, обладающих магнитной энергией более 20 МГс Э. МПФС имеют малые поля рассеяния и допускают полную экранировку магнитной системы, если магнитопровод имеет форму трубы 1, а МПФС состоит из радиально намагниченных колец 2 (рис. 11).

Рис. 11. Схема устройства магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС): 1 – магнитные шайбы; 2 – полюсные наконечники

Радиально намагниченные шайбы менее технологичны, чем аксиально намагниченные, т.к. изготовляются из предварительно намагниченных секторов. Однако МПФС с радиально намагниченными шайбами имеют наименьший поперечный размер магнитной системы; монтаж таких ЛБВ в установках, содержащих магнитные материалы, более прост.

Рис. 12. Схема конструкции экранированной МПФС из радиально намагниченных колец, составленных из четырех секторов

ЛБВ с печатными платами. К малогабаритным ЛБВ относятся также создаваемые на печатных платах лампы, в которых использованы плоские ЗС на диэлектрической подложке. Известны две основные разновидности таких ЛБВ: линейная (рис. 13) и дисковая (рис. 14) конструкции.

В ЛБВ, имеющей вид плоского пенала (см. рис. 13), использована четырехэтажная меандровая ЗС с коаксиальными входом и выходом. На противоположной керамической пластине нанесен симметричный электрод СЭ. Ускоряющий электрод УЭ тоже выполнен в виде двух пленок. Объемной в этой конструкции является только электронная пушка ЭП, формирующая ленточный поток электронов. Для фокусировки электронного потока использована МПФС (на рисунке не показана), состоящая из плоских прямоугольных магнитов, расположенных с обеих сторон на внешних плоскостях ЛБВ.

Рис. 13. Схема ЛБВ на печатной плате с четырехэтажной меандровой системой

В дисковой ЛБВ с радиальным взаимодействием (рис. 14,а) в центральной части расположен цилиндрический катод К, окруженный штыревой сеткой С. Поскольку электронный поток является радиально расходящимся, магнитной фокусирующей системы в этой конструкции нет. Коллектор Кл расположен на периферийной части ЛБВ и служит ее корпусом. Печатные платы представляют собой керамические диски, на которые нанесены ускоряющий электрод УЭ в виде двух симметричных колец, а также ЗС на одном диске и симметричный электрод СЭ на другом. В качестве ЗС, обеспечивающей синхронизм электронов Эл с радиальной фазовой скоростью бегущей волны, может быть использована разворачивающаяся спираль (спираль Архимеда) (рис. 14,в) или система, состоящая из колец с перемычками и представляющая собой свернутый двухэтажный меандр (рис. 14,б).

Двухрежимные ЛБВ. Совершенствование конструкций двухрежимных ЛБВ происходит в двух основных направлениях. Одно из них связано с использованием электронной пушки, специально предназначенной для изменения тока электронного луча. Другое основано на изменении эффективной длины ЗС или использовании двух замедляющих систем, работающих при разных ускоряющих напряжениях. В мощных двухрежимных ЛБВ, в которых используют многоступенчатый коллектор с рекуперацией, для поддержания высокого к. п. д. изменяют потенциалы ступеней коллектора при переходе от одного режима к другому.

Рис. 14. Схема ЛБВ на печатной плате дисковой конструкции

На рис. 15 приведено устройство электронно-оптической системы двухрежимной ЛБВ с двумя катодами в электронной пушке. Центральный катод 1 формирует сплошной электронный поток 2 с диаметром, равным приблизительно половине диаметра спиральной ЗС 5. Кольцевой катод 3, окружающий центральный, формирует полый пучок электронов 4 с внешним диаметром, составляющим 0,8 диаметра спирали D. Сплошной пучок, используемый в импульсном режиме, обеспечивает токопрохождение 99% при токе 1 А. Полый пучок, используемый в непрерывном режиме, обеспечивает токопрохождение не хуже 97% при токе 0,4 А.

Рис. 15. Схема электронно-оптической системы двухрежимной ЛБВ десятисантиметрового диапазона волн

Двухрежимная ЛБВ с рассматриваемой электронно-оптической системой работает в октавной полосе частот 2 - 4 ГГц при ускоряющем напряжении 8 кВ в обоих режимах. В импульсном режиме со скважностью около 20 она имеет выходную мощность 1 кВт при усилении 28 дБ и к.п.д. 22%, в непрерывном - 200 Вт, 23 дБ и 12%.

ЛБВ типа О применяют в широкодиапазонных радиолокационных станциях, в т.ч. в РЛС с фазированными антенными решетками, в аппаратуре радиорелейных линий связи, в устройствах для космической (спутниковой) связи, в системах радиомаскировки и радиопротиводействия. Импульсные ЛБВ используются в промежуточных и предоконечных каскадах усилительных цепочек передатчиков РЛС.

ЛБВ непрерывного режима широко используются в бортовой аппаратуре спутников связи, в аппаратуре для прямого приема телевизионных программ на индивидуальные антенны, а также в РЛС с фазированными антенными решетками.

Несомненным достоинством ЛБВ, разрабатываемых для космической техники, является их высокая надежность и большая долговечность.