3. Лампы бегущей и обратной волн м-типа

Принцип действия лампы бегущей волны М-типа (ЛБВМ). Конструктивно ЛБВМ (называемая также биматроном) (рис. 21,а) почти не отличается от ЛБВО с гребенчатой ЗС. Она состоит из электронной пушки 7, гребенчатой (ламельной) системы 2 с подошвой 4 и коллектором 3. Как и в ЛБВО, электронная пушка инжектирует ленточный электронный поток ЭП, который пропускается вдоль ЗС (без оседания на ее поверхности в статическом режиме) и достигает коллектора.

Отличительная особенность ЛБВМ состоит в том, что электронный поток движется в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях. Поэтому подошва является отрицательным электродом по отношению к ламелям гребенчатой системы. Постоянное электрическое поле направлено от ламелей к подошве, а магнитное - перпендикулярно плоскости чертежа. Напомним, что в скрещенных полях электроны движутся по трохоидальным траекториям, образованным точками катящегося круга. В рассматриваемом случае скрещенные поля направлены таким образом, что круг «должен катиться» по поверхности отрицательного электрода (подошвы) от «пушечного» конца ЗС к «коллекторному».

Рис. 21. Схема устройства (а) и формирование траекторий электронов (б) в ЛБВМ

В общем случае трохоидальная форма траекторий электронов в ЛБВМ нежелательна: электронный поток должен двигаться вдоль прямой линии, как и в ЛБВО. Т.к. прямолинейная траектория является частным случаем трохоиды [она соответствует траектории центра круга, «катящегося» по отрицательному электроду (рис. 21,б)] то очевидно, что траектория электронов в скрещенных полях окажется прямолинейной, если их скорость по абсолютному значению и направлению совпадает со скоростью v_ц = Е/В, и влетают они в участок полей Е и В на расстоянии R = тЕ/(еВ)² от отрицательного электрода.

ЛБВМ позволяет получать высокие значения к.п.д. за счет использования магнетронного принципа группировки электронов и отбора энергии от сгруппированного потока. При этом группировка электронов происходит под действием поперечной компоненты высокочастотного электрического поля. Центром электронного сгустка является электрон, относительно которого направление поперечного электрического поля изменяется от подошвы к системе. Этот электрон, находящийся в нулевом поперечном поле, оказывается в максимуме тормозящей фазы продольного электрического поля. В ЛБВМ и группировка электронов, и отбор энергии от них более эффективны, а фазовая фокусировка электронов наилучшим образом обеспечивает передачу энергии от электронных сгустков тому высокочастотному полю, которое их формирует (рис. 21,б). Это связано с тем, что «благоприятные» электроны в процессе взаимодействия смещаются к ЗС, теряя потенциальную энергию. Приближаясь к поверхности ЗС, электроны попадают в более интенсивное тормозящее поле и эффективность взаимодействия возрастает.

В приборах М-типа потери кинетической энергии электронами в тормозящей фазе электрического поля непрерывно восстанавливаются за счет ускорения электронов в скрещенных полях. Поэтому средняя скорость электронов вдоль пространства взаимодействия и их усредненная кинетическая энергия в самосогласованном поле прибора остаются постоянными при смещении электронов к ЗС, выполняющей роль анода.

«Неблагоприятные» электроны, находящиеся в ускоряющей фазе продольного электрического поля, отклоняются к отрицательному электроду, где продольное электрическое поле уменьшается до нулевого значения на поверхности электрода, поэтому «вредное» влияние этих электронов на к.п.д. невелико. В конце ЗС электронные сгустки, поднимаясь до системы, постепенно оседают на ее поверхности. Электроны, не достигшие поверхности ЗС, оседают на коллекторе.

Электронная пушка, показанная на рис. 21,а, должна быть экранирована от поперечного магнитного поля во избежание воздействия его на электронный поток до введения в пространство взаимодействия. Поэтому на практике обычно используют так называемую короткую электронно-оптическую систему (рис. 22). Принцип действия такой электронной пушки заключается в том, что электроны вводятся в пространство взаимодействия с вершины циклоиды. Для этого электронную пушку, состоящую из катода К, поверхность которого параллельна поверхности отрицательного электрода ОЭ, и управляющего электрода УЭ, помещают в поперечное магнитное поле. Электроны, вылетающие с поверхности катода, под действием скрещенных полей двигаются по трохоиде, частным случаем которой является циклоида (штриховая линия на рисунке). Чтобы электрон инжектировался в пространство взаимодействия, имея только продольную скорость, катод устанавливают на таком расстоянии от входа в пространство взаимодействия, на котором укладывается половина циклоиды.

Рис. 22. Схема короткой электронно-оптической системы

Рассмотренная электронно-оптическая система весьма компактна, поскольку ее катод отстоит от участка инжекции на расстоянии всего в половину циклоиды; она получила название короткой. Схема устройства линейной ЛБВМ с короткой электронно-оптической системой показала на рис. 23.

Рис. 23. Схема устройства ЛБВМ линейной конструкции с короткой электронно-оптической системой

Такие системы особенно удобны для использования в цилиндрических конструкциях ЛБВМ (рис. 24,а), которые оказываются компактнее линейных. Кроме того, магнитные системы цилиндрических ЛБВМ более простые и имеют меньшие размеры. Цилиндрическая ЛБВМ - это фактически свернутая в незамкнутое кольцо линейная ЛБВМ. В цилиндрическом пространстве взаимодействия электроны движутся по эпитрохоидальным траекториям, простейшей из которых является окружность, описываемая центром круга, катящегося по цилиндру (по отрицательному электроду). Такая траектория (окружность) электронного луча в цилиндрическом пространстве взаимодействия от короткой электронно-оптической системы до коллектора обеспечивается за счет равенства нулю суммы всех радиальных сил, включая центробежную силу.

На рис. 24,б показана схема устройства лампы обратной волны М-типа (ЛОВМ), конструкция которой отличается от конструкции ЛБВМ только тем, что в ней используют обратноволновую ЗС (обычно встречно-штыревого типа), а поглотитель располагают в «коллекторном» конце ЗС в виде оконечной согласованной нагрузки. В мощных ЛОВМ, как и в ЛБВМ, поглотители могут быть размещены вне вакуумной части лампы в виде согласованных нагрузок, подключенных к соответствующим выводам ЗС.

Рис. 24. Схемы устройства ЛБВМ (а) и ЛОВМ (б)

Характеристики и параметры ЛБВМ И ЛОВМ. Одним из основных параметров ЛБВМ и ЛОВМ является к.п.д., высокое значение которого достигается без таких специальных мер, как в ЛБВО.

Кроме того, необходимо, чтобы приборы М-типа имели оптимально высокие значения широкополосности и выходной мощности. Замедляющие системы, обычно применяемые на практике, являются системами гребенчатого (ламельного) или лестничного типа, имеют жесткие конструкции, в них обеспечивается эффективный теплоотвод, но они обладают довольно крутыми дисперсионными характеристиками. Поэтому иногда используют ЗС, дисперсионные характеристики которых на положительной пространственной гармонике имеют пологий участок. К таким системам относится, например, петляющий волновод. Известны ЛБВМ со спиральными ЗС, выполненными из витков прямоугольной формы полого проводника, по которому прогоняется охлаждающая жидкость. Такие спирали обеспечивают широкую полосу пропускания, определяемую трехкратным превышением верхней частотной границы над нижней.

Однако в спиральную систему трудно ввести разрывы, т.е. произвести секционирование ЗС. Поэтому для подавления самовозбуждения ЛБВМ свободные концы секций обычно нагружают внешними поглотителями. Это позволяет увеличить коэффициент усиления от 16 до 24 дБ. В ЛБВМ удается получить равномерные частотные характеристики.

Выходная мощность ЛОВМ достигает 1 кВт в дециметровом диапазоне длин волн при к.п.д. до 50%. В нижней части сантиметрового диапазона к.п.д. ЛОВМ составляет 20 - 30%. Диапазон электронной перестройки частоты находится в пределах 20 - 30% от средней частоты. ЛОВМ могут работать как в усилительном режиме, так и в режиме синхронизированной генерации. Усилительные ЛОВМ получили название битермитронов, а ЛОВМ, предназначенные для работы в режиме синхронизации частоты внешним сигналом,называют карпитронами.

ЛБВМ и ЛОВМ используют в станциях космической связи и системах радиопротиводействия. Достоинствами ЛОВМ являются высокий к.п.д., широкий диапазон электронной перестройки частоты, линейность зависимости частоты от анодного напряжения, отсутствие затягивания частоты и способность к работе в тяжелых условиях эксплуатации.

Каскадирование ламп бегущей волны М-типа. Для получения высокого коэффициента усиления при сохранении большого к.п.д. в ЛБВМ необходимо изменять высоту пространства взаимодействия от входа к выходу усилителя. С этой целью применяют усилители со ступенчатым изменением высоты пространства взаимодействия (рис. 25). Входной каскад 1 усилителя предназначен для модуляции электронного потока, выходной 2 - для отбора энергии от «благоприятных» электронов. Такой усилитель отличается от биматрона с разрывом ЗС тем, что входная секция замедляющей системы ЗС-1 приближена к отрицательному электроду ОЭ на расстояние b_1, а выходная секция ЗС-2 расположена на расстоянии b₂. Кроме того, ЗС-1 и ЗС-2 изолированы по постоянному напряжению. Анодное напряжение входного каскада уменьшают относительно U₂ для обеспечения одинаковой напряженности постоянного электрического поля в пространствах взаимодействия обоих каскадов при работе прибора в однородном магнитном поле. Одинаковые значения E и В создают необходимые условия влета электронного потока в оба каскада.

Рис. 25. Схема двухкаскадного усилителя со ступенчатым изменением высоты пространства взаимодействия

Поскольку ЗС-1 приближена и к электронному потоку, сопротивление связи на уровне влета электронов имеет большое значение, благодаря чему уменьшается пороговый входной сигнал, при котором возможна группировка электронов. Чрезмерное уменьшение высоты пространства взаимодействия входного каскада b₁ может привести к оседанию электронов на поверхности ЗС-1 перед их влетом в выходной каскад. Если токооседание во входном каскаде не происходит, то уменьшение высоты b₁ практически не влияет на выходную мощность усилителя, а его к.п.д. определяется отношением высот уровня влета и пространства взаимодействия выходного каскада, т.е. .

В двухкаскадной ЛБВМ такой конструкции высокий коэффициент усиления обеспечивается входным каскадом, большой к.п.д. - выходным, т.е. повышение коэффициента усиления не сопровождается снижением к.п.д. Двухкаскадный усилитель со ступенчатым изменением высоты пространства взаимодействия дает выигрыш в коэффициенте усиления более чем на 20 дБ по сравнению с ЛБВМ, имеющей разрыв в ЗС.