Глава 4 лампы бегущей волны типа о (лбво)

4.1 Принцип работы лампы бегущей волны

В клистроне электроны отдают СВЧ полю часть кинетической энергии в течение короткого промежутка времени, поэтому для увеличения мощности взаимодействия в пролетных клистронах не­обходимо увеличивать амплитуду высокочастотного электричес­кого поля в зазоре резонатора. Для этого следует увеличить доб­ротность резонаторов, что сужает рабочую полосу частот. Узкополосность является одним из основных недостатков усилительных клистронов.

Для создания широкополосных приборов необходимо исполь­зовать принцип непрерывного длительного взаимодействия элек­тронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в не­резонансной колебательной системе. В приборах с длительным взаимодействием, так же как и в клистронах, используется моду­ляция скорости электронов и плотности электронного потока. При сравнительно слабом входном сигнале в результате длительного взаимодействия электронов с полем бегущей волны получается необходимое группирование электронов. Очевидно, что обмен энергией между электронами и полем происходит в результате взаимодействия электронов с составляющей напряженности элек­трического поля, совпадающей по направлению со скоростью элек­тронов.

Для эффективного взаимодействия электронов с бегущей вол­ной нужно, чтобы скорость электрона была приближенно рав­на фазовой скорости электромагнитной волныв направлении движения электронов. Это называетсяусловием фазового синхро­низма и записывается следующим образом:

(4.1)

Так как скорость электронов всегда меньше скорости света в свободном пространстве, то для выполнения (4.1) необходимо уменьшать фазовую скорость волны, взаимодействующей с элек­тронами. Для этого используются специальные устройства, кото­рые называются замедляющими системами.

Наглядное представление о группировании электронов дает пространственно-временная диаграмма, представленная на рис. 4.1. В системе координат, движущейся с фазовой скоростью вол­ны, сплошными линиями показано смещение электронов относительно волны, а пунктирными — движение электронов в этой же системе координат при отсутствии поля волны. Процесс груп­пирования зависит от соотношения скорости электронови скорости электромагнитнойволны .

Если , то электроны группируются в области нулевого значения высокочастотного поля (рис. 4.1а) и электронный поток не обменивается энергией с бегущейволной. Если , то электроны отстают от волны и группируются в области ускоря­ющего высокочастотного поля (рис. 4.1б), которое сообщает элек­тронам дополнительную скорость. В результате входной сигнал не усиливается, а ослабляется. Если , то электроны, нахо­дящиеся в ускоряющем поле, приобретают ускорение и перемеща­ются в область тормозящего поля (рис. 4.1е), где их движение замедляется. Следовательно, электроны будут сосредоточены в тормозящем поле и передадут частично свою кинетическую энер­гию бегущей волне.

Рис. 4.1

Амплитуда электромагнитной волны по мере распространения вдоль замедляющей системы будет возрастать. Поэтому необходимым условием усиления ЛБВ является такое соотношение между скоростями и , при котором скорость электронов немного превышает скорость электромагнитной волны.

Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с по­лем будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегу­щей волны. Необходимо такое различие в скоростях, чтобы за время движения сгустка вдоль всей длины замедляющей системы он не вышел из области тормозящего поля.

Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на рассмотренном выше механизме длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны. На рис. 4.2 схематично представлено устройство ЛБВ. Электрон­ная пушка 1 формирует электронный пучок с определенным се­чением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ус­коряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы 3, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходи­мое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная пушка, спиральная замедляющая система 2 и коллектор 5 размещаются в металлостеклянном или металлокерамическом баллоне 7, а фокусирующий соленоид 3 располагается снаружи. Спираль крепится между диэлектричес­кими стержнями, которые должны обладать малыми потерями на СВЧ и хорошей теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности, когда спираль нагревается из-за оседания электронов и нужно отводить это тепло, чтобы не было прогорания спирали.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства 4 для согласования ее с линиями передачи. Последние могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхо­да передается в нагрузку.

Рис. 4.2

Трудно получить хорошее согласование во всей полосе усиле­ния лампы. Поэтому есть опасность возникновения внутренней об­ратной связи из-за отражения электромагнитной волны на кон­цах замедляющей системы, при этом ЛБВ может перестать вы­полнять свои функции усилителя. Для устранения самовозбуж­дения вводится поглотитель 6, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощаю­щих пленок.