4.7. Лампа обратной волны

Устройство лампы обратной волны (ЛОВ) показано схемати­чески на рис. 4.10, где 1 — электронная пушка, 2 — вывод энер­гии, 3 — замедляющая система, 4—поглотитель, 5 —коллектор, 6 — фокусирующая система. В ней используется магнитная фоку­сировка электронного потока. В отличие от ЛБВ, электронный по­ток взаимодействует с одной из обратных пространственных гар­моник бегущей волны, которая, как известно из § 4.2, характе­ризуется тем, что ее фазовая и групповая скорости имеют проти­воположные направления.

Рис. 4.10

Так как сопротивление связи пространственных гармоник рез­ко уменьшается с увеличением номера гармоники, то в ЛОВ ис­пользуются обычно такие замедляющие системы, в которых об­ратная пространственная гармоника является основной гармони­кой либо минус первой. Пусть в ЛОВ электронный поток взаимо­действует с полем первой обратной пространственной гармоники, фазовая скорость которой совпадает с направлением движения электронов и из (4.6) и равна . Для эффективного взаимодействия, так же как и в ЛБВ, скорость электронного потока должна немного превышать скорость вол­ны. Будем считать. Электроны группируются в сгустки, которые расположены в области тормозящего поля, и отдают при торможении часть кинетической энергии электромаг­нитной волне. При этом энергия в замедляющей системе в соот­ветствии с направлением групповой скорости распространяется навстречу электронному потоку, т. е. от коллектора к пушке. Поэтому в ЛОВ вывод энергии необходимо располагать комле электронной пушки. Поглотитель в ЛОВ необходим для предотвращения возбуждения на прямой гармонике, а также для устранения влияния отражений от нагрузки. Если ЛОВ на выходе плохо согласована с нагрузкой, то отраженная волна возвращается в пространство взаимодействия и двигается к коллектору без взаимодействия с электронным потоком, так как не выполняется условие синхронизма. Затем она отражается от конца замедля­ющей системы у коллектора (если там нет поглотителя) двигается к выходу ЛОВ и взаимодействует с электронным потоком. На выходе суммируются мощности основной волны и отраженном. Если фазы этих волн совпадают, то выходная мощность возрас­тает, если противоположны — то уменьшается. Поэтому при отсутствии поглотителя наблюдаются колебания выходной мощ­ности в рабочем диапазоне частот.

Распространение энергии в направлении, обратном направле­нию движения электронного потока, создает внутреннюю положи­тельную обратную связь между полем волны и потоком электро­нов. Эта связь распределена во всем пространстве взаимодейст­вия. Часть энергии волны возвращается электронному потоку, что способствуем дальнейшему группированию потока и возник­новению автоколебательного режима.

Частоту колебаний автоколебательной системы с внешней це­пью обратной связи обычно находят из условия баланса фаз, т. е. из условия, что суммарный сдвиг фазы в замкнутом контуре, оп­ределяющем усиление и обратную связь, кратен . Такой подход не возможен в ЛОВ с распределенной обратной связью, так как в ней много петель обратной связи, и обратная связь осуществ­ляется на любом элементе длины замедляющей системы. Поэто­му фазовое условие самовозбуждения колебаний свяжем с усло­вием наилучшей передачи энергии от электронного потока СВЧ полю. Это условие состоит в том, что образовавшийся сгусток электронов не должен выходить из тормозящего поля электро­магнитной волны. Другими словами, необходимо, чтобы относи­тельный сдвиг фазволны и сгустка не превышалт. е.

, (4.22)

где определяет сдвиг фаз, создаваемый волной обратной пространственной гармоники, а — электронным потоком.

Очевидно, что в общем случае может быть равно нечетному числу:

, n=0, 1, 2, . . . (4.23)

Число п называют порядком колебаний в ЛОВ или номером зоны колебаний. Например, для зоны п=1, =, поэтому 2/3 пути электронные сгустки проходят в тормозящем, а 1/3 — в ускоря­ющем полях, отбирая на этом участке энергию от поля волны.

В связи с этим результирующая энергия, передаваемая от элек­тронного потока полю, становится меньше, чем в зоне п=0, ко­торую обычно называют основной. Если путем изменения ускоря­ющего напряжения U₀ изменить скорость движения электронов , то (4.23) будет выполняться уже для другого значения фазо­вой скорости обратной пространственной гармоники. На­пример, с увеличением U₀ скорость электронов возрастает и для выполнения (4.23) необходимо увеличение . Так как ди­сперсия фазовой скорости обратных пространственных гармоник аномальная, то фазовая скорость возрастает при увеличе­нии частоты. Таким образом, увеличение U₀ приводит к увеличе­нию частоты генерируемых колебаний. Этим и объясняется элек­тронная перестройка частоты генерируемых колебаний.

Генерация колебаний в ЛОВ начинается при определенном ми­нимальном значении анодного тока, который называется пуско­вым. При этом мощность возбуждаемых колебаний в ЛОВ превы­шает потери мощности в замедляющей системе (условие баланса амплитуд). Пусковой ток, требуемый для начала самовозбужде­ния, увеличивается с ростом номера п.

В [13] получены приближенные формулы для определения пу­скового тока ЛОВ и электронного КПД:

.

Пусковой ток уменьшается с увеличением сопротивления связи замедляющей системы, а также с увеличением электрической длины замедляющей системы. Параметр усиления С в ЛОВ мал, поэтому электронный КПД составляет примерно несколько про­центов. На рис. 4.11 приведена зависимость КПД ЛОВ от отноше­ния рабочего тока к пусковому. По оси ординат отложено отно­шение нормированного значения КПД к параметруС. Данная за­висимость получена в результате решения уравнений нелинейной теории ЛОВ. При увеличении рабочего тока увеличиваются вход­ная мощность и соответственно КПД. Максимальное значение КПД получается при отношении . Затем при увеличе­нии рабочего тока КПД и выходная мощность уменьшаются.

Важной характеристикой ЛОВ является зависимость выходной мощности и частоты генерируемых колебаний от ускоряющего на­пряжения (рис. 4.12). С увеличением ускоряющего напряжения частота генерируемых колебаний увеличивается, т. е. имеет место электронная перестройка частоты генерируемых колебаний. Ча­стотная характеристика ЛОВ является нелинейной. Закон измене­ния частоты обусловлен дисперсией замедляющей системы. Ши­рина рабочего диапазона электронной (перестройки частоты гене­ратора на ЛОВ определяется характеристиками замедляющей си­стемы и допустимыми пределами изменения выходной мощности. При коаксиальном выводе энергии ЛОВ имеют коэффициент пе­рекрытия диапазона , а с волноводным выводом —.

Для характеристики зависимости частоты от напряжения удоб­но (пользоваться понятием крутизны электронной перестройки ча­стоты:. Для ЛОВ сантиметрового диапазона крутизна — не больше нескольких мегагерц на вольт, а для миллиметрово­го — десятки мегагерц на вольт.

Рассмотрим теперь зависимость выходной мощности от уско­ряющего напряжения. Сначала Р_вых растет, так как увеличивает­ся подводимая в ЛОВ мощность постоянного тока , а за­тем в связи С увеличением I_п рост Р_вых замедляется, возможно на­ступление насыщения и даже спада. Кривая выходной мощности весьма изрезана вследствие отражений от поглотителя и недоста­точного согласования замедляющей системы с выходным волново­дом.

Лампа обратной волны может быть использована также как усилитель. В этом случае рабочий ток лампы должен быть мень­ше пускового. Процесс усиления в ЛОВ аналогичен процессу уси­ления в ЛБВ, только сигналы усиливаются в направлении, проти­воположном направлению движения электронов. Поэтому вход лампы расположен возле коллектора, а выход, как и в генерато­ре — около электронной пушки. Такой усилитель является реге­неративным. Кривая усиления имеет вид узкой резонансной кри­вой, центр которой определяется условием синхронизма. При из­менении ускоряющего напряжения условие синхронизма будет вы­полняться для другой частоты, и кривая усиления смещается по оси частот. Такое свойство усилительной ЛОВ позволяет исполь­зовать ее в качестве селективного усилителя с высокой избира­тельностью по частоте и электронной перестройкой резонансной частоты в широких пределах. Однако усилительные ЛОВ приме­няются мало.

Лампы обратной волны применяются в качестве гетеродинов радиолокационных и связных приемников, в задающих генерато­рах передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и широко­полосных ЧМ системах передачи данных, в свипгенераторах изме­рительной аппаратуры. Разработаны ЛОВ для диапазона частот, от 0,5 до 870 ГГц. Основное достоинство ЛОВ, как уже было ска­зано, заключается в возможности электронной перестройки часто­ты в широкой полосе. Однако в последние годы в связи с крупны­ми достижениями в области полупроводниковых приборов СВЧ начался процесс замены ЛОВ во вновь разрабатываемой аппаратуре на частотах до 10—12 ГГц »а полупроводниковые генерато­ры СВЧ. На более высоких частотах вместо ЛОВ все чаще исполь­зуются генераторы на диодах Ганна. Полупроводниковые генера­торы на диодах Ганна уже имеют предельную частоту 94 ГГц, а на ЛПД — 110 ГГц. (Проводятся также разработки этих приборов для более высоких частот.

В настоящее время выпускаются ЛОВ в основном для замены вышедших из строя в уже существующей аппаратуре. Максималь­ная выходная мощность ЛОВ составляет 100 Вт на частоте 30 ГГц, 1 Вт на частоте 70 ГГц и 10 мВт на частоте 400 ГГц. Новые типы ЛОВ разрабатываются только в субмиллиметровом диапазоне. Так, недавно закончилась разработка ЛОВ в полосе частот 340— 400 ГГц с выходной мощностью, превышающей 10 мВт, рабочее на­пряжение изменяется от 4 до 8 кВ. Эта ЛОВ предназначена для применения в космической аппаратуре. В приборе использован магнит из сплава самарий–кобальт, масса прибора 10 кг.