162

4. Лампы обратной волны типа о

4.1. Особенности устройства лов типа о

При рассмотрении ЛБВ считается, что усиленное электромагнитное излучение беспрепятственно выходит из рабочего объёма усилителя. Если же создать условия, при которых часть энергии с выхода возвращается на вход, т.е. организовать положительную внешнюю или внутреннюю обратную связь, то возможно самовозбуждение колебаний на собственных частотах резонатора, образованного отрезком замедляющей системы. В этом случае, ЛБВ может работать в качестве автогенератора СВЧ колебаний. Схема ЛБВ-генератора с внешней обратной связью изображена на рис. 4.1

Рис. 4.1. Схема генератора на ЛБВ с внешней обратной связью

Внешняя обратная связь может быть организована с помощью ответвления части энергии с выходного тракта на вход ЗС посредством какой-либо волноведущей структуры, а внутренняя - посредством отражения сигнала от выходного устройства и поступления его на вход или за счёт взаимодействия пучка с обратными волнами. Однако, не всякая обратная связь обеспечивает самовозбуждение собственных частот резонаторной ЗС. Необходимо, чтобы сигнал, пришедший на вход, был синфазен с исходным сигналом, бегущим в ЗС ЛБВ.

Определим условия, при которых начинается самовозбуждение. Если обозначить через l_оси_осгеометрическую длину и фазовую постоянную линии обратной связи, где (v_ф)_ос– фазовая скорость волны в цепи обратной связи, а черезl идлину ЗС и фазовую постоянную усиливаемой волны, то фазовое условие самовозбуждения запишется в виде

, (4.1)

где n = 0, 1, 2, 3…

Из условия (4.1) видно, что генерация будет происходить на частотах, имеющих ряд дискретных значений, соответствующих различным видам колебаний в ЗС, определяемыми различными значениями n[1, 5]. При фиксированных длинах линии обратной связи и ЗС изменение частоты генератора на каждом из видов колебаний может осуществляться изменением фазовых скоростей (v_ф)_осиv_ф. Условие работы генератора в широком диапазоне частот обеспечивается при соблюдении постоянства фазы приходящего на вход сигнала обратной связи при изменении частоты.

Этому условию соответствуют уравнения

(4.2)

или

, (4.3)

где (v_гр)_ос иv_гр–скорости сигнала в цепи обратной связи и ЗС, определяемые как

. (4.4)

Соблюдение условия (4.3) означает, что увеличение одной из величин (4.4) должно сопровождаться уменьшением другой, или, наооборот, т.е. дисперсия волн в линии обратной связи и в ЗС должны иметь различный вид. Коаксиальные линии, различные волноводы, которые могут быть использованы в качестве линий внешней обрат-

ной связи, имеют нормальную положительную дисперсию, характерную и для ЗС ЛБВ. По этой причине условие (4.3), соответствующее возможности широкой перестройки частот в ЛБВ-генераторе с внешней обратной связью не выполняется. Поэтому, несмотря на широкополосные свойства ЛБВ в режиме усиления, реальный диапазон электронной перестройки ЛБВ-генератора обычно составляет от десятых долей процента до нескольких процентов от средней частоты, т.е. имеет такой же порядок, что и у отражательных клистронов [1].

В связи с этим, как правило, при построении СВЧ генераторов используют внутреннюю обратную связь. В этом случае, групповая скорость в обратной цепи направлена навстречу скорости электронов пучка и усиливаемой волны. СВЧ генераторы на основе ЗС, в которых эффективное взаимодействие электронного потока осуществляется с обратной волной, фазовая скорость которой сонаправлена с электронным пучком и противоположна направлению групповой скорости, получили название ламп обратной волы (ЛОВ).

Конструктивное отличие ЛОВ от ЛБВ состоит в том, что выходное устройство прибора располагается у электронной пушки, а у коллекторного конца расположен поглотитель, предназначенный для поглощения энергии волны, отражённой от неидеально согласованного выхода или нагрузки (рис.4.2) .

Рис. 4.2. Схема ЛОВ типа О:

1 – катод, 2 – ускоряющий электрод, 3 – периодическая замедляющая система, 4 – коллектор, 5 – вывод энергии, 6 – согласованная нагрузка

Рассмотрим принцип действия ЛОВ, в которой фокусировка электронного потока осуществляется магнитным полем, направленным вдоль движения электронов - ЛОВ типа О.

Пусть ЗС ЛОВ имеет пространственный период L, тогда поле в системе можно представить в виде суммы плоских волн, амплитуды которых зависят от поперечных координат, а фазовые постоянные связаны соотношением

,p=0,±1, ±2…(4.5)

где – фазовая постоянная основной волны,- сдвиг фаз на периоде ЗС волны с частотой. Эти волны называют пространственными гармониками, номер которых определяется значениемp, а длина волныопределяется из соотношения. Наибольшую длину волны имеет нулевая пространственная гармоника, называемая основной волной. С увеличением номера гармоники длина волны уменьшается. Отдельно пространственные гармоники существовать не могут, так как они не удовлетворяют периодическим граничным условиям. Они существуют совместно, в совокупности образуя полное поле нормальной волны в периодической системе. Каждой пространственной гармонике соответствует своя фазовая скорость

, (4.6)

а согласно (4.5) всем пространственным гармоникам соответствует одна и та же групповая скорость

(4.7)

В зависимости от дисперсии ЗС (знака сдвига фаз на периоде ЗС) фазовая постояннаяи, следовательно, фазовая скоростьосновной волны может быть как положительной, так и отрицательной. Так как, то согласно (4.5) и (4.6) вне зависимости от знакаи фазовой скоростиосновной волны, отрицательные пространственные гармоники имеют отрицательные значения фазовой постоянной (<0 приp<0) и, следовательно, отрицательную фазовую скорость. Положительные гармоники (р>0) – положительную фазовую скорость. Групповая же скорость пространственных гармоник определяется групповой скоростью основной гармоники (р=0), которая в зависимости от дисперсии ЗС может совпадать либо с направлением фазовой скорости положительных гармоник, либо с направлением фазовой скорости отрицательных. В первом случае обратными волнами, в которых групповая и фазовая скорости противоположны, являются отрицательные пространственные гармоники, во втором – положительные. Таким образом, если групповая скорость обратной волны направлена навстречу пучку, то её фазовая скорость сонаправлена с пучком (рис.4.3).

Рис. 4.3. Направления скорости электронов, фазовой и групповой скоростей волн в ЛБВ и ЛОВ

Эффективное взаимодействие между электронным пучком и обратной волной можно обеспечить при условии синхронизма совпадающих по направлению скорости электронного пучка и фазовой скоростиобратной волны:

(4.8)

Как правило, обратными волнами в ЗС, используемых в ЛОВ, являются отрицательные пространственные гармоники. Учитывая (4.5), (4.6) и (4.8), а также, что , гдеU₀– ускоряющее напряжение, общее условие взаимодействия электронов с полем обратнойp–гармоникой имеет вид

, (4.9)

Электронный поток, двигаясь по направлению к коллектору и находящийся в фазовом синхронизме с обратной гармоникой, взаимодействует с ней, отдавая часть своей энергии. Обратная волна увеличивает свою энергию и переносит её в противоположном направлении - к электронной пушке. Если в результате на выходе ЛОВ около электронной пушки создаётся сигнал, превышающий первоначальный (выполняется условие баланса амплитуд), то лампа работает как автогенератор. Избыток сигнала через выходное устройств излучается наружу.

Таким образом, положительная обратная связь в ЛОВ является внутренней и осуществляется посредством передачи энергии электронами пучка волне на всём протяжении ЗС. Электронный пучок играет в ЛОВ двойную роль – как источник энергии и как звено, по которому обеспечивается положительная обратная связь. При этом длина линии обратной связи равна длине ЗС. Это обстоятельство, а также противоположные знаки групповых скоростей (скоростей движения энергии) в цепи обратной связи и в ЗС обеспечивают соблюдение условия (4.3), необходимого для получения широкого диапазона электронной перестройки частот в ЛОВ.