4.2. Принцип действия лов типа о

Схема генераторной лампы обратной волны типа О изображена на рис. 4.2. Общее построение этой лампы, за исключением расположения вывода энергии, сходно с лампой прямой волны типа О. Поскольку речь идет о генераторе, схему ЛОВ можно сравнить также с рис. 4.1, где изображена генераторная ЛБВ с внешней обратной связью.

Рис. 4.2. Схема генераторной ЛОВ типа О: 1 – катод, 2 – ускоряющий электрод, 3 – периодическая замедляющая система, 4 – коллектор, 5 – вывод энергии, 6 – согласованная нагрузка

Для иллюстрации принципа действия лампы обратной волны предположим, что со стороны коллектора в ЗС ЛОВ тем или иным способом введен СВЧ сигнал. Таким образом, вдоль ЗС справа налево двигается волна с групповой скоростью v_гр. Если бы замедляющая система являлась однородной и поле ее не содержало пространственных гармоник, то фазовая скорость была бы направлена только в сторону движения энергии волны, т. е. навстречу движению электронов. Эффективное взаимодействие между электронным пучком и волной при этом должно отсутствовать. Однако, если ЗС, изображенная на рис. 4.2, имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней электромагнитное поле можно рассматривать как сумму бесчисленного множества волн пространственных гармоник с фазовой постоянной _р, зависящей от номера гармоники р. Фазовые скорости этих гармоник направлены как в сторону движения энергии (прямые волны), так и в противоположную сторону (обратные волны). Таким образом, направление движения электронов на рис. 4.2 совпадает с направлением фазовой скорости обратных пространственных гармоник (v_ф)_р.

Соответствующим выбором ускоряющего напряжения U₀можно обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн, т. е.

, (4.5)

Электроны, поочередно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и ту же фазу высокочастотного продольного поля и взаимодействуют с полем синхронной гармоники таким же образом, как при существовании только одной замедленной волны в ЛБВ. Часть кинетической энергии пучка может передаваться СВЧ полю. Как известно, фазовая постоянная пространственной гармоники связана с пространственным периодом Lи номером гармоникируравнением [1]

, (4.6)

где ₀– фазовая постоянная основной волны.

Фазовая скорость пространственных гармоник (v_ф)_ропределяется как

. (4.7)

Следовательно, общее условие взаимодействия электронов с полем обратной волны с учетом (4.5), (4.6) и (4.7) имеет вид

, (4.8)

где U₀– ускоряющее напряжение.

Важной особенностью этого взаимодействия является внутренняя обратная связь,которая и приводит к самовозбуждению лампы.

Анализируя рис. 4.2., следует отметить что, ЗС и электронный поток составляют две части петлиобратной связи. Направление движения энергии в электронном потоке совпадает с движением электронных сгустков, имеющих среднюю скоростьv₀. Движение же энергии по ЗС происходит в противоположном направлении при одинаковом направлении фазовой скорости (v_ф)_ри скорости электроновv₀, как показано на рис. 4.3. Здесь же показано направление скоростей электронов и волны в ЛБВ.

Если предположить снова, что в замедляющей системе ЛОВ на рис. 4.2 по направлению к электронной пушке двигается СВЧ

Рис. 4.3. Направления скорости электронов, фазовой и групповой скоростей волн в лампах прямой и обратной волн

сигнал, то электронный поток, находящийся в фазовом синхронизме с обратной гармоникой, приобретает модуляцию по скорости. После ее преобразования в модуляцию по плотности электронный поток, двигаясь по направлению к колле-

ктору, наводит на ЗС высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуют электроны, двигается навстречу электронному потоку. В результате на выходе лампы около электронной пушки создается поле, превышающее первоначальный сигнал. Лампа приобретает свойства автогенератора.

Геометрическая длина электронного пучка в точности равна геометрической длине замедляющей системы. Это обстоятельство, а также противоположные знаки групповых скоростей (скоростей движения энергии) на двух участках цепи обратной связи и обеспечивают соблюдение условия (4.3), необходимого для получения широкого диапазона электронной настройки.

Таким образом, электронный пучок играет в лампе обратной волны двойную роль – как источник энергии и как звено, по которому обеспечивается положительная обратная связь. Она присуща самому принципу ЛОВ и принципиально неустранима, в отличие от других типов автогенераторов СВЧ.

Если к выходу генераторной ЛОВ, т. е. со стороны электронной пушки, подключена хорошо согласованная нагрузка, то не играет роли, какое сопротивление включено на другом конце ЗС. Однако при рассогласовании внешней нагрузки положение изменяется. Волна, отраженная от нее, поступает обратно в ЗС. Взаимодействия этой волны с электронным потоком может не быть. Тем не менее, при рассогласовании второго конца системы (около коллектора) эта волна снова отражается и, теперь уже взаимодействуя с электронами, изменяет величину выходной мощности.

Чтобы избежать резких скачков выходной мощности при изменении длины волны, на конце замедляющей системы, обращенном к коллектору, обычно включают согласованную нагрузку (поглотитель), как показано на рис. 4.2. Эта нагрузка располагается, как правило, внутри вакуумной оболочки лампы. Очевидно, что при согласованной выходной нагрузке поглотитель не оказывает никакого влияния на величину выходной мощности ЛОВ.