UHF_LEC / UHF_L5

Лекция 5. СВЧ.

5.1. Лампа бегущей волны.

Многорезонаторные клистроны зарекомендовали себя как весьма совершенные приборы. Они, конечно, достаточно сложны и дороги, довольно громоздки, если рассчитаны на большие мощности. Однако, все же наиболее принципиальным их недостатком является чрезвычайная их узкополосность. Наиболее широкополосным СВЧ усилителем являются лампы бегущей волны (ЛБВ).

ЛБВ была разработана Компфнером в 1942-43 гг, а ее теория создана Пирсом. Компфнер, уроженец Вены, по образованию инженер-архитектор. Увлекался физикой. Перед началом войны учился в Англии. Был интернирован. Начал сотрудничать с морским министерством Англии. Перед ним была поставлена задача снижения шумов в клистроне. Сама постановка вопроса была связана с тем, что клистроны были еще плохо практически отработаны. Современные клистроны - один из самых малошумящих приборов. Не понимая еще, как снизить шумы в клистроне, Компфнер попробовал влияние на шумы угла пролета электронов в резонаторах и оказалось, что при уменьшении связи с резонаторами (при увеличении угла пролета в резонаторах) шумы уменьшаются. Но при этом одновременно ухудшались все остальные характеристики. Тогда он сделал по тому времени революционный и, на первый взгляд, неожиданный вывод. Ему приписывают фразу: “Я подумал, раз время пролета через зазор представляет такую серьезную трудность, и взаимодействие со стационарным полем получается таким слабым, то так и быть, - пусть поле движется вместе с электронами”. По сути, это впервые сформулированная идея реализации синхронного взаимодействия электронного потока с ВЧ волной. Компфнер нашел по подсказке специалистов лаборатории, в которой работал, способ замедления волны для такого синхронного взаимодействия. Для этого он впервые и сразу очень удачно использовал спиральную замедляющую систему. На рис.5.1 схематически изображено сечение ЛБВ. В ЛБВ сформированный пушкой электронный пучок проходит внутри замедляющей системы, взаимодействуя с полем волны, которая распространяется попутно с пучком от ее входа к выходу. По выходе из замедляющей системы пучок осаждается на коллекторе. Здесь так же, как и в клистроне, электроны поступают в пространство взаимодействия ускоренными до достаточно большой энергии. В типичных условиях электронных пучков средней энергии (порядка десятка кэВ) скорость электронов имеет величину порядка 0,1 скорости света. Поэтому для синхронного взаимодействия необходимо замедлить волну ориентировочно в 10 раз. Как и в клистроне, в ЛБВ поперечное удержание пучка осуществляется продольным магнитным полем.

Рис.5.1.

Рассмотрим результаты взаимодействия электронов пучка с полем замедляющей системы для начала в условиях, когда скорость электронов, движущихся вдоль оси z, равна фазовой скорости волны в этом же направлении (Ve=Vф).

В условиях синхронного взаимодействия слабые поля нерезонансной

з амедляющей системы оказывают сильное воздействие на электроны при длительном (порядка десятков, сотен периодов) взаимодействии.

Рис.5.2.

В движущейся с волной системе координат на электроны действуют статические поля, амплитуда и направление которых меняется вдоль оси, как показано на рисунке 5.2. Движение электронов и волны происходит вдоль оси z. В областях положительных значений поля электроны ускоряются вдоль оси z, а на участках, соответствующих отрицательным значениям поля, тормозятся. Ускоряемые полем электроны начинают двигаться быстрее и смещаются направо, а электроны из областей с тормозящим электрическим полем смещаются налево. Направления смещения электронов в движущейся системе координат указаны стрелками. В результате происходит группировка электронов в сгустки относительно таких электронов, которые находятся в областях, где поле меняется, проходя через нуль, от ускоряющего к тормозящему (относительно электронов, обозначенных на рисунке нечетными номерами).

При точном синхронизме энергия не передается от электронов волне, так как энергия, затрачиваемая волной на ускорение электронов, в точности равна энергии, которую волна получает от заторможенных электронов. Однако, если скорость электронов немного превосходит фазовую скорость волны (V_eV_ф), формирование сгустков происходит в области тормозящих фаз поля, и в результате начинается перекачка энергии из электронного пучка волне. В связи с этим амплитуда поля волны нарастает в этом случае в направлении от пушечного конца к коллекторному.

От электронов отбирается кинетическая их энергия. Поэтому эффективная передача энергии от электронов волне возможна только до тех пор, пока скорость электронов не уменьшится до фазовой скорости волны. Отсюда следует, что для эффективной работы ЛБВ при заданных ускоряющем электроны напряжении U₀ и амплитуде входного сигнала должна быть оптимальным образом подобрана ее длина. При заданной длине ЛБВ зависимость коэффициента усиления от ускоряющего электроны напряжения имеет вид кривой с максимумом (рис.5.3).

Рис.5.3.

Для увеличения коэффициента усиления длина ЛБВ принципиально может быть несколько увеличена, если принять меры по поддержанию необходимого соотношения скорости электронов и фазовой скорости волны на удаленном от пушки участке. Выполнено это может быть двумя способами. Либо доускорением пучка электронов, либо уменьшением фазовой скорости волны.

Первое возможно в секционированной лампе, где ускорение производится с помощью прикладываемых между секциями ЗС напряжений. Такой способ используется редко, так как технически труден. Изменение фазовой скорости осуществить легче. Необходимого замедления волны при использовании спиральной замедляющей системы можно достичь, увеличив плотность ее намотки в сторону выхода.

Однако, существенного дополнительного увеличения коэффициента усиления трудно добиться из-за самовозбуждения ЛБВ. Самовозбуждение происходит из-за того, что часть мощности, распространяющейся в сторону выхода, может отразиться и вернуться ко входу, обеспечив таким образом необходимую для самовозбуждения обратную связь.

Существует эффективный метод борьбы с самовозбуждением. Он состоит в использовании локальных поглотителей на участке в районе середины ЛБВ или ближе к ее началу. Вблизи поглотителя падает мощность как волны, распространяющейся к выходному концу, так и отраженной волны и в связи с этим уменьшается амплитуда переменной составляющей продольного электрического поля Е_z. На рис.5.4 показаны типичные изменения продольнной составляющей поля волны в отсутствие поглотителя

Рис.5.4.

(кривая 1) и в той же ЛБВ с поглотителем (кривая 2). Однако достигнутая в пучке группировка электронов в районе локального (короткого вдоль оси) поглотителя практически не нарушается. Поэтому далее за поглотителем происходит быстрое нарастание амплитуды волны, так как хорошо сгруппированные сгустки эффективно передают свою энергию волне. В результате выходная мощность и в присутствии поглотителя

слабо отличается от мощности, достижимой в условиях, когда его нет.

Нужно отметить, что даже при использовании локального поглотителя, самовозбуждения удается избежать только при достаточно малых токах пучка, так как не удается полностью уничтожить вредную обратную связь между выходом и входом ЛБВ. Таким образом, ЛБВ может работать только в интервале токов II_max, где I_max - “пусковой” ток для самовозбуждения. Итак, именно самовозбуждение спиральной ЛБВ ограничивает токи, при которых она может работать, а вместе с этим мощности, которые могут быть обеспечены на ее выходе (и коэффициенты усиления).

Важнейшей особенностью спиральной ЛБВ является чрезвычайная ее широкополосность. Полоса частот, усиливаемых в такой ЛБВ сигналов, достигает октавы или даже более (отношение минимальной и максимальной частот достигает 2 и более раз). Связано это с тем, что спиральная замедляющая система в очень широкой полосе частот не обладает дисперсией, т.е. в этой полосе частот фазовые скорости распространяющихся в ней волн не зависят от частоты. Ограничения полосы частот могут быть связаны, например, с изменением согласования выходных элементов тракта, которые происходят с изменением частоты. Однако, все же ограничения, связанные с дисперсией в ЗС, являются основными.

К сожалению, ЛБВ со спиральными замедляющими системами эффективно работают лишь при сравнительно малых энергиях электронов ориентировочно не более 10-15 кэВ. Связано это с двумя обстоятельствами. Главная причина состоит в том, что с увеличением энергии электронов необходимо уменьшать замедление волны, а значит требуется все более редкая намотка спирали (спираль с большим расстоянием между витками). Если учесть, что ВЧ поле ЗС тем меньше, чем больше расстояние между витками, можно понять, что воздействие полей такой растянутой спирали будет слабее, чем у спирали с большей плотностью намотки. Кроме того, следует иметь в виду, что при транспортировке электронного пучка хотя бы небольшое количество электронов из его ореола бомбит ЗС. С ростом энергии электронов увеличивается выделяемая пучком мощность на спирали и это может вывести ее из строя, например, из-за ее расширения при нагреве. Самые мощные спиральные ЛБВ при широкополосности порядка октавы обеспечивают мощности в непрерывном режиме ориентировочно до единиц кВт. При этом КПД спиральных ЛБВ обычно не превышает 30-40%, а коэффициент усиления достигает 30 дБ.

При больших напряжениях (и больших мощностях) в ЛБВ используются замедляющие системы другого типа, например типа цепочки связанных резонаторов. На рис.5.5 показана ЗС типа цепочки связанных резонаторов

Каждый резонатор здесь имеет форму типа тороидального (незаштрихованные области на рисунке). Электрическое поле сосредоточено в этих резонаторах, в основном, в емкостных зазорах (показано стрелками). Пучок

пропускается вдоль оси ЗС. Связь между резонаторами осуществляется через систему соединяющих их отверстий. ЛБВ с такого типа ЗС становятся похожими на многорезонаторные клистроны. Принципиальная разница состоит в связи между резонаторами, что позволяет осуществить режим бегущей волны в такой ЗС. Кроме того, здесь отсутствуют участки дрейфа между резонаторами и резонаторов много. Иначе не осуществить накапливающегося взаимодействия электронов с бегущей волной.

Каждый из резонаторов в ЛБВ с цепочкой связанных резонаторов обладает существенно меньшей добротностью, чем в клистроне. Поэтому электрические поля в них в сопоставимых условиях меньше, чем в резонаторах клистронов. Но зато в в ЛБВ с ЦСР возможна перестройка частоты. Осуществление длительного синхронного взаимодействия электронов с волной, бегущей вдоль цепочки резонаторов, позволяет осуществить эффективное усиление входных сигналов при малых амплитудах поля в резонаторах.

В мощных ЛБВ, как и в клистронах, целесообразно проведение рекуперации. При этом рекуперация в ЛБВ дает больший эффект, так как в них меньше разброс электронов по скоростям, чем в клистронах. Амплитудная характеристика, т.е. зависимость выходной мощности от входной (Р_вых=f(Р_вх)), в ЛБВ с цепочкой связанных резонаторов подобна аналогичной характеристике многорезонаторного клистрона (Рис.5.6.).

Рис.5.6.

Здесь, как и в многорезонаторном клистроне, нарастание выходной мощности связано с тем, что на длине ЛБВ при заданных ускоряющем электроны напряжении и малых значениях входной мощности группировка сгустков еще не достигает своей максимальной величины. Работа на линейном начальном участке этой характеристики хороша для передачи амплитудной моделяции сигналов. На участке насышения удается снизить амплитудные шумы.

К сожалению, все типы ЗС, кроме спиральных, обладают гораздо более выраженной дисперсией. Поэтому в ЛБВ с такими ЗС не удается добиться такой же широкополосности, как в спиральных ЛБВ. Эти лампы дают мощности излучений до сотен кВт и даже единиц МВт в импульсном режиме, но в гораздо более узкой полосе частот f порядка 10-20%. При этом коэффициент усиления мощных ЛБВ с рекуперацией бывает порядка 30-40 дБ, а КПД до 50%. Таким образом, мощные ЛБВ при приблизительно одинаковом с многорезонаторными клистронами достижимом уровне мощности гораздо более широкополосны, но уступают им по коэффициенту усиления и КПД. По сложности и весо-габаритным характеристикам мощные клистроны и ЛБВ сопоставимы.

5.2. Лампа обратной волны.

Синхронное взаимодействие электронов с волной, бегущей по замедляющей системе, может быть использовано для построения не только описанного выше ЛБВ-усилителя, но и для создания широкополосного генератора - лампы обратной волны (ЛОВ).

В ЛБВ реализуется взаимодействие электронного пучка с одной из прямых пространственных гармоник (обычно, с основной). Фазовая скорость гармоник определяется из общего выражения

(5.1)

Здесь L – период ЗС, а k₀=2/ - постоянная распространения основной пространственной гармоники. Напомним, что в принципе существуют пространственные гармоники с р=0, 1, 2, 3..., а для основной гармоники p=0. Обратим внимание на то, что в выражении (5.1) L<< и 2/L>>2/ k₀. Прямые гармоники соответствуют значения р ≥0.

В ЛОВ используется взаимодействие электронного потока с одной из обратных пространственных гармоник. Обычно, это первая обратная пространственная гармоника, т.е. обратная гармоника, имеющая наибольшую по абсолютной величине фазовую скорость. На этой гармонике наименьшее замедление и в связи с этим наиболее медленно спадает амплитуда продольной составляющей ВЧ электрического поля с удалением от поверхности замедляющей системы.

ЛОВ разработана совместно Пирсом и Компфнером в 1951 г. Эта лампа очень похожа конструктивно на ЛБВ (см. рис.5.7).

Рис.5.7.

Здесь не показана замедляющая система, в качестве которой, обычно, используется система типа встречных штырей, которая отличается повышенными амплитудами обратных

пространственных гармоник. Кроме того, в данной лампе имеется только выход ЗС, расположенный в пушечном ее конце. У противоположного конца ЗС помещается СВЧ поглотитель.

Чтобы понять механизм работы ЛОВ, представим себе, что в коллекторной области введен слабый флуктуационный сигнал, энергия которого распространяется по ЗС к пушке, т.е. групповая скорость этого сигнала направлена к выходу. Тогда фазовая скорость обратной пространственной гармоники направлена к коллектору, и фаза волны движется попутно с электронами. Если подобрать скорость электронов, равной фазовой скорости этой обратной пространственной гармоники

, (5.2)

то электроны будут двигаться от одной ячейки ЗС к другой в одной и той же фазе ВЧ поля, несмотря на распространение энергии волны навстречу электролнам.

Группировка электронов будет происходить, как в ЛБВ. Передача энергии электронов волне будет происходить, если скорость электронов немного больше фазовой скорости обратной пространственной гармоники, с которой реализовано взаимодействие. Таким образом, группировка будет усиливаться в сторону коллектора, а амплитуда продольной составляющей ВЧ поля - в обратную сторону. Эта специфика отражается на изменении скорости нарастания Е_z.

Рис.5.8.

Наибольшая скорость нарастания конвекционного тока (т.е. группировки электронов в сгустки) в пушечной области. В коллекторной области эта величина меняется слабо (насыщение), так как там малы амплитуды z-ой составляющей ВЧ поля. В ЛБВ наоборот, скорость нарастания конвеционного тока увеличивается в выходной области,

причем одновременно с нарастанием поля. Насыщение изменения Е_z в пушечной области ЛОВ связано с тем, что там мала группировка.

В ЛОВ реализуется положительная обратная связь, необходимая для генерации - ВЧ сигнал передается на вход и усиливает группировку.

Требует пояснения, зачем нужна поглощающая нагрузка в коллекторной области. Дело в том, что согласовать выходные элементы тракта чрезвычайно трудно во всей полосе частот, в которой работает ЛОВ. Поэтому на некоторых частотах существуют отражения от выходного (пушечного) конца ЗС. Этот сигнал распространяется в сторону коллектора и практически не взаимодействует с электронами, так как подбором ускоряющего электроны напряжения мы реализуем синхронизм с обратной (а не с прямой) пространственной гармоникой. Но если отраженная волна переотражается от коллекторного конца ЗС, то обратно отраженная волна может эффективно взаимодействовать с электронами. В результате на длинах волн, на которых велики отражения, будут скачки мощности, что нежелательно.

Несколько слов о том, как добиться того, чтобы получить в ЛОВ максимальную мощность. На пушечном конце в ЛОВ скорость электронов немного превышает фазовую скорость обратной пространственной гармоники. Но их скорость уменьшается из-за передачи энергии ВЧ волне. Для получения большой мощности важно, чтобы формирующиеся электронные сгустки при своем движении в сторону коллектора все время или хотя бы большую часть этого времени находились в тормозящих фазах СВЧ поля. Наибольшей будет переданная волне мощность, если за время движения сгустков сдвиг фаз был равен . Тогда сгустки пройдут всю область тормозящих фаз, а значит отдадут максимум кинетической энергии. Именно таков будет сдвиг фаз, если выполняется условие

, (5.3)

т.е. угол пролета электронов меньше сдвига фазы волны на длине l замедляющей системы на величину .

В принципе, положительный эффект будет и в случае, если

, (5.4)

где n=0,1,2,3... Однако, все же лучший эффект будет иметь место при n=0. Например, при n=1 первую треть пути сгустки будут находиться в тормозящей фазе ВЧ поля, 2-ю треть - в ускоряющей и затем 3-ю часть пути снова в тормозящей, т.е. эффект будет хуже, чем при сдвиге фаз на .

Как и всякий генератор, ЛОВ может самовозбудиться, если ток пучка превышает величину пускового тока I_пуск. При меньших токах на взаимодействии с обратной пространственной гармоникой может быть создан и усилитель. В этом случае, кроме выхода СВЧ, нужен еще и вход в коллекторной области прибора. Отсюда ясно также, что в ЛБВ при определенных условиях может возникнуть паразитная генерация из-за возбуждения обратных пространственных гармоник.

В заключение рассказа о ЛОВ, укажем важнейшие их характеристики.

Учитывая, что в уравнении (5.4) скорость электронов определяется ускоряющим электроны напряжением U₀, получаем

(5.5)

Отсюда следует, что существует серия максимумов в зависимости выходной мощности от ускоряющего электроны напряжения, т.е. существуют зоны генерации. Как мы уже говорили, практический интерес представляет работа только в зоне с n=0. Чтобы избежать возбуждения в зоне с n=1, рабочий ток выбирается больше пускового для n=0, но меньше пускового для n=1. Если не реализовать такое условие, работа ЛОВ может быть нестабильной из-за конкуренции мод на разных частотах.

Частота генерации ЛОВ меняется в широких пределах с изменением напряжения в пределах рабочей зоны. Физическая причина электронной перестройки частоты состоит в следующем. Условием самовозбуждения ЛОВ является небольшое превышение V_e над V_фр. Следовательно, если мы будем менять величину V_e, изменяя напряжение U₀, должна меняться и фазовая скорость волны V_фр, на которой возможна, а следовательно и существует генерация. С изменением же фазовой скорости меняется и частота генерируемых колебаний, так как V_фр связана с частотой:

(5.6)

Из соотношений (5.5) и (5.6) следует, что в условиях синхронизма частота увеличивается с ростом напряжения. ЛОВ обеспечивает диапазон электронной настройки порядка октавы, но для этого требуется изменение напряжения примерно в 4 раза. Диапазон электронной настройки определяется дисперсионными свойствами замедляющей системы. В диапазоне электронной настройки сильно меняется выходная мощность.

Обычно, ЛОВ – генераторы малой мощности. Для них типичны мощности порядка десятков мВт. КПД таких приборов невысок и, как правило, не превышает единиц процентов. ЛОВ обычно работают при напряжениях от сотен вольт до нескольких кВ. Рабочие их токи, как правило, не превышают 1 А.

Наибольшие мощности обеспечивают достаточно низкочастотные ЛОВ, например, в диапазоне длин волн до 1-2 ГГц, но и там мощность не превышает примерно 100 Вт. Зато ЛОВ с успехом используются как маломощные, но очень высокочастотные генераторы. В настоящее время умеют создавать ЛОВ на частоты практически до 1 ТГц. Такого типа генераторы нужны, например, в спектроскопии.

9