37. Лбв. Устройство и принцип работы лбв. Условие синхронизма. Пространственные гармоники.

В лампах бегущей и обратной волн (ЛБВ и ЛОВ) осуществляется длительное взаимодействие электронного потока, распространяющегося вдоль линии передачи, с полем бегущей волны в этой линии, для которой выполняется условие фазового синхронизма с электронным потоком.

В ЛБВ и ЛОВ используются замедляющие системы, в которых фазовые скорости распространяющегося СВЧ сигнала оказываются меньше средней скорости электронов, взаимодействующих с продольными компонентами электрических полей СВЧ сигнала.

Направление распространения волны, с которой взаимодействует электронный поток, может совпадать или быть противоположным направлению электронного потока. В первом случае говорят о лампах прямой волны, во втором - о лампах обратной волны. Обычно термин ЛБВ относят только к лампам прямой волны.

В зависимости от типа замедляющей системы ЛБВ и ЛОВ разделяют на приборы О- и М-типов. В приборах типа О электроны распространяются прямолинейно и группируются в сгустки c помощью продольной составляющей поля СВЧ сигнала, отдавая свою кинетическую энергию электромагнитной волне.

В ЛБВ и ЛОВ М-типа электроны движутся по криволинейным траекториям, группируются в сгустки за счет взаимодействия с поперечной составляющей электрического поля СВЧ сигнала, а отдают свою потенциальную энергию в результате взаимодействия с продольной составляющей электрического поля СВЧ сигнала.

Все электроды прибора, кроме электронной пушки, находятся под одним высоким электрическим потенциалом. Обычно они заземлены, а на пушку подается высокий отрицательный потенциал.

Электронная пушка 1 создает равномерный поток электронов, который ускоряется приложенным к ней отрицательным потенциалом . Поток электронов проходит по оси прибора через ускоряющий электрод 2 и замедляющую систему 3, после чего он попадает на коллектор 4. Электронный поток взаимодействует с продольным электрическим полем волны СВЧ сигнала, фазовая скорость которой близка к средней скорости электронов , определяемой ускоряющим напряжением .

Фокусировка электронного потока в ЛБВ типа О обычно осуществляется с помощью магнитной фокусирующей системы.

Рассмотрим движение электронных слоев, попавших в замедляющую систему в различные моменты времени.

Электроны слоя 1 попадают в замедляющую систему во время полупериода, в котором продольная составляющая электрического поля СВЧ сигнала (рис. 6.5, б) является для них ускоряющей. В результате электроны получают приращение скорости по сравнению с .Электроны слоев 2 и 4, попавшие в систему, когда напряженность продольной составляющей поля СВЧ сигнала равна нулю, будут двигаться с прежней скоростью , а электроны слоя 3, оказавшиеся в системе в тормозящем полупериоде поля, замедляются.

Таким образом, продольная составляющая электрического поля СВЧ сигнала в замедляющей системе осуществляет модуляцию электронов по скорости, которая приводит к модуляции электронного потока по плотности. По истечении некоторого времени пролета электронный поток будет представлять собой ряд сгустков, центрами которых являются электроны слоя 1, относительно которого продольная составляющая поля изменяется от ускоряющей на тормозящую.

Электронные сгустки усиливают в замедляющей системе бегущую волну СВЧ сигнала, отдавая ей свою кинетическую энергию, так как оказываются в тормозящих полупериодах волны. Амплитуда волны СВЧ сигнала увеличивается, а сгустки, испытывая торможение, смещаются к ускоряющим полупериодам волны СВЧ сигнала. Попав в ускоряющий полупериод, сгустки будут догруппировываться под воздействием возрастающей амплитуды поля СВЧ сигнала и опять сместятся в полупериоды тормозящего поля.

Для повышения эффективности взаимодействия между волной СВЧ сигнала и электронными сгустками последние должны слегка обгонять волну, чтобы в течение всего времени пролета замедляющей системы находиться в тормозящем полупериоде сигнала.

Фазовая скорость волны в замедляющей системе определяется ее дисперсионной характеристикой и зависит от частоты, поэтому требуемое соотношение между скоростями волны и электронов достигается подбором ускоряющего напряжения.

Рассмотрим подробнее взаимодействие электронов, движущихся вдоль периодической замедляющей системы, с продольной составляющей электрического поля СВЧ сигнала.

Если замедляющая система имеет период d, то продольную составляющую поля в ней можно представить в виде суммы ряда пространственных гармоник: , где k=0, 1, 2 - номера пространственных гармоник; - фазовая постоянная k -й пространственной гармоники СВЧ сигнала без учета взаимодействия с электронным лучом; β₀ - фазовая постоянная нулевой пространственной гармоники; ω - круговая частота СВЧ сигнала; Е_т.k.. - амплитуда k-й пространственной гармоники; z - координата вдоль замедляющей системы.

Фазовая скорость k-й пространственной гармоники связана с фазовой постоянной соотношением , где - длина замедленной волны нулевой пространственной гармоники; f - частота СВЧ сигнала.

В отличие от высших гармоник периодического временного процесса все пространственные гармоники имеют одинаковую частоту колебаний во времени f и разные фазовые скорости распространения вдоль замедляющей системы по координате . Групповая скорость всех этих гармоник одинакова. Взаимодействие электронов может осуществляться с любой из пространственных гармоник. Фазовая скорость гармоник тем ниже, чем выше номер гармоники.

Амплитуды пространственных гармоник Е_т.k. зависят от конфигурации замедляющей системы и убывают с ростом k. Обычно замедляющую систему конструируют так, чтобы добиться максимума амплитуды выбранной пространственной гармоники. Отметим, что при взаимодействии электронного потока с какой-либо пространственной гармоникой происходит усиление не только данной гармоники, но и всех остальных, а следовательно, усиливается амплитуда сигнала в замедляющей системе.