16.3. Конструкция и принцип действия лбв

Впредыдущих параграфах было показано, что при определен­ных условиях электроны, двигаясь вдоль замедляющей системы, могут длительно взаимодействовать с распространяющейся по си­стеме электромагнитной вол­ной. Это обстоятельство мо­жет быть использовано для создания приборов с длитель­ным взаимодействием – ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ).

Используя «волновую» тер­минологию, т.е. отождествляя перемещение вдоль оси системы точек постоянной фазы истин­ной волны с движением соответствующей пространственной гар­моники замедленной волны, отметим следующее. В ЛБВ электро­ны и гармоника замедленной волны перемещаются в ту же сторо­ну, что и энергия электромагнитного поля в системе (рис. 16.5,а), характеризуемая групповой скоростью . В ЛОВ обеспечивается взаимодействие потока и волны, энергия которой распространя­ется со скоростью навстречу потоку (рис. 16.5,6); формально при этом говорят о взаимодействии потока с обратной пространс­твенной гармоникой. Однако в обоих типах приборов (ЛБВ и ЛОВ) электроны тормозятся и отдают часть своей кинетической энер­гии волне, увеличивая энергию последней.

Конструкция ЛБВ со спиральной замедляющей системой пока­зана на рис. 16.6. Электронная пушка1 формирует электронный поток с определенным сечением и интенсивностью. Скорость элек­тронов на входе в замедляющую систему 2 определяется ускоряю­щим напряжением . С помощью фокусирующей магнитной систе­мы 3 обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. Электронная пушка, замедляющая система и коллектор 5 размещаются в металлостеклянном или металлокерамическом баллоне 7, а фокусирующая си­стема расположена снаружи. На выходе и входе замедляющей системы есть специальные устройства4 для согласования системы с линиями передачи. Кроме того, в замедляющую систему вводится поглотитель 6, выполненный в виде стержня из поглощающей ке­рамики или в виде поглощающих пленок, для предотвращения са­мовозбуждения. В простейшем случае напряжение на аноде элект­ронной пушки , замедляющей системе и коллекторе делается одинаковым, т.е. =.

Особенностью спиральной замедляющей системы является то, что если длина волны колебания укладывается на нескольких ее периодах (однородная система), то распределение продоль­ной составляющей напряженности поля E_z по координате z прак­тически синусоидальное. Поэтому можно пренебречь всеми про­странственными гармониками, кроме нулевой (основной) р = 0, и рассматривать взаимодействие электронов с СВЧ-полем как непрерывное взаимодействие с одной синусоидальной бегущей волной. Этот случай достаточно строго анализируется в линей­ном приближении с помощью теории Пирса, представление о ко­торой дается в § 16.4.

Однако при качественном описании принципа действия ЛБВ мы воспользуемся дискретным подходом. Это даст возможность ис­пользовать хорошо знакомый и весьма наглядный метод описания движения и группирования электронов, использованный в гл. 15 для клистронов, а именно метод пространственно-временных диа­грамм (ПВД). Построение ПВД для ЛБВ с дискретным взаимодейст­вием относительно просто и позволяет получить наглядное пред­ставление о принципе действия таких ЛБВ, параметрах и характе­ристиках, в том числе и для нелинейного режима работы. Кстати, переход к непрерывному взаимодействию с полем спиральных за­медляющих систем можно с некоторым приближением предста­вить как увеличение числа ячеек в дискретных системах.

Обратимся к ПВД (рис. 16.7), на которой наглядно представле­но не только движение электронов, но и перемещение точек посто­янной фазы СВЧ-волны со скоростью .

Поскольку фазовая скорость является функцией геометри­ческих размеров замедляющей системы [см. (16.2), (16.4), (16.6)] и для системе постоянным шагомL является величиной постоянной, перемещение вдоль оси z точек постоянной фазы изображается на ПВД прямыми штриховыми линиями с одинаковым наклоном (угол наклона, как и в случае движения электронов, характеризует вели­чину скорости, здесь – скорости ).

Чтобы не усложнять рисунок, здесь и в дальнейшем электрон­ные сгустки на ПВД будем отображать только одним (централь­ным) электроном. Заметим также, что на рис. 16.7 изображены все­го шесть ячеек замедляющей системы, хотя реально их число мо­жет быть много больше.

Входной сигнал через входное согласующее устройство посту­пает в замедляющую систему, образуя в первой ее ячейке напря­жение с амплитудой(синусоида в плоскости первой ячейки изо­бражена сплошной линией на рис. 16.7). Если бы скорость электро­нов потока была в точности равна фазовой скорости, то сплош­ная линия 0 на рис. 16.7, отражающая движение центрального электрона (уже в следующей ячейке вокруг него начнет формиро­ваться сгусток), совпала бы со штриховой линией, отражающей пе­ремещение фазы волны со скоростью .

Но в этом случае центральный электрон попадает в нулевое по­ле, а соседние с ним электроны, идущие раньше или позже, попа­дают соответственно в тормозящее и ускоряющее поле (помечены знаками «минус» и «плюс»). В этом случае результирующий обмен энергией между электронами и полем отсутствует.

Если бы скорость электрона была меньше, чем(соответ­ствующая линия изображена на рис. 16.7 точками), сгусток попал бы во второй ячейке в ускоряющее поле, т.е. не только не отдал бы волне свою энергию, а наоборот, отобрал бы ее у волны. И лишь в случае, когда скорость потока больше скорости волны (этот случай изображен на рис. 16.7 сплошной линией), сгусток по­падает в следующей ячейке в тормозящее СВЧ-поле и, тормозясь, отдает ему свою энергию.

Рассмотренные случаи позволяют сделать очень важный вы­вод – для наиболее эффективной передачи энергии от электронно­го потока электромагнитной волне в устройствах с длительным взаимодействием скорость потока должна несколько превышать скорость перемещения вдоль системы точек постоянной фазы СВЧ-поля. Таким образом, условие синхронизма (16.3) должно быть уточнено и записывается в виде

(16.17)

При выполнении условия (16.17) начинающий формироваться сгусток попадет во второй ячейке в тормозящее СВЧ-поле и начнет отдавать ему свою энергию; соответственно скорость электронов сгустка на вылете из второго зазора уменьшается. Такие же процес­сы будут происходить и в других ячейках. Однако необходимо сде­лать следующее уточнение. При торможении электронов происхо­дит не только уменьшение скорости электронов, но, строго говоря, и уменьшение фазовой скорости волны. Сгусток, пролетая промежу­ток, вызывает появление на поверхности замедляющей системы на­веденного тока с частотой следования сгустков (частотой сигнала). Этот ток является током смещения между сгустками и поверхностью замедляющей системы и эквивалентен емкостной нагрузке. В лини­ях передачи это приводит к уменьшению фазовой скорости волны. Это означает, что во второй ячейке должен возникнуть «горячий», т.е. связанный с электронным потоком, фазовый сдвиг. Действи­тельно, возникающее при торможении сгустка во второй ячейке «го­рячее» напряжение, сложившись с «пришедшим» из первой ячейки «холодным» напряжением, образует результирующее напряжение, сдвинутое по фазе относительно «холодного» напряжения, изобра­женного сплошной линией при . Будем считать, что модулирую­щее напряжение и расстояние между ячейками (период системы) невелики, следовательно, невелика и степень группировки потока при влете во вторую ячейку. Соответственно наводимое там «горя­чее» поле много меньше «холодного», «приходящего» во вторую ячейку из первой. Поэтому на рис. 16.7 при построении результиру­ющего напряжения в плоскости второго зазора влияние на его фазу «горячего» напряжения не учтено.

Важно иметь в виду, что такое соотношение между «горячим» и «холодным» напряжениями сохраняется и в последующих ячейках ЛБВ. Действительно, хотя группировка потока от ячейки к ячейке нарастает и создаваемое им «горячее» напряжение в последую­щих ячейках увеличивается, увеличение «холодного» напряжения происходит быстрее, ибо «холодное» поле в каждой ячейке вклю­чает в себя все «горячие» вклады в предыдущих ячейках. Это об­стоятельство оправдывает пренебрежение (во всяком случае, при качественном рассмотрении) «горячими» добавками к фазовой скорости на протяжении всей длины ЛБВ; соответственно на ПВД точки постоянной фазы СВЧ-напря-жения на рис. 16.7 перемещаются по штриховым прямым линиям. Что же касается амплитуды результирую­щего напряжения, то ее увеличение по мере движения волны от ячейки к ячейке на рис. 16.7 учтено.

Из линейной теории (см. § 16.4) следует, что нарастание амплитуды СВЧ-поля Е_z вдоль оси z имеет экс­поненциальный характер (рис. 16.8).

Расчеты показывают также, что по мере движения электронов про­исходит экспоненциальное нарастание амплитуды конвекционного тока. Качественно этот процесс отражен на рис. 16.8. Заметим, что если кривая Е_z начинается не с нуля, поскольку в первой ячейке действует входное напряжение, кривая I_к начинается с нуля, ибо в первой ячейке конвекционный ток постоянен (I_к = I_о), т.е. амплитуда его первой гармоники I_к = 0.

По мере движения сгустки электронов последовательно (в каж­дой ячейке замедляющей системы) отдают свою энергию электро­магнитному полю и постепенно замедляются – угол наклона линии 0 на рис. 16.7 постепенно уменьшается. Это неизбежно приводит к попаданию сгустка в какой-то ячейке (на рис. 16.7 это – шестая ячейка) в ускоряющее поле, т.е. к выходу сгустка из синхронизма с волной. Указанное обстоятельство (еще раз подчеркнем, что избе­жать его нельзя, так как отбор энергии от потока не может не сопро­вождаться его торможением) существенно снижает, как будет показано ниже, КПД ЛБВ.

Завершая рассмотрение принципа работы ЛБВ, отмечаем, что в том месте, где поток выходит из синхронизма с волной, распола­гают устройство вывода энергии 4 (см. рис. 16.6). Поток электронов поглощается коллектором 5, а усиленная электромагнитная волна выводится в выходной тракт.