Лампа бегущей волны

Устройство ЛБВ типа О

Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на механизме длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны. На рисунке схематично представлено устройство ЛБВ. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная пушка, спиральная замедляющая система и коллектор размещаются в металлостеклянном или металлическом баллоне, а фокусирующий соленоид располагается снаружи. Спираль крепится между диэлектрическими стержнями, которые должны обладать малыми потерями на СВЧ и хорошей теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности, когда спираль нагревается из-за оседания электронов и нужно отводить это тепло, чтобы не было прогорания спирали.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства для согласования её с линиями передачи. Последние могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку.

Трудно получить хорошее согласование во всей полосе усиления лампы. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, при этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции усилителя. Для устранения самовозбуждения вводится поглотитель, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих плёнок.

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

${\displaystyle C={\sqrt[{3}]{\frac {R_{CB}I_{0}}{4U_{0}}}}}$, где ${\displaystyle R_{CB}}$ — сопротивление связи, ${\displaystyle I_{0}}$ — ток катода и ${\displaystyle U_{0}}$ — потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления ЛБВ в линейном режиме прямо пропорционален параметру C.

Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВО средней и большой мощности составляет 25-40 дБ, то есть несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов (60 дБ). В маломощных ЛБВО коэффициент усиления может достигать 60 дБ.

Особенно ценным свойством ЛБВ является их широкополосность. Коэффициент усиления ЛБВ при неизменном ускоряющем напряжении может оставаться почти неизменным в широкой полосе частот — порядка 20 — 50 % от средней частоты. В этом отношении ЛБВ значительно превосходят усилительные клистроны, которые могут обеспечивать весьма высокое усиление, но имеют значительно более узкую полосу частот.

В зависимости от назначения ЛБВ выпускаются на выходные мощности от долей мВт (входные маломощные и малошумящие ЛБВ в усилителях СВЧ) до десятков кВт (выходные мощные ЛБВ в передающих устройствах СВЧ) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном режиме работы.

В ЛБВО малой и средней мощности применяют спиральные замедляющие системы, в мощных ЛБВО — цепочки связанных резонаторов.

Электроны, пролетая сквозь замедляющую систему, отдают часть своей кинетической энергии СВЧ полю, что приводит к уменьшению скорости электронов. Но при этом нарушается условие фазового синхронизма V_e ≅ V_ф. Отсюда вытекает основное ограничение КПД ЛБВО, связанное с невозможностью отдачи всей кинетической энергии электронов СВЧ полю: электронные сгустки смещаются из области тормозящего поля в область ускоряющего.

Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью замедленной волны. Поэтому величина КПД должна быть тем больше, чем значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в замедляющей системе. Однако при увеличении рассинхронизма ухудшается группирование на входном участке замедляющей системы и резко уменьшается коэффициент усиления. Таким образом, требования максимального КПД и высокого коэффициента усиления в ЛБВО оказываются противоречивыми.

Реальная величина КПД у ЛБВО составляет 30—40 %.

Маломощные ЛБВО применяются во входных усилителях, средней мощности — в промежуточных усилителях, большой — в выходных усилителях мощности СВЧ колебаний.

В ЛБВ типа М, в отличие от ЛБВО, существуют две существенные особенности:

1. наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущей волной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны (V_e = V_ф). Напротив, для передачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроны двигались чуть быстрее.
2. в ЛБВО электроны отдают полю только избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия, передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения ${\displaystyle U_{0}}$. В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Схема ЛБВ типа М с инжектированным потоком

Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия.

Инжектирующее устройство, состоящее из подогреваемого катода и управляющего электрода, обеспечивает создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия.

Пространство взаимодействия, состоящее из волноводного входа, поглотителя, замедляющей системы-анода, волноводного выхода, коллектора и холодного катода, обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ полем. Для создания такого взаимодействия необходимо выполнение условия

${\displaystyle V_{0}={\frac {E_{0}}{B}}}$, где ${\displaystyle V_{0}}$ — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия, ${\displaystyle {\frac {E_{0}}{B}}}$ — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом (${\displaystyle E_{0}}$) и магнитном полях (${\displaystyle B}$).

При выполнении данного условия электроны, в отсутствие СВЧ поля, прямолинейно движутся к коллектору. Поскольку начальная скорость потока определяется соотношением

${\displaystyle V_{0}={\frac {E_{control}}{B}}}$, то описанное выше условие сводится к

${\displaystyle E_{0}=2E_{control}}$

Параметры прибора выбирают таким образом, чтобы при появлении на входе замедляющей системы СВЧ сигнала на одной из его пространственных гармоник выполнялось условие фазового синхронизма приборов типа М (V₀ = V_ф). В этом случае в тормозящих полупериодах электрического поля этой гармоники будет происходить увеличение энергии СВЧ сигнала за счет уменьшения потенциальной энергии электронов. Усиленный СВЧ сигнал поступает на выход замедляющей системы, а электроны оседают на коллекторе.

Лампа бегущей волны типа М, также, как и лампа бегущей волны типа О, является широкополосным усилителем, и поэтому в ней возможно самовозбуждение за счет отражения усиливаемого сигнала от выхода замедляющей системы. Для предотвращения самовозбуждения применяется поглотитель.

Зависимость коэффициента усиления ЛБВМ от мощности входного сигнала.

Характерный вид зависимости коэффициента усиления от входной мощности показаны на рисунке. При малых уровнях входного сигнала амплитуда колебаний на выходе ЛБВМ и величина коэффициента усиления возрастают прямо пропорционально величине входного сигнала. Связь соблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вместо коллектора на анод в конце замедляющей системы. В этом случае замедляется рост выходной мощности и коэффициент усиления ЛБВМ уменьшается.

Коэффициент усиления в реальных лампах бегущей волны типа М достигает 40 дБ и более.

Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы.

Выходная мощность ЛБВМ в непрерывном режиме достигает нескольких киловатт, в импульсном — нескольких мегаватт.

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю ${\displaystyle E_{pot}=eU_{0}}$,

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

${\displaystyle E_{kin}={\frac {mv_{e}^{2}}{2}}={\frac {mE_{0}^{2}/B^{2}}{2}}}$

В реальных приборах его величина КПД не превышает 70 %.