Генераторы на лампах бегущей и обратной волны типа «О»

ЛЕКЦИЯ 16

3.7. Генераторы на лампах бегущей и обратной волны типа «О»

3.7.1 Принцип работы ЛБВ

3.7.2 Параметры и области применения ЛБВ

3.7.3 Принцип работы ЛОВ

Лампа обратной волны типа О (ЛОВО) является электронным прибором с длительным взаимодействием электронного потока с СВЧ полем, предназначенным для генерирования электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты в диапазоне 1...630 ГГц. ЛОВО являются наиболее широкодиапазонными генераторами СВЧ с электронной перестройкой частоты. Приборы этого типа в настоящее время являются единственным типом электровакуумных приборов, с помощью которых получены колебания в cубмиллиметровом диапазоне волн с достаточной для практики мощностью. Схема лампы обратной волны типа О показана на рис. 1.

1 - катод;-2 - управляющий электрод; 3 - замедляющая система; 4 – коллектор; 5 – вывод энерии; 6 – поглотитель; 7 – соленоид.

Катод 1, совместно с управляющим электродом 2 образуют электронный прожектор, который формирует электронный пучок с определенным сечением и плотностью потока электронов. Скорость электронов в потоке V0 определяется величиной ускоряющего напряжения U0 . С помощью фокусирующей системы 7, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка электронов на всем протяжении пути вдоль замедляющей системы 3. В генерирующей СВЧ колебания ЛОВО, вдоль замедляющей системы со стороны коллектора к выходу, расположенному у катода, распространяется бегущая электромагнитная волна СВЧ поля, которая взаимодействует с электронным потоком, движущимся от катода к коллектору.

Эффективное взаимодействие электронов с полем СВЧ возможно только в случае, если скорость электронов V0 несколько больше фазовой скорости электромагнитной волны Vф, т.е. когда выполняется условие:

Так как скорость электронов всегда во много раз меньше скорости света c в свободном пространстве, то для выполнения условия (I) необходимо замедлить фазовую скорость волны, взаимодействующей с электронами. Для этого используется замедляющая система в виде спирали, встречных штырей или гребенчатой конструкции.

Условие самовозбуждения. Частота генерируемых колебаний

Самовозбуждение генератора на ЛОВО происходит следующим образом. После включения и разогрева ЛОВО возникает электронный пучок, движущийся от катода вдоль замедляющей системы к коллектору. При этом в результате наличия флуктуации электронного потока в замедляющей системе ЛОВО возбуждаются гармонические колебания с любыми частотами которые распространяются в обоих направлениях: прямом – в сторону поглотителя 6, расположенного у коллектора и обратном – сторону выхода, расположенного у катода. Вследствие пространственной периодичности структуры замедляющей системы поле шумовых колебаний может быть представлено бесконечной суммой прямых и обратных пространственных гармоник

где

Am – амплитуда m-ой пространственной гармоники;

L – пространственный период (шаг) замедляющей системы.

Постоянные распространения пространственных гармоник

, ,

где 0 – постоянная распространения нулевой пространственной
гармоники, – сдвиг по фазе поля в. соседних ячейках замедляющей системы.

Фазовые, скорости пространственных гармоник определяются соотношением

Так как m может принимать как положительные, так и отрицательные значения, то фазовые скорости могут быть положительными (прямые пространственные гармоники) и отрицательными (обратные пространственные гармоники).

Групповая скорость, т.е. скорость распространения энергии электромагнитной волны в замедляющей системе, не зависит, от m, так как

Отсюда следует, что групповая скорость любой, пространственной гармоники равна групповой скорости нулевой пространственной гармоники. В ЛОВО энергия электромагнитных колебаний в замедляющей системе распространяется от поглотителя в сторону выхода и в эту же сторону направлены групповые Vгр и фазовые скорости VФ(+m) прямых пространственных гармоник. Направления фазовых скоростей обратных пространственных гармоник Vф(-m) противоположны групповой .скорости Vгр и совпадает с направлением .скорости электронов V0 (рис.1).

Среди пространственных гармоник, фазовая скорость которых совпадает по направлению со скоростью электронов, найдется одна, у которой скорость немного меньше скорости электронов, т.е. для которой выполняется условие синхронизма . В ЛОВО это условие выполняется для первой обратной гармоники (m-1), что обеспечивается выбором структуры замедляющей системы и ее параметров, а также электронным режимом.

При взаимодействии электронного потока с полем этой обратной гармоники электроны группируются в сгустки, которые образуются в тормозящем поле бегущей волны и отдают свою энергию полю волны. Амплитуда поля волны в замедляющей системе будет нарастать, а эффект группирования электронов и передача энергии волне увеличится еще более и т.д. В результате, как и в любом автогенераторе, при условии выполнения баланса фаз и мощности установятся колебания стационарной амплитуды.

Физические процессы взаимодействия электронов с волной, таким образом, происходят так же, как и в лампе бегущей волны типа О. Отличие состоит в том, что в ЛОВО электронный поток взаимодействует с обратной пространственной гармоникой. Поэтому векторы скорости электронов V0 и фазовой скорости обратной гармоники Vф(-m) взаимодействующей с электронами, противоположны по направлению вектору групповой скорости волны Vгр (рис.1). Это отличие имеет принципиальное значение. Использование электронного потока, движущегося навстречу потоку электромагнитной энергии, обеспечивает ту положительную обратную связь, без которой невозможна работа автогенератора.

Фазовое условие самовозбуждения автогенератора на ЛОВО имеет вид (при m=-1)

где n=0,1,2,3,... - число, называемое порядком колебаний в ЛОВО или номером зоны генерации.

Первое слагаемое характеризует изменение фазы волны при ее движении вдоль замедляющей системы длиной l , а второе набег фазы за время движения электронов на том же пути.

Выражение (2) с учетом того, что , можно записать в форме

Для основного вида колебаний, при n=0 получим;

Отсюда следует, что в ЛОВО фазовая скорость обратной гармоники должна быть несколько меньше скорости электронов.

Одним из наиболее ценных свойств генератора на ЛОВО является возможность перестройки частоты генерации за счет изменения электрического режима работы лампы. Подставив в выражение (3) для численные значения постоянных e и m и решив его относительно , получим

Из этого выражения видно, что с изменением ускоряющего напряжения U0 меняется длина волны генерируемых колебаний, Степень изменения длины волны генерируемых колебаний при изменении напряжения U0 оценивается крутизной электронной перестройки

.

Поясним назначение поглотителя 6 (рис.1) в ЛОВО. Предположим, что нагрузка, подключенная к выходу замедляющей системы, не согласована с системой. Волна, которая распространяется к нагрузке, через обратную пространственную гармонику взаимодействует с электронным потоком и после первого отражения от нагрузки (из-за рассогласования выхода с нагрузкой) идет по замедляющей системе к коллекторному концу, но уже не взаимодействуя с электронами. При отсутствии поглотителя, согласованного с замедляющей системой, пришедшая к коллекторному концу замедляющей системы волна снова отражается и опять двигается к выходу 9, взаимодействуя с электронным потоком. При этом происходит наложение первичной волны и дважды отраженной. Если их фазы совпадают, выходная мощность возрастает, если противоположны – уменьшается. Так как сдвиг фазы при данной длине волны ЛОВО зависит от частоты, то должны наблюдаться колебания выходной мощности по-рабочему диапазону частот. Поглотитель поглощает энергию отраженной от выхода волны и тем самым устраняет паразитную обратную связь, которая возникает при неполном согласовании с нагрузкой. Введение поглотителя, согласованного с замедляющей системой в рабочем диапазоне частот, устраняет также возможность генерации колебаний в ЛОВО на прямых пространственных гармониках

3.7.4 Параметры и области применения ламп обратной волны

Диапазон рабочих частот ЛОВО определяется параметрами замедляющей системы и электрического режима лампы. Примерная зависимость частоты генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения U0 показана на рис. 2.

Ширина диапазона электронной перестройки характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона где fmax , fmin - максимальная и минимальная граничные частоты диапазона, В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн =2- 2,5, а в миллиметровом диапазоне =1,05- 1,1.

Выходная мощность генератора на ЛОВО может быть определена по формуле

,

где электрическая длина замедляющей системы, определяемая как отношение длины замедляющей системы l к длине волны генерируемых колебаний в замедляющей системе; U0 – ускоряющее напряжение; I0 ,In – ток электронного пучка и пусковой ток.

Пусковой ток ЛОВО – наименьшая величина тока пучка, при которой происходит самовозбуждение, определяемая из выражения

,

где Rc – сопротивление связи, параметр, характеризующий связь электронного пучка с полем в замедляющей системе и зависящий от конструкции замедляющей системы,

Примерная зависимость выходной мощности от управляющего напряжения показана на рис.3. Выходная мощность ЛОВО обычно составляет от единицы милливатт до нескольких ватт.

Электронный КПД ЛОВО определяется простым соотношением:

=0,84G ,

где – параметр- усиления.

Практически КПД ЛОВО порядка нескольких процентов.

На рис. 2 и 3 пунктирными линиями показаны реальные зависимости частоты и мощности от управляющего напряжения U0. Волнистость возникает вследствие отражения части мощности от системы вывода энергии в нагрузку из-за рассогласования.

Pвых

– U0 +