Лампа бегущей волны (ЛБВ). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лампа бегущей волны (ЛБВ) - вакуумный электронный прибор, в к-ром в результате длительного взаимодействия движущихся электронов с полем бегущей эл--магн. волны происходит усиление этой волны. ЛБВ применяется гл. обр. как широкополосный усилитель СВЧ-колебаний (в диапазоне 1-300 ГГц), иногда (при введении обратной связи) как генератор колебаний.

Осн. элементы ЛБВ: электронная пушка, создающая поток электронов; система фокусировки и формирования электронного потока с помощью статич. магн. и электрич. полей; замедляющая система ,по к-рой распространяется эл--магн. волна, взаимодействующая с электронами в т. н. пространстве взаимодействия; коллектор для отбора прошедших пространство взаимодействия электронов (рпс. 1, а, б). Наиб. распространение получили ЛБВ, в к-рых электроны движутся прямолинейно вдоль оси замедляющей системы (тип О), взаимодействуя с продольным электрич. полем замедленной волны. Электронный поток обычно фокусируется с помощью продольного статич. магн. поля, создаваемого соленоидом, или периодич. статич. магн. поля, создаваемого системой периодически расположенных вдоль оси лампы пост. магнитов (намагниченных колец) разной полярности. Менее распространены ЛБВ типа М, где электронный поток движется в поперечно скрещенных статич. электрич. и магн. полях (как в магнетроне ,откуда и назв.- тип М); в этих лампах электроны взаимодействуют как с продольным, так и с поперечным электрич. полем замедленной волны и, следовательно, происходит двумерное движение электронов.

Принцип действия ЛБВ. Необходимым условием длительного взаимодействия электронов с эл--магн. волной является примерное равенство продольной скорости электронов

и фазовой скорости волны

(синхронизм ),что обеспечивается применением замедляющей системы, уменьшающей скорость эл--магн. волны от с до

В этих условиях каждый электрон лишь медленно перемещается относительно поля бегущей волны, оставаясь преимущественно в тормозящей либо ускоряющей фазе её электрич. поля на большой длине L, достигающей неск. десятков длин замедленной волны

в течение длительного времени

существенно превышающего период колебаний

В результате происходит эфф. обмен энергией между электронами и полем, к-рый проявляется как совокупность двух физ. процессов, лежащих в основе работы ЛБВ и представляющих две стороны взаимодействия: возбуждение эл--магн. поля замедленной волны потоком электронов (конвекционным током)и, наоборот, влияние поля волны на движение электронов, приводящее к образованию периодич. последовательности сгустков электронов (группировке) ик возникновению в электронном потоке конвекционных ВЧ-токов. Вместе эти процессы приводят в ЛБВ к передаче энергии от электронного потока эл--магн. полю.

Рис. 1. Лампа бегущей волны: а - типа О; б - типа М, плоская конструкция; 1 - электронная пушка; 2 - замедляющая система; 3 - фокусирующая система; 4 - коллектор.

Возбуждённое электронным потоком эл--магн. поле замедленной волны является суммой индивидуальных излучений отд. электронов. Индивидуальное излучение каждого электрона, движущегося равномерно в замедляющей системе,- частный случай Черенкова - Вавилова излучения, к-рое при синхронизме электрона и волны направлено вдоль движения электрона. В немодулированном потоке электронов их индивидуальные излучения взаимно уничтожаются; т. е. в таком потоке нет переменных конвекционных токов и поэтому он не возбуждает переменные эл--магн. поля. При подаче на вход ЛБВ эл--магн. колебаний частоты

в замедляющей системе возникает волна с фазовой скоростью

Её поле модулирует электронный поток, в к-ром образуется волна возмущений - периодич. последовательность электронных сгустков - длиной

и со скоростью

Излучения электронов, составляющих сгустки, складываются в фазе друг с другом, т. е. эффективно возбуждается дополнительная замедленная волна, к-рая складывается с исходной волной, если сгустки электронов образуются в тормозящей фазе ноля (фазовая группировка или фазовая фокусировка). Т. о., в ЛБВ возникает индуцированное излучение Черенкова - Вавилова и эл--магн. волна при её распространении вдоль замедляющей системы усиливается, причём фазовая скорость волны

в системе с электронным потоком оказывается меньше фазовой скорости волны в системе без потока.

Фазовая группировка в ЛБВ типа О получается при нек-ром превышении нач. скорости электронов

над фазовой скоростью волны

. В системе координат, связанной с волной, электроны, первоначально равномерно расположенные в тормозящем и ускоряющем продольном поле волны, захватываются ею и постепенно смещаются под действием поля к точке

(рис. 2). Относит. скорость смещения тормозящихся электронов меньше, чем ускоряющихся, поэтому сгущение электронов происходит в тормозящей фазе поля и энергия в среднем передаётся от электронов полю. Если же

то сгущение образуется симметрично около точки Е_Z=0 и обмен энергией между пучком и полем в среднем отсутствует: конвекционный ток частоты

образованный в пучке под действием поля, сдвинут по фазе на

по отношению к полю.

Рис. 2. Распределение продольного электрического поля замедленной волны

, конвенционного тока I и его основной гармоники

при усилении сигнала в ЛБВ типа О; х - центр сгущения электронов.

В ЛБВ типа М фазовая группировка получается в результате дрейфа электронов в скрещенных электрич. и магн. полях (см. Дрейф заряженных частиц ).Поперечное электрич. поле замедленной волны приводит к продольному дрейфу и образованию сгустков около нулевых точек этого поля, где продольное электрич. поле волны имеет макс. значение и тормозит электроны. В результате сгустки отдают свою потенц. энергию волне и одновременно дрейфуют к замедляющей системе (рис. 1,б); т. о., кинетич. энергия электронов меняется мало, а усиление волны происходит за счёт изменения потенциальной энергии электронов в статич. электрич. поле.

Электронные волны в ЛБВ типа О. Модуляция электронного потока эл--магн. волной и, в свою очередь, возбуждение этой волны электронами приводит к образованию электронно-эл--магн. волн, наз. иногда также электронными волнами. Их комплексные волновые числа

определяются в линейной теории ЛБВ, справедливой при достаточно малой мощности усиливаемого сигнала, когда возмущения плотности и скорости электронов пучка малы по сравнению с их постоянными составляющими. Совместное решение ур-ний Максвелла и линеаризованных ур-ний движения электронов приводит к кубич. ур-нию для k, три корня к-рого соответствуют трём электронным волнам. При синхронизме электронного пучка и замедленной волны амплитуда одной из этих волн нарастает вдоль лампы: её постоянная нарастания

определяет усиление сигнала на ед. длины в ЛБВ

(в дБ), а постоянная распространения

- фазовую скорость

Усиление существует в нек-рой области относит. изменения скоростей

- в т. н. зоне усиления (рис. 3).

Величина и положение зоны усиления существенно зависят от параметров, определяющих свойства ЛБВ,- параметра усиления

(обозначаемого также С)и параметра пространственного заряда

(обозначаемого также

где

- плазменная частота с учётом поперечных размеров пучка и влияния замедляющей системы. Параметр усиления характеризует взаимное влияние, связь электронного потока и поля замедленной волны:

где I_е - ток пучка, U_e - ускоряющее напряжение, К_св - сопротивление связи замедляющей системы, определяемое продольным электрич. полем волны, действующим на электроны. В типичных ЛБВ e=0,05-0,15; с ростом

усиление возрастает, зона усиления расширяется.

Параметр пространственного заряда, пропорциональный плотности заряда в пучке, характеризует влияние кулоновских сил расталкивания электронов, препятствующих образованию сгустков и тем самым, как правило, уменьшающих величину усиления (рис. 3). Силы расталкивания электронов и величина параметра пространственного заряда существенно зависят от соотношения длины замедленной волны, поперечных размеров электронного пучка и пространства взаимодействия замедляющей системы: в тонких пучках силы расталкивания малы, а в нек-рых случаях даже способствуют группированию электронов, приводя к увеличению усиления. Усиление ЛЕВ уменьшается также под действием др. факторов: потерь в замедляющей системе, разброса скоростей

неидеальности группировки и т. д. Роль этих факторов возрастает с увеличением частоты сигнала, особенно при переходе в миллиметровый диапазон волн.

Фазовая скорость нарастающей электронной волны

отличается от скорости замедленной эл--магн. волны

и во всей зоне усиления оказывается меньше скорости электронов

это обеспечивает правильную фазовую группировку образующихся сгустков электронов в тормозящей фазе поля и передачу энергии от электронного потока полю. Вне зоны усиления синхронизм электронов и эл--магн. волны существенно нарушается, взаимодействие между ними становится слабым и три электронные волны превращаются в одну эл--магн. волну замедляющей системы и две волны пространственного заряда электронного потока.

Нелинейные явления в ЛБВ типа О. Увеличение амплитуды усиливаемой волны при её распространении вдоль замедляющей системы приводит к значит. возмущениям в движении электронов, сильной модуляции электронного пучка, в результате чего возникает ряд нелинейных явлений: уменьшение ср. скорости электронов; обгон одних электронов другими, деформация сгустков и движение относительно поля синхронной волны; появление высших гармоник конвекционного тока и поля пространственного заряда на частотах

. . ., возбуждение поля замедленной эл--магн. волны на этих гармониках; расслоение электронного пучка в результате неравномерной модуляции пучка по сечению, вызванной неравномерным распределением напряжённости поля замедленной волны и поля пространственного заряда по сечению; остановка и поворот электронов; поперечные движения электронов под действием СВЧ-полей замедляющей системы и поля пространственного заряда. Наиб. важны первые три явления, принципиально связанные с механизмом группировки и существенные уже при умеренных мощностях и небольших кпд. При усилении на нач. участке лампы электроны сгущаются в тормозящей фазе поля (рис. 2). Дальнейшая эволюция пучка определяется отставанием сгустка от водны и нелинейностью модуляции, приводящей к распаду сгустка. Если различие нач. скорости электронов

и фазовой скорости волны

невелико и соответствует центру зоны усиления (рис. 3), то образуется сгусток из электронов с примерно одинаковыми скоростями. Под влиянием тормозящего поля он перемещается (сначала медленно, потом всё быстрее) к нулю поля, отставая от волны. Пока сгусток остаётся в тормозящем поле, он отдаёт энергию волне, а в том сечении лампы, где сгусток переходит в ускоряющее поле, мощность волны достигает максимума, определяющего кпд ЛБВ. Если же разность

достаточно велика и соответствует правому краю зоны усиления, то в первоначально образующийся сгусток приходит много электронов из ускоряющей фазы поля, имеющих повышенную скорость, и поэтому сгусток быстро разваливается на два. Оба этих сгустка находятся сначала в тормозящем поле и отдают энергию волне. Затем, постепенно отставая от волны, один из них переходит в ускоряющее поле и начинает забирать энергию у волны; в том сечении лампы, где энергия, забираемая этим сгустком, равна энергии, отдаваемой другим сгустком, получается макс. мощность усиливаемой волны. Нелинейные явления определяют ряд важных характеристик ЛБВ средней и большой мощности: кпд, выходную мощность, нелинейные искажения сигнала и др.

Рис. 3. Зоны усиления ЛБВ типа О при различных параметрах пространственного заряда.

Характеристики ЛБВ типа О. Наибольшие полосы усиливаемых частот - до 2,5 октав - достигаются в ЛБВ с замедляющей системой в виде металлич. спирали, закреплённой диэлектрич. опорами, к-рые, однако, ухудшают теплоотвод от спирали, ограничивая выходную мощность сотнями Вт в непрерывном режиме работы. В ЛБВ с замедляющими системами типа цепочек связанных резонаторов полосы усиливаемых частот меньше

но зато выходные мощности достигают десятков кВт в непрерывном и единиц МВт в импульсном режимах работы. Типичные значения кпд

для его увеличения снижают потенциал коллектора с целью торможения электронов и возврата части их энергии источнику (рекуперация); используют также уменьшение фазовой скорости волны к концу замедляющей системы для обеспечения синхронизма с тормозящимися электронами, скачки фазы поля вдоль системы и др. приёмы. Коэф. усиления составляет G=

=30-60 дБ (А_вых, А_вх-амплитуда сигнала на выходе и входе), причём для предотвращения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений от концов замедляющей системы на одном или двух участках системы помещают поглотитель энергии СВЧ-колебаний. Маломощные ЛБВ с выходной мощностью менее 2 Вт используют в качестве малошумящих входных усилителей с коэф. шума =4-20 дБ.

Литература по лампам бегущей волны (ЛБВ)

Знаете ли Вы, что "гравитационное линзирование" якобы наблюдаемое вблизи далеких галактик (но не в масштабе звезд, где оно должно быть по формулам ОТО!), на самом деле является термическим линзированием, связанным с изменениями плотности эфира от нагрева мириадами звезд. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.