к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Лампа бегущей волны (ЛБВ)

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 2546-67.jpg и фазовой скорости волны2546-68.jpg (синхронизм ),что обеспечивается применением замедляющей системы, уменьшающей скорость эл--магн. волны от с до2546-69.jpg 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 2546-70.jpg в течение длительного времени 2546-71.jpg существенно превышающего период колебаний2546-72.jpg 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.

2546-73.jpg

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 2546-74.jpg в замедляющей системе возникает волна с фазовой скоростью 2546-75.jpg Её поле модулирует электронный поток, в к-ром образуется волна возмущений - периодич. последовательность электронных сгустков - длиной2546-76.jpg2546-77.jpg и со скоростью 2546-78.jpg 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 2546-79.jpg 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 2546-80.jpg над фазовой скоростью волны 2546-81.jpg. 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 2546-82.jpg (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 же2546-86.jpg2546-87.jpg то сгущение образуется симметрично около точки ЕZ=0 и обмен энергией между пучком и полем в среднем отсутствует: конвекционный ток частоты2546-88.jpg образованный в пучке под действием поля, сдвинут по фазе на 2546-89.jpg по отношению к полю.


2546-83.jpg

Рис. 2. Распределение продольного электрического поля замедленной волны 2546-84.jpg, конвенционного тока I и его основной гармоники 2546-85.jpg 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 числа2546-90.jpg 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 2546-91.jpg определяет усиление сигнала на ед. длины в ЛБВ 2546-92.jpg (в дБ), а постоянная распространения 2546-93.jpg - фазовую скорость 2546-94.jpg Усиление существует в нек-рой области относит. изменения скоростей2546-95.jpg - в т. н. зоне усиления (рис. 3).

Величина и положение зоны усиления существенно зависят от параметров, определяющих свойства ЛБВ,- параметра усиления 2546-96.jpg (обозначаемого также С)и параметра пространственного заряда 2546-97.jpg (обозначаемого также 2546-98.jpg где 2546-99.jpg - плазменная частота с учётом поперечных размеров пучка и влияния замедляющей системы. Параметр усиления характеризует взаимное влияние, связь электронного потока и поля замедленной волны: 2546-100.jpg где Iе - ток пучка, Ue - ускоряющее напряжение, Ксв - сопротивление связи замедляющей системы, определяемое продольным электрич. полем волны, действующим на электроны. В типичных ЛБВ e=0,05-0,15; с ростом2546-101.jpg 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 2546-102.jpg 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 2546-103.jpg отличается от скорости замедленной эл--магн. волны 2546-104.jpg и во всей зоне усиления оказывается меньше скорости электронов 2546-105.jpg 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 частотах2546-106.jpg 2546-107.jpg . . ., 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 2546-108.jpg и фазовой скорости волны 2546-109.jpg 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 2546-111.jpg 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.

2546-110.jpg

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 2546-112.jpg но зато выходные мощности достигают десятков кВт в непрерывном и единиц МВт в импульсном режимах работы. Типичные значения кпд2546-113.jpg 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= 2546-114.jpg =30-60 дБ (Авых, Авх-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)

  1. Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2изд., т. 2, М., 1972;
  2. Кукарин С. В., Электронные СВЧ приборы, 2 изд., М., 1981;
  3. Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А., Лекции по сверхвысокочастотной электронике, М., 1973;
  4. Цейтлин М. Б., Фурсаев М. А., Бецкий О. В., Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями, М., 1978.

В. А. Солнцев

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution