|
Недостатки, свойственные усилительному клистрону, в значительной степени устраняются в лампе бегущей волны (ЛБВ)
и лампе обратной волны (ЛОВ).
Усиление и КПД в ЛБВ могут быть значительно выше, чем в клистроне. Это объясняется тем, что электронный поток в ЛБВ взаимодействует
с переменным электрическим полем на большом участке пути и отдает значительную часть энергии на усиление колебаний. Электронный
поток в ЛБВ гораздо слабее чем в клистроне, и поэтому уровень шумов сравнительно невелик. Полоса пропускаемых частот может быть широкой,
так как в самой ЛБВ нет колебательных
систем. Коэффициент перекрытия по частоте составляет 2 — 4. Ширина полосы ограничивается не лампой, а дополнительными устройствами,
служащими для связи лампы с внешними цепями. Лампы для частот в тысячи мегагерц имеют полосу в сотни мегагерц, что вполне
достаточно для радиолокации и всех видов современной радиосвязи.
Устройство ЛБВ О-типа показано схематически на рис. 25.15. В левой части удлиненного баллона помещен электронный прожектор
с подогревным катодом К, фокусирующим электродом ФЭ и анодом А. Электронный луч, созданный прожектором,
проходит далее внутри замедляющей системы (например, в виде проволочной спирали), выполняющей роль внутреннего провода коаксиальной
линии. Наружным проводом служит металлическая трубка Т. Спираль укреплена на специальных изоляторах (для упрощения
они не показаны). Фокусирующая катушка ФК, питаемая постоянным током,
служит для сжатия электронного луча по всей его длине, чтобы предотвратить
увеличение поперечных размеров луча из-за взаимного отталкивания
электронов. Вместо катушки для фокусировки могут быть применены также
постоянные магниты. Так как магнитные фокусирующие системы громоздки, то в
последнее время разработаны электростатические способы фокусировки
электронного луча в ЛБВ, т. е. фокусировка электрическим полем.
Усиливаемые колебания подводят к ЛБВ с помощью входного волновода В1 в котором помещен приемный штырек
Ш1 представляющий собой начало спирали. На конце спирали имеется штырек Ш2,
возбуждающий колебания в выходном волноводе В2. Плунжеры П1 и П2
служат для согласования волноводов со спиралью, т. е. для того, чтобы вдоль спирали распространялась бегущая волна. Электронный
луч, пройдя сквозь спираль, попадает на коллектор К´. Спираль электрически соединена с коллектором. В ЛБВ для
частот до 4000 МГц связь спирали с внешними цепями осуществляют посредством коаксиальных линий, так как волноводы для этих
частот слишком громоздки.
Спираль конструируется обычно так, что фазовая скорость волны вдоль оси спирали υф ≈ 0,1с
= 0,1 · 300 000 = 30 000 км/с. Обычно в спирали десятки или сотни витков. Для сантиметровых волн длина спирали может быть
10—30 см, а ее диаметр несколько миллиметров.
Рис. 25.15. Принцип устройства ЛБВ О-типа
Рис. 25.16. Электрическое поле бегущей волны внутри спирали
На рис. 25.16 показана картина электрического поля внутри спирали для случая, когда длина волны соответствует шести
виткам. Сама спираль изображена в разрезе. Знаками «плюс» и «минус» показано распределение потенциалов на проводе спирали,
причем жирные знаки соответствуют более высокому потенциалу. Изображено поле в какой-то определенный момент времени. Так
как волна бежит по спирали, то поле вращается вокруг ее оси и перемещается вдоль этой оси со скоростью υф. Существует, конечно, еще электрическое
поле между спиралью и внешней металлической трубкой, не показанное на рисунке, но оно не взаимодействует с электронным лучом.
Вокруг витков спирали есть также переменное магнитное поле, но между ним и электронами также нет энергетического взаимодействия.
Скорость электронов, попадающих в спираль, должна быть немного больше υф, т.е. она тоже примерно
0,1с. Это достигается тем, что напряжение анода устанавливается несколько большим 2500 В. В результате взаимодействия электронного
луча с электрическим полем бегущей волны происходит модуляция электронов по скорости и группирование их в сгустки. Иначе
говоря, плотность луча становится неравномерной и в нем появляются участки большей плотности, отделенные друг от друга
разреженными участками.
Рассматривая рис. 25.16, нетрудно заметить, что участок АБ спирали (на протяжении одной полуволны) создает для
электронов тормозящее поле, а участок БВ (на протяжении другой
полуволны) — ускоряющее поле. Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего
и тормозящего поля. Если в начале спирали в данный момент времени
оказывается участок тормозящего поля, то электроны в нем тормозятся и далее
продолжают двигаться в пределах того же участка к концу спирали,
группируясь в более плотные сгустки. Постепенно уменьшая скорость, они все
время отдают энергию полю, усиливая бегущую волну. Если же электроны в начале спирали влетают в участок ускоряющего поля, то
они увеличивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят
в следующий участок, где поле тормозящее. Хотя эти электроны, попав сначала в ускоряющее поле, отнимут от бегущей волны
некоторую энергию, далее они возвращают ее волне, так как переходят на участок тормозящего поля.
Таким образом, на участках тормозящего поля образуются электронные сгустки, отдающие все время энергию волне. Поэтому
на протяжении всей спирали электроны отдают бегущей волне значительную энергию. Амплитуды тока и напряжения бегущей волны
по мере ее перемещения к концу спирали увеличиваются. При этом усиливается ускоряющее и тормозящее поле волны, а значит,
и эффект группирования электронов. Но тогда увеличивается и отдача энергии электронами. В результате такого постепенно усиливающегося
процесса на выходе получаются значительно усиленные колебания. Энергию, отдаваемую бегущей волне, сами электроны получают
от источника анодного питания.
При большом усилении и неполном согласовании спирали с волноводами появляется волна, отраженная от выходного конца спирали.
Дойдя до входного конца, такая волна снова отражается, усиливается, затем опять отражается от выходного конца и т. д. В
результате возникает самовозбуждение, т.е. ЛБВ начинает генерировать собственные колебания, что недопустимо при усилении.
Для устранения этого явления часть спирали в начале или середине делают из провода высокого сопротивления, чтобы поглотить энергию
отраженной волны. Часто для поглощения поверхность баллона или изоляторы, поддерживающие спираль,
покрывают слоем графита.
В ЛБВ для наиболее коротких сантиметровых волн спираль заменяют замедляющими волноводными системами различного типа,
так как трудно изготовить спираль очень малых размеров. Подобные замедляющие системы применяются также в мощных ЛБВ, так
как спираль не может выдержать рассеяния в ней большой мощности. ЛБВ со спиральной замедляющей системой делают на выходные
мощности до 1 кВт и частоты до 10 ГГц.
В настоящее время разработано много различных ЛБВ, применяемых в качестве входных, промежуточных и выходных широкополосных
усилителей. Наличие гармоник в токе пучка позволяет использовать ЛБВ в умножителях частоты.
По выходной мощности ЛБВ различаются следующим образом. Малошумящие ЛБВ, в которых ток пучка составляет 100 — 200 мкА,
имеют выходную мощность в тысячные или сотые доли ватта. В специальных приемных устройствах добиваются особенно малого уровня
шумов, охлаждая ЛБВ до весьма низкой температуры. ЛБВ малой мощности (до 2 Вт) имеют ток пучка в единицы или десятки миллиампер.
Коэффициент усиления у них достигает сотен тысяч. При средней (до 100 Вт) и большой (до 100 кВт) мощности усиление получается
меньше тысячи, а ток пучка — от сотен миллиампер до единиц ампер. У сверхмощных ЛБВ полезная мощность составляет сотни киловатт.
Напряжение питания — от сотен вольт для маломощных ЛБВ до десятков киловольт и выше — для мощных. КПД у мощных ЛБВ может быть до 40%. Многие ЛБВ используются
в импульсном режиме и могут дать мощность в импульсе 10 МВт и более.
Для повышения КПД в ЛБВ применяют торможение электронов после замедляющей системы. Это достигается тем, что на коллектор
подают меньшее постоянное напряжение, чем на замедляющую систему. Тогда уменьшается мощность, потребляемая от источника питания.
Также для повышения КПД применяют группирование по принципу клистронного. Такие ЛБВ называются твистронами. В них
клистронная система создает электронные сгустки, которые далее попадают в систему, аналогичную ЛБВ. Именно в этой последней
получается усиленная выходная мощность. У твистронов КПД доходит до 50%, а ширина относительной полосы частот может быть
до 15%. Выходная мощность в импульсном режиме у некоторых твистронов составляет десятки мегаватт.
Рис. 25.17. Принцип устройства усилительной (а) и генераторной (б) ЛОВ О-типа
Принцип работы ЛБВ послужил основой для создания ламп обратной волны (ЛОВ), которые называли также карсинотронами.
Эти лампы в отличие от ЛБВ используются главным образом для генерации колебаний, но могут работать и в усилительном
режиме. В ЛОВ применяются такие же системы фокусировки и замедляющие системы, как в ЛБВ, но волна и электронный поток движутся
навстречу друг другу. На рис. 25.17, а показана схематически (без фокусирующей системы) усилительная ЛОВ О-типа.
Она имеет вход около коллектора и выход около катода. Несмотря на то что в подобной ЛОВ
нет резонансных систем, она обладает резонансными свойствами. Усиление в такой лампе получается лишь в узкой полосе частот,
причем положение этой полосы в диапазоне частот зависит от ускоряющего постоянного напряжения U. Изменяя его,
можно осуществить электронную перестройку. Значительно более широко применяются генераторные ЛОВ О-типа (рис. 25.17, б).
В них около коллектора расположено не входное, а поглощающее устройство (затушевано), которое поглощает волну, отраженную
от выходного конца замедляющей системы. Такая волна может появиться при неполном согласовании на выходе и ухудшает работу
ЛОВ.
Первоначальные слабые колебания в генераторной ЛОВ возникают от флюктуации электронного потока, затем эти колебания усиливаются
и начинается генерация. Следует заметить, что генерация может возникнуть и в усилительной ЛОВ, если ток пучка в ней превысит
некоторое критическое значение. Частота колебаний, генерируемых ЛОВ, зависит от ускоряющего напряжения U. Поэтому
возможна электронная перестройка частоты с коэффициентом перекрытия до 2. В генераторных ЛОВ сантиметрового диапазона изменение
частоты при перестройке составляет единицы мегагерц на один вольт ускоряющего напряжения. Выходная мощность генераторных
ЛОВ бывает от десятков милливатт до единиц ватт, а КПД — несколько процентов. Ускоряющее напряжение — сотни или тысячи вольт,
а ток пучка — от единиц до десятков миллиампер.
Разновидность генераторных ЛОВ — так называемые резонансные ЛОВ, в которых отсутствует поглотитель, а замедляющая система
замкнута накоротко около коллектора и поэтому становится резонатором.
В таких ЛОВ возможна не только электронная, но и механическая перестройка частоты. Резонансные ЛОВ обладают более высокой
стабильностью частоты и более высоким КПД.
Рассмотренные выше магнетроны дают большую выходную мощность и обладают высоким КПД. Недостатки их — узкополосность,
а также невозможность электронной перестройки частоты и усиления. А ЛБВ и ЛОВ О-типа, наоборот, широкополосны, в них возможна
электронная перестройка частоты и усиление колебаний, но зато они имеют сравнительно малый КПД и во многих случаях небольшую
выходную мощность. Поэтому были разработаны приборы, сочетающие в себе достоинства магнетронов и ламп бегущей или обратной
волны.
Широкое применение получили ЛБВ и ЛОВ М-типа (ЛБВМ и ЛОВМ). На рис. 25.18 изображена схематически ЛБВМ плоской конструкции.
Электроны, эмитированные накаленным катодом К, попадают в постоянное электрическое поле напряженностью Еу,
созданное напряжением управляющего электрода УЭ, и в постоянное магнитное поле с индукцией В, созданное
внешней магнитной системой, не показанной на чертеже. Под действием этих двух полей электронный поток искривляет траекторию
и движется к коллектору К´ в пространстве взаимодействия между замедляющей системой ЗС и «холодным»
катодом ХК. Как видно, у ЛБВМ «холодный» катод находится в том месте,
где в магнетронах расположен накаленный катод. Замедляющая система находится под постоянным положительным потенциалом относительно этого катода. Поэтому
на электронный поток действует поперечное постоянное электрическое поле напряженностью Е и постоянное магнитное поле
с индукцией В. Двигаясь в этих скрещенных полях, электронный поток передает часть энергии электромагнитной волне,
распространяющейся от входа к выходу, т.е. происходит усиление. Для устранения возможности самовозбуждения в замедляющей
системе находится поглотитель П.
Рис. 25.18. Принцип устройства плоской ЛБВ М-типа
Коэффициент полезного действия ЛБВМ при большом входном сигнале может быть 50 — 70%, а коэффициент усиления доходит до
сотен. В непрерывном режиме работы ЛБВМ имеет выходную мощность до нескольких киловатт, а у импульсных ЛБВМ она может составлять
несколько мегаватт. В настоящее время ЛБВМ используются главным образом как мощные выходные усилители. Вариант устройства
ЛБВМ цилиндрической конструкции показан схематически на рис. 25.19. На нем сохранены обозначения, бывшие на рис. 25.18.
Аналогично ЛБВМ устроены ЛОВМ, которые могут быть усилительными или генераторными. В этих лампах выход расположен вблизи
накаленного катода. Электронный поток взаимодействует с волной, распространяющейся ему навстречу. Усилительные ЛОВМ имеют вход и выход,
а в генераторных ЛОВМ имеется только выход и около коллектора помещен поглотитель. Выходная мощность генераторных
ЛОВМ при непрерывной работе достигает нескольких десятков киловатт в дециметровом диапазоне и сотен ватт — в сантиметровом;
КПД составляет 50 — 60%. Возможна электронная перестройка частоты путем изменения ускоряющего напряжения U.
|
