Основные принципы работы ЛБВ

Г.В. Рувинский

Введение

Лампы бегущей волны (ЛБВ) относятся к вакуумным приборам сверхвысоких частот (СВЧ), которые осуществляют преобразование кинетической энергии движущихся в вакууме электронов в энергию электромагнитного поля путем взаимодействия электронов с электромагнитной волной. Как и клистроны ЛБВ относятся к приборам О- типа – направление напряженности постоянного электрического поля совпадает с направлением напряженности формирующего магнитного поля [1]. В приборах М-типа (магнетронные приборы) происходит преобразование потенциальной энергии электронов в энергию электромагнитного поля под действием «скрещенных» (взаимно перпендикулярных) электрического и магнитного полей.

Основные принципы работы ЛБВ

ЛБВ относятся к нерезонансным приборам с длительным взаимодействием, в которых соблюдается синхронизм

υ_е ≈ υ_ф,                                                                            (1)

где υ_е =  – скорость электронов, м/с,                     (2)

υ_ф – фазовая скорость электромагнитной волны;  – отношение заряда электрона к его массе; – ускоряющее напряжение, В.

Подставляя значение в (2), получаем расчетное уравнение:

υ ≈ 5,95 ∙ 10⁵ .                                                                   (3)

Если попытаться осуществить принцип синхронизма в линиях передачи, в которых электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью, близкой к скорости света, потребуется ускоряющее напряжение примерно 250 000 В. Делать такие приборы нецелесообразно (кроме крайне высокого напряжения – огромная масса и необеспеченность электропрочности, вредные γ-излучения и т. д.)

Поэтому в ЛБВ применяют специальные линии замедления – замедляющие системы (ЗС). В качестве примера можно рассмотреть механизм замедления в спирали.

Рис. 1. Механизм замедления электромагнитной волны в спирали

В некотором приближении можно считать, что волна движется по проводнику со скоростью света «с», тогда

u » c sinj                                                                                 (4)

Отсюда находим коэффициент замедления электромагнитной волны:

 ≈                                                    (5)

Введем основные определения замедляющих систем:

γ » ,                                                                                     (6)

где γ – волновое число или постоянная распространения, – длина замедленной волны в ЗС.

Коэффициент замедления можно записать следующим образом:

                                                                           (7)

Если разность фаз на период ЗС можно обозначить как

 γd,                                                                                      (8)

то .                                                                              (9)

Дисперсионными характеристиками ЗС называются зависимость коэффициента замедления от длины волны n( ) либо зависимость круговой частоты от постоянной распространения (ω ( )).

Дисперсия может характеризоваться величиной ( /n) ∙ (∂n/∂ ). При значениях ∂n/∂ < 0 дисперсию называют нормальной, при ∂n/∂ > 0 – аномальной.

На рис. 2 показаны случаи нормальной положительной дисперсии (1), аномальной положительной (2) и аномальной отрицательной (3).

Рис. 2. Случаи дисперсии: 1 – нормальная положительная дисперсия; 2 аномальная положительная дисперсия, 3 – аномальная отрицательная дисперсия

Как правило, ЛБВ работает в режиме усиления при нормальной дисперсии или слабоаномальной (аномально положительной). Аномально отрицательная дисперсия соответствует режиму генерации.

Из условий синхронизма (1) и с учетом (2) для каждого значения коэффициента замедления

                                                   (10)

В соответствии с (5)

                                                 (11)

Отсюда формируется очень важный вывод: ЛБВ работает в режиме полезного усиления входного сигнала только при определенных значениях ускоряющего напряжения и каждой точке частотного рабочего диапазона ЛБВ соответствует свое значение оптимального ускоряющего напряжения (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость усиления входного сигнала от ускоряющего напряжения

В ЛБВ электроны движутся в тормозящем поле волны (только в этом случае они могут отдать свою кинетическую энергию электромагнитному полю). Для их эффективного взаимодействия с полем необходимы не только близость скоростей электронов υ_е и волны υ_ф, но и максимальное значение величины сопротивления связи (Ом):

R_св = |e_m|² /2γ^{2 ·}P                                                                         (12)

где Р – средний по времени поток энергии через любое поперечное сечение ЗС, |e_m|² – средний по объему электронного потока квадрат амплитуды составляющей электрического поля, взаимодействующий с электронами, m – указывает номер пространственной гармоники.

Сопротивление связи – чрезвычайно важный параметр, который определяет и коэффициент усиления и коэффициент полезного действия. Часто полоса рабочих частот в ЛБВ ограничивается не полосой пропускания замедляющей системы и ее дисперсионной характеристикой, а большим перепадом сопротивления связи и невозможностью согласовывать вывод энергии с ЗС.

В настоящем сообщении не ставится задача рассмотрения теории и расчета основных характеристик ЛБВ. Это можно изучить по многим научно-техническим работам и учебникам. Целью настоящей статьи является описание принципов построения современных ЛБВ и их основные параметры.