4.1. Принцип работы лампы бегущей волны

4.2. Замедляющие системы

4.3. Элементы линейной теории ЛБВ

4.4. Параметры и характеристики ЛБВ

4.5. Особенности устройства и применения ЛБВ

4.6. Лампа обратной волны

4.1. Принцип работы лампы бегущей волны

В клистроне электроны отдают СВЧ полю часть кинетической энергии в течение короткого промежутка времени, поэтому для увеличения мощности взаимодействия в пролетных клистронах необходимо увеличивать амплитуду высокочастотного электрического поля в зазоре резонатора. Для этого следует увеличить добротность резонаторов, что сужает рабочую полосу частот. Узкополосность является одним из основных недостатков усилительных клистронов.

Для создания широкополосных приборов необходимо использовать принцип непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе. В приборах с длительным взаимодействием, так же как и в клистронах, используется модуляция скорости электронов и плотности электронного потока. При сравнительно слабом входном сигнале в результате длительного взаимодействия электронов с полем бегущей волны получается необходимое группирование электронов. Очевидно, что обмен энергией между электронами и полем происходит в результате взаимодействия электронов с составляющей напряженности электрического поля, совпадающей по направлению со скоростью электронов.

Для эффективного взаимодействия электронов с бегущей волной нужно, чтобы скорость электрона v_e была приближенно равна фазовой скорости электромагнитной волны v_ф в направлении движения электронов. Это называется условием фазового синхронизма и записывается следующим образом:

v_e – v_ф ≈ 0 (4.1)

Так как скорость электронов всегда меньше скорости света & свободном пространстве, то для выполнения (4.1) необходимо уменьшать фазовую скорость волны, взаимодействующей с электронами. Для этого используются специальные устройства, которые называются замедляющими системами.

Наглядное представление о группировании электронов дает пространственно-временная диаграмма, представленная на рис. 4.1. В системе координат, движущейся с фазовой скоростью волны, сплошными линиями показано смещение электронов ∆z относительно волны, а пунктирными — движение электронов в этой же системе координат при отсутствии поля волны. Процесс группирования зависит от соотношения скорости электронов v_e скорости электромагнитной волны v_ф.

Рис. 4.1

Если v_е=v_ф, то электроны группируются в области нулевого значения высокочастотного поля (рис. 4.1 а) и электронный поток не обменивается энергией с бегущей волной. Если V_е<V_ф, то электроны отстают от волны и группируются в области ускоряющего высокочастотного поля (рис. 4.1 б), которое сообщает электронам дополнительную скорость. В результате входной сигнал не усиливается, а ослабляется. Если V_е>V_ф, то электроны, находящиеся в ускоряющем поле, приобретают ускорение и перемещаются в область тормозящего поля (рис. 4.1 в), где их движение, замедляется. Следовательно, электроны будут сосредоточены в тормозящем поле и передадут частично свою кинетическую энергию бегущей волне. Амплитуда электромагнитной волны по мере распространения вдоль замедляющей системы будет возрастать. Поэтому необходимым условием усиления ЛБВ является такое соотношение между скоростями V_е и V_ф, при котором скорость электронов V_е немного превышает скорость электромагнитной волны.

Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с полем будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны. Необходимо такое различие в скоростях, чтобы за время движения сгустка вдоль всей длины замедляющей системы он не вышел из области тормозящего поля.

Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на рассмотренном выше механизме длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны. На рис. 4.2 схематично представлено устройство ЛБВ. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы 3, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная пушка, спиральная замедляющая система 2 и коллектор 5 размещаются в металлостеклянном или металлокерамическом баллоне 7, а фокусирующий соленоид 3 располагается снаружи. Спираль крепится между диэлектрическими стержнями, которые должны обладать малыми потерями на СВЧ и хорошей теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности, когда спираль нагревается из-за оседания электронов и нужно отводить это тепло, чтобы не было прогорания спирали.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства 4 для согласования ее с линиями передачи. Последние могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку.

Трудно получить хорошее согласование во всей полосе усиления лампы. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, при этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции усилителя. Для устранения самовозбуждения вводится поглотитель 6, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих пленок.

Рис. 4.2

4.2. Замедляющие системы

Наибольшее распространение в технике СВЧ получили замедляющие системы, представляющие собой линии передачи с периодически повторяющимися неоднородностями. Некоторые из них представлены на рис. 4.3, где 1 — спираль, 2 — гребенка, 3 —встречные штыри, 4 — сдвоенный меандр на диэлектрической подложке, 5 — диафрагмированный волновод, 6 —диафрагмированный волновод с индуктивными щелями связи, 7 — “лист клевера”, 8 — меандр на диэлектрической подложке.

Широко используется замедляющая система в виде цилиндрической спирали. Эта замедляющая система была использована Р. Компфнером в 1944 г. в первой ЛБВ, и сейчас большинство серийно выпускаемых ЛБВ тоже использует спиральную замедляющую систему, что объясняется многими ее достоинствами. Ни, одна из известных замедляющих систем не может конкурировать, со спиралью в отношении широкополосности. При упрощенном рассмотрении процессов в такой системе можно предполагать, что волна Т распространяется со скоростью света с вдоль спирального проводника. Пусть D будет средний диаметр спирали, a L – ее шаг. Тогда время, за которое волна обегает один виток,

Если шаг спирали много меньше диаметра, т. е. L<<πD, имеен t<<πD/c. Волна за то же время проходит вдоль оси спирали путь, равный L. Следовательно, фазовая скорость волны v_e вдоль оси спирали равна L/t или v_ф=cL/πD.

Обычно замедляющую систему характеризуют коэффициентом замедления К_зам, равным отношению скорости света к фазовой скорости замедленной электромагнитной волны.

Рис. 4.3

Тогда K_зам=c/v_ф=πD/L (4.2)

Коэффициент замедления тем больше, чем больше отношение длины витка к шагу спирали. Изменяя диаметр спирали D и ее шаг L, можно в широких пределах изменять коэффициент замедления.

Более точный анализ распространения электромагнитных волн вдоль спирали показывает, что спираль обладает дисперсией, т. е. фазовая скорость волны в спирали зависит от частоты. Но на достаточно высоких частотах (4.2) дает хорошее приближение.

Рассмотрим некоторые общие закономерности распространения электромагнитных волн в замедляющих системах. Замедляющие системы представляют собой периодические структуры, имеющие свойства полосовых фильтров с бесконечным числом полос пропускания. В приборах используется чаще всего полоса, пропускающая самые низкие частоты, она называется основной. Остальные полосы называются высшими.

Поле в периодической структуре удовлетворяет теореме Флоке, которая утверждает, что среди решений уравнений Максвелла, удовлетворяющих граничным условиям, всегда найдется такое решение, при котором поля в соседних ячейках отличаются лишь постоянным множителем p=e^-r, т. е. E(z+L)=e^-r Е(г). В полосе пропускания для систем без потерь величина Г=iψ – мнимая. Это означает, что поле в соседних ячейках отличается лишь сдвигом по фазе на угол ψ. Введем обозначение ψ=β₀L (β₀—постоянная распространения волны) и умножив обе части равенства на ехр^iβo(L+z), при этом заметим, что функция E₀(z)=E(z)ехр^iβoz=E(z)ехр^iβo(z+L) — периодическая, а ее период совпадает с периодом структуры L. Отсюда следует, что поле в системе E(z) можно представить в виде произведения двух периодических функций: E₀(z) и ехр^iβoz. Учитывая и временной множитель ехр^iωt, можно записать

E(z,t)=E₀(z)e^i(ωt-βoz) (4.3)

Функция E₀(z) — периодическая, L — ее период. Разложение E₀(z) в ряд Фурье дает

(4.4)

где

Подставляя (4.4) в (4.3), получим

(4.5)

Распределение поля в системе представлено в виде суммы бесконечного числа бегущих волн с амплитудами a_m(x,у) и постоянными распространения

(4.6)

Эти волны называются пространственными гармониками. Их совокупность удовлетворяет периодическим граничным условиям. Решение в виде одной пространственной гармоники не может удовлетворить граничным условиям. Все гармоники изменяются с одной и той же частотой. Каждой пространственной гармонике соответствует своя фазовая скорость, которая определяется соотношением

(4.7)

Групповая скорость всех пространственных гармоник одинакова:

(4.8)

Зависимость фазовой скорости (или коэффициента замедления) от частоты в свободном пространстве называется дисперсией замедляющей системы, а графики этих зависимостей — дисперсионными характеристиками или кривыми дисперсии. Каждой пространственной гармонике соответствует определенная ветвь дисперсионной характеристики.

Рис. 4.4

Волна (или пространств венная гармоника), у которой направления групповой и фазовой скоростей одинаковые, называется прямой волной, волна с противоположными направлениями скоростей — обратной волной.

В зависимости от знака производной d|v_фm|/dω дисперсия может быть нормальной (d|v_фm|/dω<0) и аномальной (d|v_фm|/dω >0). При увеличении частоты нормальная дисперсия характеризуется уменьшением абсолютного значения фазовой скорости, а аномальная — ростом. Для всех обратных гармоник дисперсия аномальная, прямые гармоники могут иметь как нормальную, так и аномальную дисперсию.

На рис 4.4. показана дисперсионная характеристика замедляющей системы. По оси абсцисс отложен фазовый сдвиг на один период замедляющей системы β_mL, определяемый (4.6), а по оси ординат—частотаω. Сплошные кривые относятся к гармоникам т=0, ±1, ±2. Нулевая гармоника (m=0) соответствует изменению угла от 0 до π. Эти пределы в соответствии с теорией фильтров определяют полосу пропускания, заключенную между ω₀ и ω_π. Сдвиг фазы для гармоники m=+1 по определению (4.6) на 2π больше, чем при т=0, поэтому кривая для т=+1 существует в пределах (23)π.Соответственно смещаются на 2π вправо кривые при каждом увеличении на единицу номера т. Переход от т=0 к т=-1 эквивалентен смещению кривой в область фазы от -π до -2π и т. д. Полоса пропускания для всех пространственных гармоник одинакова и равна полосе пропускания замедляющей системы.

Фазовая скорость гармоники с учетом (4.7) пропорциональна тангенсу угла наклона у прямой, проведенной через начало координат и точку дисперсионной кривой для выбранной частоты <0. Групповая скорость гармоники пропорциональна производной в данной точке, т. е. tg a. Очевидно, что на границах полосы пропускания групповая скорость гармоник равна нулю (экстремальные точки кривых). Групповая скорость всех пространственных гармоник при данной частоте ω одинакова и положительна. Для варианта замедляющей системы, дисперсионная характеристика которой приведена на рис. 4.4, наибольшая фазовая скорость у нулевой гармоники. С увеличением положительного номера т фазовая скорость уменьшается, фазовые скорости гармоник m= -1, -2 отрицательны (противоположны направлению групповой скорости) и также уменьшаются с ростом номера. В рассматриваемом случае гармоники m=0, +1, +2 — прямые, а m= -1, -2 — обратные.

Используя дисперсионные кривые, можно выяснить зависимость фазовой скорости любой пространственной гармоники от частоты. В нашем примере прямая нулевая гармоника имеет нормальную дисперсию (фазовая скорость уменьшается с ростом частоты). Обратные гармоники (т= -1, -2) обладают аномальной дисперсией. Легко убедиться, что для прямой гармоники т=+2 вблизи границ пропускания дисперсия нормальная, а в остальной области аномальная.

Важной характеристикой замедляющей системы является сопротивление связи, которое характеризует эффективность взаимодействия электронного потока с полем в замедляющей системе. По определению сопротивление связи

(4.9)

Чем больше продольная составляющая напряженности электрического поля Е_zm в месте прохождения электронного пучка при данном потоке мощности Р в системе, тем больше сопротивление связи.

Если выразить поток мощности через запасенную энергию W на единицу длины системы и групповую скорость (P=v_гW), то сопротивление связи

(4.10)

Так как групповая скорость входит в выражение для сопротивления связи, то R_св тем больше, чем меньше крутизна tg a дисперсионной характеристики (см. рис. 4.4).

Изменяя скорость электронов v_e регулировкой ускоряющего напряжения, можно выполнить условия синхронизма для любой пространственной гармоники. Так как фазовая скорость нулевое пространственной гармоники наибольшая, то для взаимодействия с ней необходима наибольшая скорость электронов, что требует высокого ускоряющего напряжения. Для взаимодействия электронного потока с высшими гармониками замедляющей систем скорость электронов должна быть меньше и соответственно меньше будут ускоряющие напряжения. Однако взаимодействие с высшими пространственными гармониками для систем 1, 2, 6 рис. 4.3 получается неэффективным, поскольку они имеют малое сопротивление связи. Поэтому в приборах СВЧ используются в основном нулевая и плюс первая или минус первая гармоника. Прямые пространственные гармоники используются в ЛБВ, а обратные — в ЛОВ. Дисперсионная характеристика замедляющей системы определяют ширину полосы частот усилителя и диапазон электронной перестройки генератора.

Строгий метод расчета замедляющих систем основывается на решении уравнений Максвелла с учетом конкретных граничных условий. Однако сложность конфигурации большинства замедляющих систем затрудняет решение этой задачи. Часто применяются различные приближенные методы, среди которых широко распространен метод эквивалентных схем. Замедляющая система представляется эквивалентной схемой в виде цепочки ячеек фильтра с сосредоточенными постоянными. Этот метод позволяет оценить ширину полосы пропускания, а также качественно определить влияние отдельных элементов замедляющей системы на характеристики.

4.3. Элементы линейной теории ЛБВ

Обычно ЛБВ используются для усиления слабого сигнала. В этом случае приближенный анализ процесса взаимодействия электронного потока с полем бегущей волны возможен на основе линейной теории ЛБВ. При этом предполагается, что все переменные составляющие величин, характеризующих электронный ток, много меньше их постоянных составляющих.

Задачу взаимодействия электронного потока с полем бегущей волны рассматривают в три этапа. Сначала анализируется вопрос о возбуждении сгруппированным электронным потоком волн в замедляющей системе, которая заменена эквивалентной длинной линией с распределенными постоянными. Затем рассматривается процесс группирования электронов под действием бегуну волны в замедляющей системе. Полученные на предыдущих этапах уравнения решаются совместно, в результате чего находит так называемое дисперсионное уравнение ЛБВ [З]. Опуская математические выкладки, запишем это уравнение

(4.11)

Г₀ — постоянная распространения волн в замедляющей системе без электронного потока (холодная система); Г — постоянная распространения волн в замедляющей системе с электронным потоком (горячая система), β_е=ω/v_e.

Выражение (4.11) является уравнением четвертой степени относительно Г. Его решение определяет постоянные распространения для четырех волн в рассматриваемой системе. Из этих волн интерес представляют те, которые распространяются в направлении электронного пучка и имеют скорость, близкую к скорости электронов.

Предположим, что скорость электронов сделана равной скорости волны в линии без электронного потока, т. е. в (4.11)

Г₀=iβ_e. (4.12)

Рассмотрим волны, скорость, которых близка к скорости электронов. В этом случае можно считать, что постоянная распространения Г отличается от β_е на небольшую величину ξ. Тогда

Г=Г₀ - ξ. (4.13)

Подставив (4.12) и (4.13) в (4.11), получаем

(4.14)

Если ξ<<β_e, то в числителе можно пренебречь членами, содержащими β_eξ и ξ² по сравнению с β²_e, а в знаменателе по сравнению с ξ². В результате получаем

(4.15)

Обозначим

(4.16)

и введем новую переменную . Тогда (4.15) примет вид

(4.17)

Это уравнение имеет три корня, соответствующие трем волнам, распространяющимся в направлении движения электронного потока и имеющим одинаковую структуру поля, но обладающим различными постоянными распространения. Корни уравнения:

Четвертая волна не учитывается в (4.17), поскольку сделанные выше предположения справедливы только для первых трех волн, имеющих скорость, близкую к скорости электронов. Четвертая волна имеет постоянную распространения Г= -iβ_e(1 – C³/4).

Так как обычно C=0,01—0,1, то, следовательно, С³ очень мало. Таким образом, постоянная распространения четвертой волны в отсутствие электронов и при их наличии практически одинакова. Четвертая волна распространяется в обратном направлении (от коллектора к катоду), и ее постоянная распространения равна постоянной распространения в замедляющей системе без учета влияния электронного потока.

Решение (4.11) получено в предположении (4.12). Такое допущение не учитывает дисперсии замедляющей системы. Более строгий анализ процессов взаимодействия электронов с полем бегущей волны позволяет определить допустимое различие скоростей электронов и волны, при котором еще возможно усиление лампы. Это различие приближенно можно оценить по формуле [3,5]

|v_ф – v_е| ≈ v_еC.

Таким образом рабочая полоса частот ЛБВ тем шире, чем больше параметр С и чем меньше зависит от частоты фазовая скорость электромагнитной волны в замедляющей системе (чем слабее дисперсия).

Три волны изменяются с расстоянием по закону

(4.18)

Подставляя полученные три значения δ в (4.18), можно убедится, что для первых двух волн постоянная распространения буде комплексной величиной. Это значит, что амплитуды данных волн будут изменяться вдоль замедляющей системы. Первая волна является нарастающей, фазовая скорость ее немного ниже скорости электронов. Амплитуда второй волны уменьшается, и она распространяется также несколько медленнее электронов. Третья волна — незатухающая, и распространяется быстрее электронов. Таким образом, наибольший интерес для усиления волн в ЛБВ представляет первая волна, амплитуда которой и, cлeдовательно, переносимая ею мощность экспоненциально возрастают вдоль замедляющей системы.

4.4. Параметры и характеристики ЛБВ

Коэффициент усиления. Можно доказать, что энергия на входе лампы равномерно распределяется между тремя волнами. Следовательно, амплитуда каждой волны равна Е_(z=o)/3. Тогда напряженность электрического поля в конце замедляющей системы для нарастающей волны

Постоянная распространения в системе без электронного потока для пространственной гармоники с длиной волны Λ: Г₀=2π/Λ,

поэтому с учетом (4.12)

где N=l/Λ — электрическая длина замедляющей системы.Используя величину β_el ,получим

(4.19)

Зная амплитуды волн в начале и в конце замедляющей системы, можно определить коэффициент усиления ЛБВ по напряжению в децибелах

(4.20)

Значение K=9,54 дБ — это начальные потери, обусловленные тем, что амплитуда входного сигнала ЛБВ распределяется поровну между тремя волнами, т. e. напряженность поля нарастающей волны на входе ЛБВ в 3 раза меньше напряженности входного сигнала.

Формула (4.20) широко используется при расчетах ЛБВ для линейного режима (малого сигнала). Параметр С называется параметром усиления. Согласно (4.16) параметр С увеличивается при увеличении сопротивления связи замедляющей системы. Коэффициент усиления ЛБВ прямо пропорционален параметру усиления и электрической длине лампы, определяемой N.

Существуют пределы, ограничивающие рост коэффициента усиления. При большой длине ЛБВ линейная теория, из которой получена формула (4.20), оказывается несправедливой на конечном участке ЛБВ. Кроме того, существует опасность самовозбуждения вследствие возможного отражения сигнала от нагрузки. Для борьбы с самовозбуждением применяют поглотитель (элемент 6 на рис. 4.2), ослабляющий отраженную волну.

Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВ обычно 25—40 дБ, т. e. несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов. В маломощных ЛБВ коэффициент усиления выше и может достигать 60 дБ.

Рис. 4.5

Амплитудная характеристика. Типичная зависимость выходной мощности и. коэффициента усиления от уровня входной мощности приведена на рис. 4.5. Начальный участок характеристик линеен. С увеличением входной мощности наступает насыщение, вызванное смещением сгустка в область нулевого поля волны вследствие торможения электронов при взаимодействии с волной. Коэффициент усиления ЛБВ имеет наибольшее значение Па линейном участке характеристики, а электронный КПД — в максимуме амплитудной характеристики. Поэтому при работе ЛБВ в качестве входного усилителя, когда важен высокий коэффициент усиления, используют линейный участок амплитудной характеристики. В мощных выходных усилителях передатчик ЛБВ работают в режиме максимального КПД.

Коэффициент полезного действия. Для определения максимального значения электронного КПД необходимо рассматривать работу ЛБВ в нелинейном режиме и учесть влияние пространств венного заряда. Кулоновские силы расталкивания, препятствуй группированию электронов, вызывают уменьшение коэффициента усиления и электронного КПД. Существует оптимальный режим при котором электронный КПД имеет максимальное значение η_{э max}. При не очень больших параметрах усиления (С<0,1)

η_{э max}=(2÷3)С. (4.21)

Параметр С определяет не только коэффициент усиления лампы (4.20), но и максимальный КПД. Следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать С (4.16), т. е. повышать сопротивление связи замедляющей системы и увеличивать отношение I₀/U₀. Реальный КПД мощных ЛБВ меньше, чем у мощных многорезонаторных клистронов, и составляет примерно 25 – 30%.

Один из известных методов повышения КПД заключается, использовании замедляющих систем с переменным коэффициентом замедления (4.2) для сохранения синхронизма между скоростью электронов и фазовой скоростью электромагнитной волны. Дело в том, что электроны, отдавая энергию волне, постепенно замедляют свое движение и электронный сгусток смещается в область ускоряющей полуволны поля. Тем самым нарушается первоначальное условие синхронизма. Поэтому замедляющую систему конструируют так, чтобы было некоторое увеличение коэффициента замедления к выходному концу лампы. При спиральной замедляющей системе это достигается плавным уменьшением шага спирали. Такие ЛБВ называются изохронными.

Эффективен и широко распространен метод повышения КПД с помощью торможения электронов после замедляющей системы. При этом понижается потенциал коллектора по сравнению с потенциалом замедляющей системы. Пучок электронов после прохождения замедляющей системы поступает на коллектор, где рассеивается оставшаяся кинетическая энергия. Так как в ЛБВ весь ток пучка идет в цепи коллектора, потенциал которого обычно равен потенциалу замедляющей системы, то от источника питания коллектора потребляется мощность P₀=I₀U₀. Если теперь потенциал замедляющей системы остался неизменным, а потенциал коллектора уменьшился, то выходная мощность ЛБВ останется прежней, а мощность, потребляемая от источника питания коллектора, снизится, что означает повышение КПД. Физически это объясняется тем, что электроны тормозятся в пространстве между замедляющей системой и коллектором и рассеивают на коллекторе меньшую кинетическую энергию. Торможение означает переход некоторой части кинетической энергии в энергию электростатического поля и возврат (рекуперация) энергии в источник питания.

Поскольку в пучке присутствуют электроны с различными энергиями, увеличение КПД достигается наиболее эффективно в секционированных коллекторах, в которых на секции подаются различные потенциалы. Степень допустимого понижения напряжения на коллекторе определяется распределением электронов по скоростям и ограничивается возможностью возникновения обратной связи за счет обратных электронов, летящих с коллектора, которые вызывают нагрев замедляющей системы.

Частотная характеристика ЛБВ — зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты при фиксированной входной мощности. Такая характеристика приведена на рис. 4.6. По ней можно определить ширину рабочей полосы частот ЛБВ, которая составляет от нескольких десятков до сотни процентов средней частоты диапазона. Широкополосность — особенно ценное свойство ЛБВ.

Рис. 4.6

Фазовые характеристики ЛБВ определяют зависимость разности фаз колебаний на входе и выходе от различных причин: частоты усиливаемых колебаний, изменения ускоряющего напряжения, тока пучка и т. д. Фазовые характеристики необходимы для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых ЛБВ.

Широкое применение ЛБВ в системах связи налагает определенные требования к характеристикам этих приборов. Это, прежде всего требование минимальных нелинейных искажений усиливаемых сигналов. В системах связи необходимо одновременно усиливать несколько сигналов с близкими частотами, поэтому в ЛБВ, как и в любом нелинейном элементе, возникают следующие искажения: изменение фазы сигнала на выходе в зависимости от уровня входного сигнала, появление в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, кратными частотам усиливаемых сигналов, а также сигналов на суммарной частоте, появление комбинационных составляющих вида mf₁±nf₂. Степень зависимости фазы выходного сигнала от уровня входного сигнала называется коэффициентом преобразования амплитудной модуляции в фазовую и определяется в градусах на децибел.

При усилении многочастотного сигнала в ЛБВ наиболее существенны комбинационные составляющие, которые вызывают искажение полезной информации в соседних каналах связи. Теоретически и экспериментально показано, что формированием входного сигнала специальной формы можно существенно уменьшить уровень комбинационных составляющих третьего порядка на выходе. Оптимальным будет входной сигнал, содержащий составляющие удвоенной частоты усиливаемых сигналов.

Шумовые характеристики. Одной из важных характеристик маломощных ЛБВ является уровень собственных шумов, который определяет минимальный сигнал, подлежащий усилению.

Наиболее существенны собственные шумы электронного потока. Эмиссия с катода вызывает шумы в виде случайных изменений плотности конвекционного тока и скоростей электронов (дробовой эффект). Уровень шумов зависит от конструкции электронной пушки и режима ее работы. Шумы электронного потока, уменьшают, создавая определенные изменения потенциала между катодом и началом замедляющей системы, для чего применяют электронные пушки специальной многоанодной конструкции.

Другим источником шумов ЛБВ является шум, который возникает из-за оседания части электронов пучка на электродах пушки и на замедляющей системе. Влияние токораспределения на уровень шумов можно уменьшить хорошей фокусировкой пучка обеспечивающей практически прямолинейные траектории электронов. Возникновение собственных шумов в ЛБВ связано также тепловыми шумами замедляющей системы. Их мощность пропорциональна абсолютной температуре. Поэтому для снижения ypoвня шума наряду с улучшением шумовых свойств электронной пушки необходимо охлаждать ЛБВ, например, до температуря жидкого азота. Коэффициент шума современных промышленных ЛБВ 6—8 дБ на частоте 3 ГГц. Минимальный коэффициент шума, достижимый в настоящее время для ЛБВ, выше, чем у мазеров или полупроводниковых усилителей. Транзисторные усилители вытесняют малошумящие ЛБВ вплоть до частоты 12 ГГц с перспективой вытеснения до 18 ГГц. В этих условиях конкуренции идет совершенствование малошумящих ЛБВ с целью дальнейшего снижения массы при условии повышения выходной мощности и полосы пропускания на более высоких частотах. Разрабатывают малогабаритные малошумящие ЛБВ частотой до 40—60 ГГц, коэффициентом шума менее 18 дБ, усилением 35 дБ и выходной мощностью в режиме насыщения 20 мВт.

4.5. Особенности устройства и применения ЛБВ

Лампы бегущей волны в зависимости от уровня выходной мощности в режиме насыщения, как и другие электровакуумные приборы, подразделяются на следующие классы: маломощные (доли милливатта — 1 Вт), средней мощности (1—100 Вт), большой мощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кBт). По режиму работы ЛБВ бывают импульсного и непрерывного действия. Для фокусировки электронного потока в первых разработанных ЛБВ применяли соленоиды, которые обычно громоздки и имеют большую массу. Существенно уменьшить габариты и массу ЛБВ удалось путем применения периодической фокусировки электронных потоков с использованием как электростатических, так и магнитных линз. Лампы с периодической магнитной фокусировкой называются пакетированными. В настоящее время для периодической магнитной фокусировки в ЛБВ (так же, как и для многорезонаторных клистронов) применяются магниты из самарий-кобальтового сплава, обладающего высокой коэрцитивной силой, которые имеют малые размеры.

В широкополосных ЛБВ малой и средней мощностей применяются спиральные замедляющие системы, характеризующиеся широкой полосой пропускания. Трудности теплоотвода от спирали сдерживают применение этой замедляющей системы для более мощных приборов. В настоящее время в ЛБВ со спиральной замедляющей системой достигнут уровень выходной мощности в непрерывном режиме примерно 1 кВт в диапазоне 5—10 ГГц. Однако работы по улучшению теплоотвода продолжаются, и в будущем возможно увеличение уровня выходной мощности.

В мощных ЛБВ в качестве замедляющих систем применяются цепочки связанных резонаторов (см. 6, 7 рис. 4.3). Полоса пропускания в таких ЛБВ меньше, но уровень мощности в непрерывном режиме достигает 15 кВт на частоте 10 ГГц.

Маломощные ЛБВ применяются для усиления входных сигналов в различных приемниках СВЧ, в частности во входных усилителях ретрансляционных станций радиорелейных линий связи. Как правило, такие ЛБВ являются малошумящими.

Средней мощности ЛБВ используются в качестве промежуточных усилителей, а также в качестве выходных усилителей мощности в маломощных передатчиках. На рис. 4.7 приведены ЛБВ средней мощности: 1 — УВ-7 вместе с фокусирующей системой в виде соленоида; 2 — УВ-229 без соленоида, 3 — ЛБВ с периодической фокусирующей системой из постоянных магнитов.

Рис. 4.7

Для ЛБВ средней мощности, используемых в системах связи, проводятся исследования по увеличению КПД и уменьшению нелинейных искажений. Эти две проблемы противоречивы. В радиорелейных линиях связи проблема повышения КПД не столь остра, как для ЛБВ, используемых в космосе, где для повышения КПД приходится мириться с увеличением нелинейных искажений. Коэффициент преобразования АМ/ФМ в космических ЛБВ обычно 4,5 — 6 град/дБ, в то время как для радиорелейных систем 1,5 — 4 град/дБ.

Приведем параметры ЛБВ средней мощности для систем космической связи ТН3525 (Франция), в которой успешно решены обе проблемы. Полоса пропускания этой ЛБВ 0,75 ГГц, а выходная мощность 20 Вт. Неравномерность частотной характеристики в полосе частот 125 МГц составляет ±0,2 дБ. Комбинационные составляющие третьего порядка при одинаковых уровнях двух несущих в режиме насыщения 11 дБ, коэффициент преобразования АМ/ФМ в односигнальном режиме не более 6 град/дБ, а в двухсигнальном — менее 4,5 град/дБ. Фазовый сдвиг при переходе от линейного режима к режиму насыщения 36°, а изменение времени задержки 0,5 нс. Общий уровень гармоник в режиме насыщения 15 дБ. В ЛБВ ТН3525 применена трехсекционная замедляющая система: первые две секции с постоянными, но различными для каждой секции шагом спирали, третья — с постоянно уменьшающимся шагом. Для повышения КПД применено понижение напряжения коллектора (рекуперация энергии). Общий КПД 40%.

Крупным техническим достижением в области космической связи стало так же создание ЛБВ средней мощности TL 12024 (ФРГ) с рекордным комплексом параметров: КПД 46% при выходной мощности 20 Вт, коэффициент преобразования 2,5 град/дБ, масса 0,65 кг, долговечность 500 тыс. ч.

Мощные и сверхмощные ЛБВ применяются в передатчиках радиолокационных станций различного назначения, в наземных станциях систем космической связи и т. д. Для мощных ЛБВ основное внимание уделяют получению максимально возможного КПД и выходной мощности.

Существующие ЛБВ перекрывают диапазон 0,5—100 ГГц. В последние годы (1978—1980 гг.) разработано много ЛБВ для систем космической связи на частотах выше 10 ГГц. Это ЛБВ средней мощности для спутников и мощные ЛБВ для наземных систем. В то же время промышленность почти прекратила выпуск малошумящих ЛБВ на частотах до 8 ГГц в связи с большими успехами в разработке малошумящих транзисторных усилителей и сократила производство некоторых мощных ЛБВ непрерывного действия в дециметровом диапазоне. Проводятся перспективные разработки ЛБВ для спутников в диапазонах частот 40 и 80 ГГц. Продолжаются работы по уменьшению габаритов и массы ЛБВ средней мощности. Созданы ЛБВ непрерывного действия с полосой частот в две октавы при выходной мощности 1 Вт и импульсные ЛБВ с полосой частот более октавы при выходной мощности 1 кВт и около октавы при 15 кВт.

Развитие систем радиопротиводействия вызвало необходимость разработок двухрежимных ЛБВ, которые в зависимости от режима питающих напряжений могут обеспечить попеременно импульсный или непрерывный режим работы. Применение таких ЛБВ приводит к существенному уменьшению массы и габаритов бортовой аппаратуры. Эти ЛБВ сложнее однорежимных, поэтому трудно получить хорошие КПД и высокое отношение импульсной мощности к непрерывной, которое составляет примерно 2,5 в диапазоне 6 — 15 ГГц и достигает 4 — 6 на частотах ниже 6 ГГц.

Одним из перспективных направлений развития ЛБВ является разработка ламп, замедляющая система которых и некоторые другие элементы выполняются путем напыления металлов на керамические платы. В будущем предполагается полный переход от объемных на планарные печатные элементы, которые изготавливаются технологическим процессом, аналогичным принятым в микроэлектронике для интегральных схем. Пленочная технология -обеспечивает высокую точность изготовления мелкоструктурных замедляющих систем с жесткими допусками, а также сложных замедляющих систем, которые трудно выполнить обычными методами.

Миниатюрные ЛБВ на печатных элементах характеризуются малыми размерами, низкой стоимостью и хорошей повторяемостью параметров от лампы к лампе. Это делает их перспективными для применения в фазированных антенных решетках, где вопросы стоимости и идентичности параметров ламп выступают на первое место. Параметры зарубежных приборов лежат в пределах: диапазон частот 3 — 6 ГГц, выходная мощность в непрерывном режиме 20 — 200 Вт, в импульсном — 200—2000 Вт, усиление 13 — 20 дБ, КПД 20 — 30%. Разрабатываются ЛБВ как для непрерывного, так и для импульсного режимов работы.

4.6. Лампа обратной волны

Устройство лампы обратной волны (ЛОВ) показано схематически на рис. 4.8, где 1 —электронная пушка, 2 —вывод энергии, 3 —замедляющая система, 4 —поглотитель, 5 —коллектор, 6 —фокусирующая система. В ней используется магнитная фокусировка электронного потока. В отличие от ЛБВ, электронный поток взаимодействует с одной из обратных пространственных гармоник бегущей волны, которая, как известно из § 4.2, характеризуется тем, что ее фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления.

Рис. 4.8

Так как сопротивление связи пространственных гармоник резко уменьшается с увеличением номера гармоники, то в ЛОВ используются обычно такие замедляющие системы, в которых обратная пространственная гармоника является основной гармоникой либо минус первой. Пусть в ЛОВ электронный поток взаимодействует с полем первой обратной пространственной гармоники, фазовая скорость которой совпадает с направлением движения электронов и из (4.6) и равна . Для эффективного взаимодействия, так же как и в ЛБВ, скорость электронного потока v_e должна немного превышать скорость волны v_ф(-1). Будем считать v_e ≈ v_ф(-1).

Электроны группируются в сгустки, которые расположены в области тормозящего поля, и отдают при торможении часть кинетической энергии электромагнитной волне. При этом энергия в замедляющей системе в соответствии с направлением групповой скорости распространяется навстречу электронному потоку, т. е. от коллектора к пушке. Поэтому в ЛОВ вывод энергии необходимо располагать возле электронной пушки. Поглотитель в ЛОВ необходим для предотвращения возбуждения на прямой гармонике, а также для устранения влияния отражений от нагрузки. Если ЛОВ на выходе плохо согласована с нагрузкой, то отраженная волна возвращается в пространство взаимодействия и двигается к коллектору взаимодействия с электронным потоком, так как не выполняется условие синхронизма. Затем она отражается от конца замедляющей системы у коллектора (если там нет поглотителя) двигается к выходу ЛОВ и взаимодействует с электронным потоком. На выходе суммируются мощности основной волны и отраженной. Если фазы этих волн совпадают, то выходная мощность возрастает, если противоположны — то уменьшается. Поэтому при отсутствии поглотителя наблюдаются колебания выходной мощности в рабочем диапазоне частот.

Распространение энергии в направлении, обратном направлению движения электронного потока, создает внутреннюю положительную обратную связь между полем волны и потоком электронов. Эта связь распределена во всем пространстве взаимодействия. Часть энергии волны возвращается электронному потоку, что способствует дальнейшему группированию потока и возникновению автоколебательного режима.

Частоту колебаний автоколебательной системы с внешней цепью обратной связи обычно находят из условия баланса фаз, т.е. из условия, что суммарный сдвиг фазы в замкнутом контуре, определяющем усиление и обратную связь, кратен 2π. Такой подход не возможен в ЛОВ с распределенной обратной связью, так как в ней много петель обратной связи, и обратная связь осуществляется на любом элементе длины замедляющей системы. Поэтому фазовое условие самовозбуждения колебаний свяжем с условием наилучшей передачи энергии от электронного потока СВЧ полю. Это условие состоит в том, что образовавшийся сгусток электронов не должен выходить из тормозящего поля электромагнитной волны. Другими словами, необходимо, чтобы относительный сдвиг фаз ∆φ волны и сгустка не превышал π т. е.

(4.22)

где определяет сдвиг фаз, создаваемый волной обратно пространственной гармоники, a — электронным потоком.

Очевидно, что в общем случае ∆φ может быть равно нечетному числу π:

(4.23)

Число n называют порядком колебаний в ЛОВ или номером зоны колебаний. Например, для зоны n = 1, ∆φ=3π, поэтому 2/3 пути электронные сгустки проходят в тормозящем, а 1/3 — в ускоряющем полях, отбирая на этом участке энергию от поля волны.

В связи с этим результирующая энергия, передаваемая от электронного потока полю, становится меньше, чем в зоне n = 0, которую обычно называют основной. Если путем изменения ускоряющего напряжения U₀ изменить скорость движения электронов v_e, то (4.23) будет выполняться уже для другого значения фазовой скорости v_ф(-1) обратной пространственной гармоники. Например, с увеличением U₀ скорость электронов v_e возрастает и для выполнения (4.23) необходимо увеличение v_ф(-1). Так как дисперсия фазовой скорости обратных пространственных гармоник аномальная, то фазовая скорость v_ф(-1) возрастает при увеличении частоты. Таким образом, увеличение U₀ приводит к увеличению частоты генерируемых колебаний. Этим и объясняется электронная перестройка частоты генерируемых колебаний.

Генерация колебаний в ЛОВ начинается при определенном минимальном значении анодного тока, который называется пусковым. При этом мощность возбуждаемых колебаний в ЛОВ превышает потери мощности в замедляющей системе (условие баланса амплитуд). Пусковой ток, требуемый для начала самовозбуждения, увеличивается с ростом номера n.

В [13] получены приближенные формулы для определения пускового тока ЛОВ и электронного КПД: I_п ≈ 0,124U₀/R_свN³; η_э ≈ 0,84C.

Пусковой ток уменьшается с увеличением сопротивления связи R_св замедляющей системы, а также с увеличением электрической длины замедляющей системы. Параметр усиления С в ЛОВ мал, поэтому электронный КПД составляет примерно несколько процентов. На рис. 4.9 приведена зависимость КПД ЛОВ от отношения рабочего тока I₀ к пусковому. По оси ординат отложено отношение нормированного значения КПД к параметру С. Данная зависимость получена в результате решения уравнений нелинейной теории ЛОВ.

Рис. 4.9

Рис. 4.10

При увеличении рабочего тока увеличиваются входная мощность и соответственно КПД.

Максимальное значение КПД получается при отношении I₀/I_п=3÷5. Затем при увеличении рабочего тока КПД и выходная мощность уменьшаются.

Важной характеристикой ЛОВ является зависимость выходной Мощности и частоты генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения (рис. 4.10). С увеличением ускоряющего напряжения частота генерируемых колебаний увеличивается, т. е. имеет место электронная перестройка частоты генерируемых колебаний. Частотная характеристика ЛОВ является нелинейной. Закон изменения частоты обусловлен дисперсией замедляющей системы. Ширина рабочего диапазона электронной перестройки частоты генератора на ЛОВ определяется характеристиками замедляющей системы и допустимыми пределами изменения выходной мощности. При коаксиальном выводе энергии ЛОВ имеют коэффициент перекрытия диапазона δ_п ≈ 2, а с волноводным выводом — δ_п ≈ 1,5÷1,6.

Для характеристики зависимости частоты от напряжения удобно пользоваться понятием крутизны электронной перестройки частоты: S=df/dU₀. Для ЛОВ сантиметрового диапазона крутизна —- не больше нескольких мегагерц на вольт, а для миллиметрового — десятки мегагерц на вольт.

Рассмотрим теперь зависимость выходной мощности от ускоряющего напряжения. Сначала Р_вых растет, так как увеличивается подводимая в ЛОВ мощность постоянного тока P₀=I₀U₀, а затем в связи с увеличением I_п рост Р_вых замедляется, возможно наступление насыщения и даже спада. Кривая выходной мощности весьма изрезана вследствие отражений от поглотителя и недостаточного согласования замедляющей системы с выходным волноводом.

Лампа обратной волны может быть использована также как усилитель. В этом случае рабочий ток лампы должен быть меньше пускового. Процесс усиления в ЛОВ аналогичен процессу усиления в ЛБВ, только сигналы усиливаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Поэтому вход лампы расположен возле коллектора, а выход, как и в генераторе, — около электронной пушки. Такой усилитель является регенеративным. Кривая усиления имеет вид узкой резонансной кривой, центр которой определяется условием синхронизма. При изменении ускоряющего напряжения условие синхронизма будет выполняться для другой частоты, и кривая усиления смещается по оси частот. Такое свойство усилительной ЛОВ позволяет использовать ее в качестве селективного усилителя с высокой избирательностью по частоте и электронной перестройкой резонансной частоты в широких пределах. Однако усилительные ЛОВ применяются мало.

Лампы обратной волны применяются в качестве гетеродинов радиолокационных и связных приемников, в задающих генератоpaх передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ системах передачи данных, в свипгенераторах измерительной аппаратуры. Разработаны ЛОВ для диапазона часто от 0,5 до 870 ГГц. Основное достоинство ЛОВ, как уже было сказано, заключается в возможности электронной перестройки частот ты в широкой полосе. Однако ев последние годы в связи с крупными достижениями в области полупроводниковых приборов СВЧ начался процесс замены ЛОВ во вновь разрабатываемой аппаратуре на частотах до 10—12 ГГц на полупроводниковые генератору СВЧ. На более высоких частотах вместо ЛОВ все чаще используются генераторы на диодах Ганна. Полупроводниковые генераторы на диодах Ганна уже имеют предельную частоту 94 ГГц, а на ЛПД — 110 ГГц. Проводятся также, разработки этих приборов для более высоких частот.

В настоящее время выпускаются ЛОВ в основном для замены вышедших из строя в уже существующей аппаратуре. Максимальная выходная мощность ЛОВ составляет 100 Вт на частоте 30 ГГц, 1 Вт на частоте 70 ГГц и 10 мВт на частоте 400 ГГц. Новые типы ЛОВ разрабатываются только в субмиллиметровом диапазоне. Так, недавно закончилась разработка ЛОВ в полосе частот 340— 400 ГГц с выходной мощностью, превышающей 10 мВт, рабочее напряжение изменяется от 4 до 8 кВ. Эта ЛОВ предназначена для применения в космической аппаратуре. В приборе использован магнит из сплава самарий-кобальт, масса прибора 10 кг.

Контрольные вопросы.

1. Объясните принцип длительного взаимодействия электронного потока с волной.
2. При каком соотношении скорости электронов и фазовой скорости возможен отбор энергии у электронного потока?
3. Что такое дисперсия. Перечислите основные виды дисперсии?
4. Что такое пространственные гармоники? Какими параметрами они отличаются?
5. Объяснить схематическое устройство и принцип действия ЛБВ.
6. Объяснить назначение и работу основных узлов ЛБВ (электронной пушки, замедляющей системы, фокусирующей системы, коллектора, поглотителя СВЧ энергии).
7. Каким образом устраняется самовозбуждение ЛБВ?
8. Объясните зависимость Р_ВЫХ от тока луча, ускоряющего напряжения.
9. От каких факторов зависит рабочая полоса частот усилительной ЛБВ?
10. Объясните амплитудную и амплитудно-частотную характеристики ЛБВ.
11. Какие методы используются для повышения КПД?
12. Каковы причины шумов ЛБВ? Какие меры предпринимаются для ослабления шумов?
13. Перечислите преимущества и недостатки фокусирующих систем различного типа.