Устройство и принцип работы лампы бегущей волны

Лампой бегущей волны (ЛБВ) называют электронный прибор СВЧ диапазона, в котором используется длительное взаимодействие сгруппированного потока электронов, движущихся в продольных электрическом и магнитном полях, с прямой гармоникой сигнала (бегущей волной), распространяющейся вдоль замедляющей системы.

Устройство ЛБВ показано на рисунке 2.26.

Рис. 2.26. Устройство ЛБВ.

1 - катод с накалом; 7 - замедляющая система;

2 - управляющий электрод; 8 - поглотитель;

3 - первый анод; 9 - выходное устройство;

4 - второй анод; 10 -коллектор;

5 - входное устройство; 11 - поршни;

6 - цилиндрические антенны; 12 - фокусирующее устройство.

Основными элементами ЛБВ являются:

а) Электронная пушка, в которую входят катод с накалом, управляющий электрод, первый и второй аноды, обеспечивает предварительную электростатическую фокусировку электронного луча. Управляющий электрод и аноды часто выполняются в виде дисков с отверстием или в форме цилиндров. Управляющий электрод выполняет роль управляющей сетки и находится под нулевым или отрицательным потенциалом относительно катода. На аноды подается положительное напряжение для создания электростатических линз. От величины напряжений на этих электродах зависит ток луча.

б) Замедляющая система, в качестве которой в широкополосных ЛБВ используется, как правило, спираль. На замедляющую систему подается напряжение U_a2, обеспечивающее необходимую скорость электронов Vo, но может подаваться и напряжение u_k или напряжение с отдельного источника.

в) Коллектор, на нем рассеивается кинетическая энергия электронов после прохождения ими замедляющей системы. На коллектор подается положительное напряжение u_k относительно катода, которое по величине несколько больше или равно напряжению на замедляющей системе. В последнем случае замедляющая система соединяется с коллектором.

г) Входные и выходные устройства, служат для ввода входного СВЧ - сигнала в замедляющую систему и вывода из нее усиленного за счет взаимодействия с электронным потоком сигнала. Входное и выходное устройства могут быть волноводного или коаксиального типа. В случае устройств волноводного типа, как показано на данном рисунке, концы спирали плавно переходят в цилиндрические антенны. Для настройки входного и выходного устройств служат поршни. В зависимости от типа замедляющей системы могут быть и другие конструкции входного и выходного устройств.

д) Фокусирующее устройство выполняется в виде соленоида, питаемого постоянным током, или кольцевого магнита, создающих продольное постоянное магнитное поле для фокусировки электронов в узкий пучок.

е) Поглотитель, служит для уменьшения возможности самовозбуждения ЛБВ. Он представляет собой слой графита или другого поглощающего вещества, нанесенного на стержни, между которыми закреплена спираль.

Поглотитель расположен примерно посредине замедляющей системы.

Различают ЛБВ малой, средней и большой мощности. Лампы бегущей волны малой мощности применяются в качестве усилителей СВЧ в приемных устройствах, а ЛБВ средней и большой мощности в качестве промежуточных и выходных усилителей радиопередающих устройств РЛС. Выходная мощность ЛБВ может достигать нескольких мегаватт в импульсном режиме и нескольких киловатт в непрерывном. Полоса усиливаемых частот составляет 15 ¸ 30% от частоты сигнала.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) представляет собой удлиненный герметичный стеклянный баллон небольшого диаметра, в котором размещены его основные элементы.

В основе работы ЛБВ лежит длительное взаимодействие электронов луча с тормозящим полем бегущей вдоль замедляющей системы усиливаемой электромагнитной волны. В лампах этого типа движение электромагнитной энергии совпадает с направлением движения электронного потока.

Работа генераторов СВЧ бегущей волны также основана на динамическом методе управления. Для них остаются справедливыми все ранее рассмотренные процессы и условия, необходимые для эффективного преобразования энергии. Однако эти генераторы имеют свои специфические особенности, которые обуславливают появление новых важных свойств. Эти особенности, прежде всего, связаны с обеспечением условий эффективного взаимодействия электронного потока с полем бегущей волны распространяющейся вдоль замедляющей системы.

Учитывая то, что скорость электронов в луче, определяемая ускоряющим напряжением, обычно много меньше скорости света, то возникает необходимость обеспечить фазовую скорость волны в таких же пределах.

Выясним, что собой представляют замедляющие системы приборов СВЧ.

Линии, по которым могут распространяться волны с фазовой скоростью V_ф меньшей скорости света в свободном пространстве, принято называть замедляющими системами. Таким образом, замедляющая система предназначена для уменьшения фазовой скорости волны, распространяющейся в линиях передачи, применяемых в генераторах СВЧ бегущей волны. Замедляющие системы должны обеспечивать необходимый коэффициент замедления скорости волны и наличие в них продольной составляющей электрического СВЧ поля. Этим требованиям удовлетворяют следующие типы замедляющих систем (рис. 2.27):

а) Спираль б) Диафрагмированный волновод

в) Гребенка г) Система встречный штырь

Рис. 2.27. Замедляющие системы.

Конструктивно замедляющие системы могут быть линейными и кольцевыми.

Замедляющие системы характеризуются следующими основными параметрами:

- пространственным периодом или шагом h;

- коэффициентом замедления К_з=С/V_ф;

- сопротивлением связи R_св, характеризующим степень связи электронного потока с полем замедляющей системы;

- дисперсионной характеристикой или дисперсией системы (V_ф=j(w)). Замедляющие системы могут иметь три вида дисперсии: нулевую, нормальную, аномальную (рис. 2.28).

V_ф

Аномальная

Нулевая

Нормальная

0 w

Рис. 2.28. Дисперсионная характеристика замедляющей системы.

Характер дисперсии замедляющей системы определяет, в основном, частотные свойства генератора СВЧ, в котором он применяется (полосу усиления усилителей и пределы электронной перестройки частот автогенераторов).

Сущность процесса замедления рассмотрим на примере спирали (рис. 2.29).

Z 2а

h V_ф

Рис. 2.29. Сущность процесса замедления.

Волна, поступающая на вход спиральной линии, продолжает распространяться вдоль внутреннего проводника со скоростью примерно равной скорости света.

В результате взаимодействия полей соседних витков спирали бегущая волна превращается в продольно-электрическую волну, распространяющуюся вдоль оси спирали.

Тогда время, за которое волна пробегает один виток, равно отношению длинны витка к скорости света:

t=

где: а – радиус спирали;

h – шаг спирали.

В это время волна проходит вдоль оси Z путь равный h. Таким образом, фазовая скорость волны в направлении оси, равна:

V_ф=

Фазовая скорость, определяемая последним выражением, оказывается меньше скорости света, а отношение фазовой скорости к скорости света будет тем меньше, чем больше диаметр спирали и чем меньше ее шаг. Следовательно, спираль обладает свойствами линии задержки. Основным достоинством спиральной замедляющей системы является ее широкополосность.

Замедляющая система обладает следующими свойствами:

- она может быть возбуждена с любого конца и хорошо пропускает энергию в любом направлении;

- если на вход замедляющей системы поступает гармоническое колебание, то вдоль нее начинает распространяться сложная волна, изменяющаяся и во времени и в пространстве. При этом, изменение поля во времени носит гармонический характер, а в пространстве – периодический, но не гармонический характер.

Поскольку эффективное взаимодействие электронного потока с полем бегущей волны возможно лишь при условии V₀»V_ф, то, подбирая V₀ равной по величине и совпадающей по направлению с фазовой скоростью одной из гармоник, можно через нее передавать полю бегущей волны энергию и усиливать слабые первоначальные колебания в автогенераторах.

Рассмотрим процесс группирования электронов, который возникает в случае, если вдоль ЗС движется поток электронов со скоростью V₀, близкой к фазовой скорости бегущей волны V_ф0.

На рисунке 2.30а показано распределение продольной составляющей электрического поля Е_z бегущей волны вдоль ЗС для фиксированного времени t₁.

Рис. 2.30. Принцип группирования электронов.

Если электроны движутся в поле ЗС в положительном направлении оси Z, то для рассматриваемого момента времени положительные периоды поля Е_z являются для электронов тормозящими, а отрицательные – ускоряющими.

Если в момент времени t₁ поток электронов является однородным (электроны распределены равномерно вдоль оси Z), то под действием высокочастотного электрического поля Е_z через некоторое время, например, в момент времени t₂ > t₁, появляются сгустки электронов, т.е. электронный поток модулируется.

Положение движущихся электронных сгустков относительно бегущей волны электрического поля зависит от отношения скоростей V₀ и V_ф0.

В случае, когда V₀ = V_ф0, сгустки образуются там, где Е_z=0 (рис. 2.30б) и взаимодействия электронов с волной не будет.

При V₀ < V_ф0 (рис. 2.30в) сгустки образуются в области ускоряющей фазы электрического поля волны. В этом случае электроны сгустков отбирают энергию от бегущей волны и волна будет затухать.

При V₀ > V_ф0 (рис. 2.30г.) сгустки образуются в области тормозящей фазы электрического поля и большинство электронного потока отдает свою энергию полю бегущей волны и амплитуда ее нарастает. Скорость V₀ должна немного превышать фазовую скорость бегущей волны, иначе сгусток электронов выйдет из тормозящей фазы бегущей волны в ускоряющую и будет на некотором участке своего движения отбирать энергию у высокочастотного поля.

Сгустки электронов, сформированные примерно на первой трети длинны спирали, движутся вместе с волной в ее тормозящем поле. Энергия электронов отдается полю волны, амплитуда которой возрастает, что, в свою очередь, способствует лучшему группированию электронов в сгустки, а амплитуда поля волны вновь возрастает.

На участке замедляющей системы, где расположен поглотитель, высокочастотное поле значительно уменьшается, так как поглотитель вносит достаточно большое затухание (20 — 40дБ). Но после поглотителя сгруппированный поток снова наводит высокочастотное поле в замедляющей системе. В конце замедляющей системы амплитуда высокочастотных колебаний значительно больше амплитуды колебаний, подаваемых на вход ЛБВ. Таким образом, в ЛБВ достигается усиление входного СВЧ - сигнала. Усиленный СВЧ - сигнал с помощью выходного устройства передается в нагрузку. Электроны, пролетевшие замедляющую систему, попадают на коллектор и возвращаются к источнику питания. Попадая на коллектор, электроны рассеивают на нем в виде тепла остаток своей кинетической энергии.

Поскольку в ЛБВ электроны получают энергию от источника питания однократно, а в результате торможения полем их кинетическая энергия и скорость уменьшаются, то для обеспечения условия синхронизма в этих приборах необходимо правильно выбирать длину замедляющей системы (спирали) и степень превышения скорости потока электронов Vo над фазовой скоростью бегущей волны Vфо

Максимально допустимое превышение V₀ над V_ф0 зависит от величины управляющего напряжения, частоты ЭМ колебаний, распространяющихся в ЗС, длины и дисперсионных свойств ЗС и составляет обычно величину порядка единиц процентов от V_ф0.

Лампы бегущей волны обладают целым рядом достоинств по сравнению с другими приборами СВЧ диапазона: высокое значение коэффициента усиления, широкополосность (40%), низкий уровень собственных шумов (£15дб), возможность работы в импульсном и непрерывном режимах в широком интервале выходных мощностей.

Недостатками ЛБВ являются ее большой вес и большие габариты, обусловленные применяемой магнитной фокусировкой луча в лампе.

Вывод: 1.Работа генераторов СВЧ бегущей волны также основана на динамическом методе управления.

2.Физические процессы, обуславливающие передачу энергии от электронного потока полю бегущей волны через прямую, или обратную гармоники, одинаковы. Необходимо только, чтобы скорость электронного потока (Vo) была близка к фазовой скорости полезной пространственной гармоники (Vфо) и совпадала с ней по направлению.

3. ЛБВ нашли широкое применение в приемо-передающих трактах РЛС благодаря своим достоинствам: низкому уровню шумов, большему коэффициенту усиления, чем в клистронах, широкой полосой пропускания сигналов. Приборы СВЧ данного типа нашли широкое применение в качестве входных, выходных и промежуточных широкополосных усилителей и умножителей чистоты.

2. Устройство и принцип работы многорезонаторного магнетрона.

B передающих устройствах РЛС дециметрового и сантиметрового диапазонов применяются генераторы СВЧ большой мощности - магнетронные генераторы. Генерируемая выходная мощность этих устройств может достигать 1000 кВт и более.

Магнетрон - это мощный генератор СВЧ, в котором движение электронов происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Конструкции магнетронов бывают различные, но в радиолокационных устройствах применяются исключительно многорезонаторные магнетроны, создателями которых являются советские инженеры Алексеев Н.Ф. и Маляров Д.Е., а впервые идею такого прибора выдвинул советский инженер Рожанский в 1924 г.

Основными элементами магнетрона являются: катод, анодный блок с резонаторами и устройство вывода высокочастотной энергии.

Катод - подогревный, оксидный, имеет форму цилиндра и располагается по оси анодного блока. Обладает высокой удельной эмиссией, большой механической прочностью оксидного слоя, высокой электро и теплопроводностью поверхности. Это достигается специальной конструкцией катода. Выводы подогревателя и катоды имеют ВЧ дроссели в виде короткозамкнутых четвертьволновых отрезков коаксиальной линии, которые не пропускают ВЧ энергию в цепи канала.

Материал: вольфрам, тантал.

Анодный блок - массивный блок из электролитической меди, по окружности которого расположены объемные резонаторы. Резонаторы могут быть конструктивно выполнены в виде цилиндров, секторов и прямоугольных щелей. Число резонаторов от 6 до 40, причем всегда четное. Чем выше частота генерации, тем больше резонаторов и тем меньше их объем. Все четные и нечетные сегменты связаны между собой кольцами-связками, которые необходимы для получения противофазных колебаний в соседних резонаторах.

С торцов анодный блок закрыт крышками из диамагнитного материала. На анодном блоке расположены радиаторы, улучшающие его охлаждение (обычно воздушное, принудительное).

Пространство между катодом и анодом называется пространством взаимодействия. Здесь происходит обмен энергий между электронным потоком и СВЧ - полем.

Устройство вывода энергии зависит от длины волны и мощности магнетрона. В зависимости от рабочей длины волны применяются три типа устройства вывода: - коаксиальный (при l>10 см);

- коаксиально-волноводный (при 3 < l < 10 см);

- волноводный (при l < 3 см).

Коаксиальный вывод осуществляется с помощью коаксиальной линии, внутренний провод которой помещается в один из резонаторов и припаивается к анодному блоку.

Оптимальную связь с нагрузкой подбирают при изготовлении магнетрона путем выбора размеров петли связи и ее расположения в резонаторе.

В коаксиально-волноводном устройстве вывода кроме коаксиальной линии имеется отрезок волновода, к которому подключается внешний провод.

Возбуждение волновода производится выступающим в его полость внутренним проводом коаксиальной линии (возбуждение штырем).

Волноводное выходное устройство осуществляется с помощью щели, которая соединяет полость одного из резонаторов с полостью волновода.