Лампы обратной волны типа О

ЛОВО используются как для генерирования СВЧ-колебаний, так и в качестве регенеративных усилителей. Эти приборы наиболее широко применяются в диапазонах от дециметрового до субмиллиметрового включительно.

Генераторы на этих приборах отличаются большим диапазоном электронной настройки частоты. Схематическое устройство усилительной и генераторной ЛОВО показано на рис. 13.20, а и б соответственно. Катод К и управляющий электрод УЭ условно изображают электронную пушку. В ЛОВО обычно используются неоднородные замедляющие системы (на рисунке заштрихованы). Коллектор " Кол" выполняет те же функции, что и в ЛБВО. Поглотитель П обеспечивает необходимое распределение СВЧ-поля в ЗС.

Направление групповой скорости переноса энергии в ЛОВО в отличие от ЛБВО противоположно направлению скорости электронов о_е, а фазовая скорость обратной гармоники совпадает с вектором у_е. При выполнении условия синхронизма для обратной гармоники (и_е ~ у_ф) можно обеспечить ее взаимодействие с электронным потоком таким же образом, как в ЛБВО.

В усилительной ЛОВО сигнал подается от внешнего генератора со стороны коллекторного конца. В генераторной лампе в.

Рис. 13.20.

результате флуктуации электронного потока наводятся слабые колебания. Распространяющиеся по ЗС волны представляют сумму пространственных гармоник. В ЛОВО условие синхронизма выполняется, как правило, для первой обратной гармоники, что обеспечивается конструкцией ЗС, подбором ее параметров и изменением электрических режимов прибора. Взаимодействие электронов с полем обратной гармоники, возбужденной или внешним сигналом в усилителе, или же за счет флуктуации в генераторах, приводит к их группировке. Сгруппированные электроны, как и в ЛБВО, передают часть своей кинетической энергии СВЧ-полю. Использование электронного потока, движущегося навстречу потоку электромагнитной энергии, обеспечивает положительную обратную связь, без которой невозможна работа автогенератора. Условным входом генератора на ЛОВО, так же как и в усилителе, можно считать коллекторный конец ЗС; так как энергия переносится волной от коллектора к выходу, расположенному со стороны электронной пушки. Для обеспечения возбуждения необходимо выполнить условие баланса фаз, которое для ЛОВО записывается в следующем виде:

где п = 0, 1, 2, 3, и₀ — скорость электронного потока в отсутствие модуляции.

Первое слагаемое в этом выражении определяет изменение фазы волны при прохождении расстояния 1_У равного длине ЗС, второе слагаемое — изменение фазы за время движения электронов в ЗС. (Знак «минус* в обозначении в формуле.

(13.24) появляется из-за противоположного направления скоростей Уф и у₀.) Слагаемое я определяет оптимальные условия для передачи энергии от потока полю, когда образовавшийся сгусток электронов не выходит из тормозящего СВЧ-поля.

Первые два члена в выражении для баланса фаз, по сути дела, определяют относительный угол пролета <�р₀, и при п = 0 он будет равен я, т. е. это условие максимального отбора волной энергии от электронного потока, когда сгусток электронов на протяжении всего совместного движения находится в максимально тормозящем поле, усредненном по полупериоду волны.

При п = 1 относительный угол пролета равен Зя, т. е. электроны сгустка в течение двух полупериодов тормозятся и в течение одного — ускоряются или, иначе, при пролете одного пространственного периода (<�р₀ — 2я) усредненная за период энергия взаимодействия равна нулю, а в течение полупериода я электроны тормозятся. Для п — 2 относительный угол пролета равен <�р₀ = 5я и обмен энергией электронов и волны происходит на протяжении 2^х/₂ периодов волны. В течение двух полных периодов баланс энергии обмена равен нулю. Результатом является то, что опять на протяжении оставшегося полупериода происходит преобладающая передача энергии от электронов волне и т. д.

Величину п называют порядком или номером зоны колебаний в ЛОВО. Наибольшая выходная мощность получается в основной зоне при п = 0. Условие баланса фаз можно использовать для определения частоты генерируемых колебаний в различных зонах, если известна дисперсионная характеристика обратной пространственной гармоники. Частота, как следует из условия баланса фаз, в выбранной зоне зависит от и_е> а, следовательно,.

12е и от U_Qy так как и_е = J—U₀. Зависимости колебательной мощности Р_к = _ф1(С/о) ^и частоты со = Ф₂(^о) генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения при /_{ф к} = /_{ф к опт} = const представлены на рис. 13.21, а и б.

Скорость электронов и_еу взаимодействующих с обратной гармоникой электромагнитной СВЧ-волны, определяется ускоряю;

Рис. 13.21.

щим напряжением ?/₀, т. е. и_е = о • Замедляющие системы в ЛОВО обладают сильной дисперсией (зависимостью фазовой скорости электромагнитной волны от частоты). За счет флуктуаций плотности электронного потока, вызванных тепловым разбросом скоростей электронов, которые эмитированы катодом, в замедляющей системе наводится широкий спектр электромагнитных флуктуаций. Изменяя скорость электронного потока, добиваются оптимальных условий взаимодействия с обратными гармониками разных частот (и_е «о_ф<_₁₎). Увеличение скорости электронов соответствует взаимодействию с обратной гармоникой, имеющей большую фазовую скорость и, соответственно, большую частоту. Таким образом, увеличение и_о приводит к увеличению частоты генерируемых колебаний, и при снятии зависимости колебательной мощности от ускоряющего напряжения Р_к(и_о) происходит одновременное изменение частоты, т. е. Р_к = Р (0)).

При работе на низких частотах (малые значения и_о) длина замедленной волны А,₃ большая, и поэтому электронный поток разбивается на относительно малое число сгустков в пространстве взаимодействия (по длине спирали укладывается малое число длин волн, т. е. отношение N = невелико В силу этого из-за уменьшения расстояния, на котором сформированный сгусток взаимодействуете волной, ухудшаются условия передачи энергии от электронного потока волне, что усугубляется к тому же возрастанием объемного заряда в сгустках (из-за большого числа электронов в каждом сгустке). Последнее обстоятельство приводит к увеличению поперечной и продольной разгруппировок сгустков. Поэтому на низких частотах наблюдается «завал» характеристики Р_к(Г/₀).

При больших 17₀ (большие частоты) уменьшается сопротивление связи электронного потока с полем СВЧ-волны. В этом случае поле концентрируется в основном ближе к поверхности ЗС, и на границе электронного потока на более высоких частотах существует продольное электрическое СВЧ-поле меньшей напряженности, что и является причиной уменьшения мощности.

Рассмотрим баланс мощностей. Получаемая волной от электронного потока энергия должна быть больше энергии потерь (затухание в ЗС, потери согласования и т. д.), т. е. ее величина должна быть достаточной для поддержания процесса формирования электронных сгустков. Расчет генератора на ЛОВО показывает, что в режиме самовозбуждения ток электронного пучка должен превышать некоторую величину, называемую пусковым током. Величина пускового тока должна быть разной для возбуждения колебаний различных порядков, так как с увеличением п требуются большие величины 17₀у т. е. большие затраты подводимой от источника постоянного тока энергии при мало изменяемой величине полезной (а в действительности при уменьшении), передаваемой от потока волне. Таким образом, КПД генератора уменьшается при возрастании п.

Для возбуждения колебаний при п = 1 величина пускового тока должна быть в несколько раз больше, чем при п = О. Обычно в генераторах на ЛОВО реализуются режимы для п = 0. Для предотвращения самовозбуждения колебаний высших порядков длина ЗС выбирается равной / =.