Электровакуумные приборы магнетронного типа

 

 

                         

                                                Рис. 3   ЛБВ типа М

 

Электронный поток, эмиттируемый катодом, под действием поля управляющего электрода и внешнего магнитного поля, движется по циклоидальной траектории и затем вводится в пространство взаимодействия, образованное замедляющей системой и основанием. В дальнейшем траектория пучка близка к прямолинейной. Высокочастотный сигнал поступает через согласованный вход  СВЧ и распространяется вдоль замедляющей системы. Если скорость дрейфа электронов подобрана равной фазовой скорости волны в системе, то пучок отдает потенциальную энергию волне, и последняя увеличивает свою амплитуду. Через согласованный выход СВЧ, мощность поступает в нагрузку. В процессе взаимодействия электроны отдают свою энергию ВЧ полю и поднимаются к аноду (замедляющая система). Та часть электронов, которая не попала на замедляющую систему, выводиться на коллектор. Для предотвращения самовозбуждения усилителя, вход и выход замедляющей системы развязаны локальным поглотителем.

Схема распределения  напряжений такова. Катод находится  под нулевым потенциалом, основание  имеет отрицательный или нулевой потенциал, управляющий электрод и замедляющая система находятся под различными положительными потенциалами, относительно катода. Коллектор имеет положительный потенциал.

 

2.3 Усиление ЛБВ типа М

 

В линейной теории, при пренебрежении пространственным зарядом, в условиях холодного синхронизма ( ) , показано [1], что поле вдоль оси лампы меняется следующим образом:

 

       (10)

Поле представляет  собой сумму двух парциальных  горячих волн (одна с растущей амплитудой, другая с падающей амплитудой), распространяющихся в прямом направлении вдоль оси z.

                                                 

       

 

Где - фазовая постоянная, - параметр усиления, - ток, - половина напряжения на замедляющей системе, - циклотронная частота, - волновое сопротивление замедляющей системы, - скорость невозмущенных электронов, - фазовая скорость волны в “холодной” системе. Учитывая, что и вводя электрическую длину лампы , получим:

 

       (11)

Или в децибелах

 

       (12)

 

В [1] показано, что при больших длинах лампы, коэффициент усиления можно записать так:

        (13)

 

В общем случае, при  наличии рассинхронизма  , коэффициент усиления представим в виде

        (14)

где А – начальные  потери на образование нарастающей (горячей) волны. В режиме холодного синхронизма, входной сигнал расщепляется на два одинаковых парциальных сигнала и усиливается фактически лишь половина входного сигнала. - фактор усиления.

 

 

Рассмотренное в [1] линейное приближение применимо для малых  уровней входного сигнала. Но в приборах со скрещенными полями усиление малых сигналов затруднительно, из-за высокого уровня собственных шумов, вследствие паразитных колебаний в области формирования электронного луча, а также взаимодействия электронов с отраженной волной. В большинстве приборов отношение мощности полезного сигнала к мощности шумов не превышает 40 дБ. Поэтому необходим нелинейный анализ таких устройств.

Приведем основные результаты нелинейной теории ЛБВ типа М, полученные в [2]  для параметра рассинхронизма b=0.

Вычисление выходной мощности и кпд производится на основе известных выражений:

 

       (15)

Где - амплитуда СВЧ напряжения на конце замедляющей системы.

        (16)

Где - вспомогательная амплитудная функция, а - нормализованная длина. На конце замедляющей системы , на входе . Тогда из (15) и (16) нетрудно получить:

 

        (17)

Уровень входного сигнала  в децибелах, относительно величины , равен: 

        (18)

На рис. 6  приведены кривые при изменении q от 0 до 10 для значений D=0.1, b=0, K=-30,  , отношение удвоенной толщины пучка, к расстоянию между замедляющей системой и основанием 0.1, - параметр расталкивания для электронного пучка бесконечного сечения равный 0 при отсутствии влияния объемного заряда, и 0.5 при значительном его влиянии, - плотность потокапучка электронов.

В начале амплитуда волны слабо  меняется, затем темп изменения амплитуды  увеличивается. В этом случае электроны  начинают достигать поверхности  замедляющей системы и, двигаясь в сильном поле, интенсивно обмениваться энергией с волной, резко увеличивая амплитуду последней. При дальнейшем движении, электроны пучка выходят на анод, и темп изменения амплитуды резко падает. И амплитуда стремиться к постоянной величине.

Как видно из Рис.6, влияние объемного заряда уменьшает влияние нормализованной амплитуды, и требуется дополнительное увеличение нормализованной длины q для получения того же значения величины нормализованной амплитуды.

Объемный заряд, также  влияет  на коэффициент усиления G  и на К.П.Д. с увеличением , наблюдается небольшое увеличение коэффициента усиления, и значительное падение К.П.Д.

 

Особенности механизма  насыщения в лучевых приборах М типа, приводят к своеобразной зависимости коэффициента усиления от входного сигнала рис. 7.

При малых входных  сигналах пучок группируется слабо, деформации пучка малы, и пучок  движется вдали от замедляющей структуры, где мала амплитуда замедленного поля. Поэтому взаимодействие электронов с полем волны слабо и коэффициент усиления невелик. С ростом входного сигнала группировка электронов возрастает, электроны приближаются к замедляющей системе и движутся в области сильного высокочастотного поля, мощность взаимодействия, выходной сигнал и коэффициент усиления возрастают. Рост выходного сигнала длится до тех пор, пока электроны не начнут выходить на анод в конце замедляющей системы. В этом случае осуществляются оптимальные условия взаимодействия пучка и поля, и коэффициент усиления достигает максимального значения. Дальнейший рост входного сигнала не приводит к увеличению выходной мощности, и коэффициент усиления начинает падать.

 

 

2.4 Применение  ЛБВ типа М

 

Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы. Высокий уровень собственных шумов исключает возможность применения ЛБВМ для усиления маломощных сигналов. Основное применение эти приборы нашли в качестве мощных импульсных выходных усилителей в дециметровом и сантиметровом диапазоне длин волн. 3 Усилитель обратной волны типа М

 

3 Лампа обратной волны типа М

 

3.1 Принципиальная схема ЛОВ типа М, общее описание

 

Лампа обратной волны типа М представляет собой усилитель, или генератор бегущей волны, в котором электронный пучок взаимодействует с обратной пространственной гармоникой замедляющей системы. При этом, поскольку скорость электронов по величине и направлению совпадает с фазовой скоростью обратной гармоники, групповая скорость направлена навстречу движению пучка, что обеспечивает существование положительной обратной связи.

 

Рис. 8

Схематическое изображение  ЛОВ типа М

 

Если ток луча (пучка  электронов) достаточно велик (больше пускового), система оказывается электрически неустойчивой и склонна к самовозбуждению, на частоте, определяемой скоростью электронов. При изменении ускоряющего напряжения меняется скорость электронов и, следовательно, в соответствии с дисперсионной характеристикой, изменяется и генерируемая частота.

 

На рис. 8 схематически изображен генератор обратной волны  типа М цилиндрической конструкции. Электронный пучок, эмиттируемый катодом, под действием поля управляющего электрода (анода) и магнитного поля, движется по циклоидальной кривой, и в необходимый момент вводится в пространство взаимодействия, образованное замедляющей системой и основанием. После прохождения пространства взаимодействия, электроны попадают на коллектор. Поскольку в ЛОВ СВЧ мощность распространяется навстречу движению пучка, вывод энергии расположен у катодного конца лампы. На коллекторном конце лампы расположен поглотитель, роль которого заключается в поглощении волны, отраженной от вывода энергии. В противном случае в приборе может установиться дополнительная паразитная обратная связь, что приведет к изменению пусковых условий по диапазону, и как следствие, к неравномерности частотной характеристики. Наличие паразитной обратной связи может вызвать также колебания типа прямой волны. Если вывод энергии и последующий за ним тракт согласованы идеально, поглощающая нагрузка на коллекторном конце не нужна. Если вместо поглощающей нагрузки поместить ввод энергии и работать при токах ниже пускового, лампа превращается в регенеративный усилитель.

 

Схемы распределения напряжений в ЛБВ и ЛОВ типов М аналогичны. Группировка электронов и процесс образования переменного тока, а также взаимодействие электронов с СВЧ полем происходит у ЛОВ таким же образом, как и в усилителе прямой волны. Поперечное СВЧ поле осуществляет группировку электронов в тормозящей фазе поля. Энергия электронов преобразуется за счет продольного компонента. Энергия электронов преобразуется за счет продольного компонента СВЧ поля. Электроны, передающие энергию полю, теряют свою потенциальную энергию, и приближаются к замедляющей системе, сохраняя продольную скорость постоянной, и в среднем равной . Таким образом, ЛОВ типа М присущи все принципиальные особенности, характерные для приборов со скрещенными полями: взаимодействие при полном синхронизме, передача потенциальной энергии и как следствие высокий КПД. Кроме того ЛОВ типа М обладает важным в практическом отношении свойством, отличающим ее от приборов типа О, - так называемой “линейностью” частотной характеристики. В приборах типа О скорость электронов, а следовательно, и частота пропорциональны , т. е. являются нелинейной функцией ускоряющего напряжения. В приборах типа М скорость электронов пропорциональна , т. е. частота, если работать в линейном участке дисперсионной кривой, будет являться линейной функцией ускоряющего напряжения. Во всяком случае, при прочих равных условиях в ЛОВ типа М тот же диапазон электронной перестройки осуществляется значительно меньшим изменением напряжения, что является немаловажным для практического использования. В [1] проводится расчет основных характеристик ЛОВ типа М плоского варианта. Учет цилиндричности конструкции не вносит принципиальных изменений в теорию.

 

3.2 Пусковые условия в генераторе обратной волны типа М

 

Если заданы длина  лампы и ускоряющее напряжение, то анализ пусковых условий ЛОВ должен дать ответ на два основных вопроса: при каком токе возникнут колебания и какая при этом установиться частота. Линейный анализ, проведенный в [1] дает следующие результаты. В лампе обратной волны может возбудиться только такая “горячая” волна, которой соответствует “холодная” волна с фазовой скоростью, равной скорости пучка, т. е. при полном синхронизме (b=0). При этом генерация возможна не при любых значениях параметров, т. е. появляются зоны генерации:

 

       (19)

 

где n=1, 2, 3, … - номер области возбуждения. Поле в любом сечении, имеет вид:

       (20)

где L – длинна лампы, а z – расстояние от выходного конца лампы. Амплитуда поля распределена вдоль лампы по косинусоидальному закону, причем, характер распределения амплитуды поля в лампе, зависит от номера области возбуждения. Но при этом для любого вида колебаний фазовая постоянная распространения полного поля одинакова для всех зон генерации. Т. е. скорость распространения полного поля при любом виде колебаний одна и та же и равна средней скорости пучка. Таким образом, любому виду колебаний соответствует одна и та же генерируемая частота.

 

  Рассмотрим, теперь, вопрос о пусковом токе в ЛОВ типа М. Для этого воспользуемся условием (19), подставляя в него выражение .

 

        (21)

Для первой области

        (22)

и для высших областей

        (23)

 

Эти результаты были получены без учета пространственного  заряда. Учет этого заряда настолько  усложняет картину полного поля в ЛОВ, что исследование пусковых условий в аналитической форме  становится невозможным и может быть проведено в частных случаях путем численного расчета.

 

3.3 Усилитель обратной волны типа М

 

Если к коллекторному концу  ЛОВ, находящейся в достартовом режиме, подвести небольшой высокочастотный сигнал, ЛОВ превратиться в усилитель обратной волы (УОВ). Такой усилитель обладает рядом ценных свойств:

1. наличие положительной обратной связи обеспечивает высокий коэффициент усиления;
2. усилитель достаточно узкополосен, причем ширина полосы усиления может изменяться электронным способом;
3. усилитель перестраивается электронным способом в широком диапазоне частот, обусловленном полосой пропускания системы.