ЛОВ (Лекции Литвинова), страница 3

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. Коэффициент усиления достигает максимума на частоте входного сигнала.

Благодаря этому регенеративный усилитель обрат­ной волны обладает высокой избирательностью по частоте входного сигнала, причем эту избирательность можно регулировать изменением ускоряющего напряжения.

Рисунок 8. Частотные характеристики регенеративного усиления ЛОВ.

Важной характеристикой ЛОВ является зависимость выходной мощности и частоты генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения (рисунок 9). 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.

Рисунок 9. Зависимость выходной мощности и частоты генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения.

Ширина рабочего диапазона электронной перестройки частоты генератора на ЛОВ определяется характеристиками замедляющей системы и допустимыми пределами изменения выходной мощной При коаксиальном выводе энергии ЛОВ имеют коэффициент перекрытия диапазона f_макс/f_мин=2, а с волноводным выводом — f_макс/f_мин =1,5-1,6.

Для характеристики зависимости частоты от напряжения удобно пользоваться понятием крутизны электронной перестройки частоты: S=df/dUo. 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 Р_о=I_оU_о, 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.

Основные конструкции ЛОВО.

ЛОВ 0-типа отличается от ЛБВО главным образом устройством ЗС и расположением поглотителя, который находится в «кол­лекторном» конце ЗС генераторной ЛОВ в виде согласованной на­грузки СН (рисунок 10).

Рисунок 10. Схема генераторной ЛОВ.

Вывод энергии при этом обеспечивается со стороны «пушечного» конца ЗС.В ЛОВ чаще всего используют ЗС встречно-штыревого типа или двухзаходные спирали. Для создания коротковолновых ЛОВ удобны системы, выполненные из встречных пластин с отверстиями, образую­щими пролетный канал.

На рисунке 11 показана одна из типовых конструкций ЛОВ. Вместо встречных штырей в ЗС такой ЛОВ используют встречные шпильки 2. Это позволяет пропустить вдоль ЗС три лен­точных электронных потока 3, формируемых электронной пушкой, на аноде 5 и диафрагме 4 которой имеются по три прямо­угольные щели. На внешнюю часть коллектора 1 надевается радиатор воздушного охлаждения (на рисунке не показан). Лампа имеет, как пра­вило, пакетированную конструкцию.

Рисунок 11. Устройство ЛОВ дециметрового диапазона длин волн с тремя электронными потоками в изометрии (а) и в ос­новной проекции (б).

Среди ЛОВ представляет интерес лампа Салливена (рисунок 12),

в которой используется ЗС, похожая на двухзаходную спираль. Ее иногда называют «винт со спиралью», так как' спираль 1 расположена в винтовой канавке, прорезанной на поверхности цилиндрического стержня 2. Полый стержень выполняет роль внешнего проводника коаксиальной линии, используемой для вывода энергии ЛОВ. Внутренний проводник 3 коаксиального вывода непосредственно переходит в спираль. Противоположно направленные токи в провод­никах коаксиальной линии обеспечивают противофазное возбуждение винта и спирали, при котором данная система становится обратно-волновой. В лампе Салливена использован трубчатый электронный поток 4, окружающий ЗС.

Такая лампа имеет широкий диапазон электронной перестройки частоты, перекрывающий две октавы, ее длина волны изменяется от 13 до 2,5 см при увеличении ускоряю­щего напряжения от 40 до 3000 В.

Рисунок 12. Схема замедляющей лампы Салливена.

Успехи в области создания мощных ЛОВ связаны с использованием в них релятивистских электронных потоков. Имея нерезонансные колебательные системы, релятивистские ЛОВ способны генерировать мощные СВЧ-колебания в виде сверхкоротких импульсов. Релятивистские ЛОВ были разработаны в ФИАН СССР и ИПФ СССР в 1973 г., а также в Корнельском университете США в 1974 г.

Первые отечественные ЛОВ работали в трехсантиметровом диапазоне длин волн и имели выходную мощность в несколько сотен мегаватт при к. п. д. более 10%. К 1982 г. мощность генерации релятивистской ЛОВ этого диапазона была доведена до 1 ГВт в импульсе наносекундной длительности. В 1978 г. было проведено исследование релятивистской ЛОВ восьмимиллиметрового диапазона длин волн (рис. 17). Для вза­имодействия с электронным потоком была использована первая от­рицательная пространственная гармоника электромагнитной волны,

Рисунок 13. Схема устройства реляти­вистской ЛОВ:

1 — инжектор; 2 — электромагнит; 3 — электронный луч; 4 - гофрированный вол­новод; 5 — излом; 6 — слюдяное окно; 7 — излучающий рупор; 8 — приемный рупор с детектором.

распространяющейся по прямоугольному волноводу с гофрированными широкими стенками 4. Поперечное сечение пролетного канала имело размеры 4х4 мм; ток электронного пучка диаметром 2,6 мм составлял (300—500) А в импульсе длительностью (15—20) нс. Для фокусировки пучка использовался импульсный соленоид, обеспечива­ющий магнитную индукцию 1 Тл. Вывод энергии ЛОВ представ­лял 90-градусный волноводный излом 5 со слюдяным вакуумным уп­лотнением 6 и выходным рупором 7. Излом был необходим для того, чтобы электронный поток не разрушал слюдяное окно. Выходная мощность измерялась с помощью приемного рупора 8 с полупро­водниковым детектором. Она достигала 10 МВт в импульсе при к. п. д. -3%.

Применение ЛОВО.

Лампа обратной волны может быть использована также как усилитель. В этом случае рабочий ток лампы должен быть меньше пускового. Поэтому вход лампы расположен возле коллектора, а выход, как и в генераторе, — около электронной пушки. Такой усилитель является регенеративным. Однако усилительные ЛОВ применяются мало. Лампы обратной волны применяются в качестве гетеродинов радиолокационных и связных приемников, в задающих генератоpax передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и широкополосных ЧМ системах передачи данных, в свипгенераторах измерительной аппаратуры. Разработаны ЛОВ на все поддиапазоны длин волн СВЧ-колебаний от метрового до субмил­лиметрового. Большинство длинноволновых ЛОВО обладает октавным диапазоном электронной перестройки частоты. Электронная перестройка ЛОВ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов составляет около половины октавы. Так, фирма «Sperry» рекламиро­вала десять типов ЛОВ, перекрывающих диапазон длин волн от 60 см до 0,2 мм с выходной мощностью 50—2 мВт. В настоящее время разработки маломощных ЛОВ сократились в связи с использо­ванием полупроводниковых генераторов в измерительной аппаратуре СВЧ. Однако исследования возможностей создания ЛОВ с большой выходной мощностью в нижней части сантиметрового и миллимет­ровом диапазонах длин волн продолжаются. Однако b 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 генераторы 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, l 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— 100 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.

Основным препятствием к повышению мощности генерации являет­ся невысокое значение к. п. д. ЛОВО, значения которого ниже к. п. д. ЛБВ, так как хорошо сгруппированные электронные сгустки взаимо­действуют со слабым СВЧ-полем в конце ЗС.