Лекция 11-1. Лампа обратной волны

Лекция 11-1Лампа обратной волны1. Переход от ЛБВ-генератора к лампе обратной волны (ЛОВ)ЛБВ принципиально могут быть использованы не только в качествеусилителя, но и в качестве автогенератора СВЧ. Для этого необходимо лишьсоздать внутреннюю или внешнюю обратную связь между входом и выходомЛБВ. При внутренней обратной связи, как это было показано ранее, можетсуществовать значительное количество дискретных частот самовозбужденияЛБВ. Ввиду значительной длины ЛБВ разделение между частотами соседнихвидов колебаний оказывается очень малым, и, поэтому, работа такогогенератора является нестабильным из-за перескоков частоты.Разделение видов колебаний ЛБВ увеличивается при сокращенииэлектрической длины лампы и при наличии внешней линии обратной связи.Схема такого автогенератора приведена на рис.1.1Рис.1.

Схема генератора на ЛБВ с внешней обратной связьюВ качестве цепи обратной связи может быть использован отрезоккоаксиальной линии или волновода с фазовращателем. Для подавлениясамовозбуждения на нежелательных частотах в цепь обратной связи можетбыть включен полосовой фильтр.Обозначим через ос и ос геометрическую длину и фазовую постояннуювнешней линии обратной связи:гдеф осос=ф ос,– фазовая скорость волны в цепи обратной связи.Тогда, полагая фазовую постоянную усиливаемой волны в замедляющейсистеме ЛБВ равной и обходя по замкнутому контуру замедляющую системуи линию обратной связи, можно записать фазовое условие самовозбуждения ввиде1ос ос+=2осилиф ос+ф=2,= 0,1,2, …Для работы в широком диапазоне частот должно соблюдатьсяпостоянство фазы обратной связи при изменении частоты, т.е.гдеосгр ос+гр=0Отсюда видно основной недостаток использования ЛБВ в качествегенератора, т.к.

при нормальной положительной дисперсии замедляющейсистемы оба слагаемых имеют положительный знак. Поэтому с изменениемчастоты оба фазовых угла изменяются в одну сторону и обеспечить равенствонулю суммы групповых задержек не удается. В связи с этим ЛБВ-генераторуприсущи лишь ограниченный диапазон электронной перестройки частоты,свойственный резонансным приборам.2. Принцип работы ЛОВ О-типаСхема генераторной лампы обратной волны О-типа приведена на рис.2.2Рис.2. Схема генераторной лампы обратной волны О-типа1 – катод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – периодическая замедляющаясистема; 4 – коллектор; 5 – вывод энергии; 6 – согласованная нагрузкаОбщее построение этой лампы, за исключением расположения выводаэнергии, сходно с лампой прямой волны О-типа.Для пояснения принципа действия лампы обратной волны предположим,что со стороны коллектора в замедляющую систему ЛОВ тем или инымспособом введен СВЧ сигнал.

Таким образом, вдоль замедляющей системысправа налево двигается волна с групповой скорость гр .2Если бы замедляющая система являлась однородной и поле её несодержало пространственных гармоник, то фазовая скорость была бынаправлена только в сторону движения энергии волны, т.е. навстречудвижению электронов. Эффективное взаимодействие между электроннымпучком и волной при этом должно отсутствовать.Однако если замедляющая система имеет периодическую структуру, тоимеющееся в ней электромагнитное поле можно рассматривать как суммубесконечного множества волн – пространственных гармоник с фазовойпостоянной , зависящей от номера гармоники .

Фазовые скорости этихгармоник направлены как сторону движения энергии (прямые волны), так и впротивоположную сторону (обратные волны). Таким образом, направлениедвижения электронов совпадает с направлением фазовой скорости обратныхпространственных гармоник ( ф ) .таким образом, чтобы обеспечитьПодберем ускоряющее напряжениесинхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн, т.е.положим≈ ф<0Тогда электроны, поочередно проходя мимо неоднородностей, встречаютодну и ту же фазу высокочастотного продольного поля и взаимодействуют сполем синхронной пространственной гармоники таким же образом, как присуществовании только одной замедленной волны в ЛБВ.Часть кинетической энергии пучка будет передаваться СВЧ полю."Т.к.

( ф ) = , то общее условие взаимодействия электронов с полем#$обратной волны, имеет вид%+22(%=')<0&Важной особенностью этого взаимодействия является внутренняяобратная связь, которая приводит к самовозбуждению лампы. Действительно,замедляющая система и электронный поток составляют две части петлиобратной связи. Направление движение энергии в электронном потокесовпадает с движением электронных сгустков, имеющих среднюю скорость .Движение же энергии по замедляющей системе происходит впротивоположном направлении при одинаковом направлении фазовой скорости( ф ) и скорости электронов , как показано на рис.3.33Рис.3.

Направления скорости электронов и фазовой и групповойскоростей волн в лампах прямой и обратной волныЕсли предположить, что в замедляющей системе ЛОВ по направлению кэлектронной пушке двигается СВЧ сигнал, то электронный поток, находящейсяв фазовом синхронизме с обратной гармоникой, приобретает модуляцию поскорости. После её преобразования в модуляцию по плотности электронныйпоток, двигаясь по направлению к коллектору, наводит вне замедляющейсистеме высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуютэлектроны, двигается навстречу электронному потоку. В результате на выходелампы около электронной пушки создается поле, превышающеепервоначальный сигнал, Лампа приобретает свойство автогенератора.Противоположность знаков групповых скоростей на двух участках цепиобратной связи обеспечивает соблюдения фазового условия, необходимого дляполучения широкого диапазона электронной настройки частоты.Таким образом, электронный пучок в ЛОВ играет двойную роль – какисточник энергии и как звено, по которому обеспечивается положительнаяобратная связь.

Она присуща самому принципу ЛОВ и принципиальнонеустранима, в отличие от других типов автогенераторов СВЧ.Частота генерируемых колебаний ЛОВ * определяется из соотношения1+1)2=−'2(*фИз этого уравнения следует, что ЛОВ имеет несколько широких зонгенерации ,ген = *( ), характеризуемых различными номерами = 0,1,2, …При этом наибольшую выходную мощность обеспечивает зона = 0.44.