И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 107
Текст из файла (страница 107)
й 25.2), в значительной степени устраняются в лампе бегущей волны (ЛБВ) и лампе обратной волны (ЛОВ). Усиление и КПД в ЛБВ могут быть значительно выше, чем в клистроне. Это объясняется тем, что электронный поток в ЛБВ взаимодействует с переменным электрическим полем на большом участке пути и отдает значительную часть энергии на усиление колебаний. Электронный поток в ЛБВ гораздо слабее чем в клистроне, и поэтому уро- 337 вень шумов сравнительно невелик. Полоса пропускаемых частот может быть широкой, так как в самой ЛБВ нет колебательных систем. Коэффициент перекрытия по частоте составляет 2-4.
Ширина полосы ограничивается не лампой, а дополнительными устройствами, служащими для связи лампы с внешними цепями. Лампы для частот в тысячи мегагерц имеют полосу в сотни мегагерц, что вполне достаточно для радиолокации и всех видов современной радиосвязи. Устройство ЛБВ О-типа показано схематически на рис. 25.15. В левой части удлиненного баллона помещен электронный прожектор с подогревным катодом К, фокусируюшнм электродом ФЭ и анодом А. Электронный луч, созданный прожектором, проходит далее внутри замедляющей системы (например, в виде проволочной спирали), выполняющей роль внутреннего провода коаксиальной линии. Наружным проводом служит металлическая трубка Т.
Спираль укреплена на специальных изоляторах 1для упрощения они не показаны). Фокусирующая катушка ФК, питаемая постоянным током, служит для сжатия электронного луча по всей его длине, чтобы предотвратить увеличение поперечных размеров луча из-за взаимного отталкивания электронов. Вместо катушки для фокусировки могут быть применены также постоянные магниты. Так как магнитные фокусируюшие системы громоздки, то в последнее время разработаны электростатические способы фокусировки электрон- ного луча в ЛБВ, т.
е. фокусировка электрическим полем. Уснливаемые колебания подводят к ЛБВ с помощью входного волновода В,, в котором помещен приемный штырек Ш„представляюший собой начало спирали. На конце спирали имеется штырек Шь возбуждающий колебания в выходном волноводе Ва. Плунжеры П, и Пз служат для согласования волноводов со спиралью, т. е. для того, чтобы вдоль спирали распространялась бегущая волна. Электронный луч, пройдя сквозь спираль, попадает на коллектор К'.
Спираль электрически соединена с коллектором. В ЛБВ для частот до 4000 МГц связь спирали с внешними цепями осуществляют посредством коаксиапьных линий, так как волноводы для этих частот слишком громоздки. Спираль конструируется обычно так, что фазовая скорость волны вдоль оси спирали цв ж 0,1с = 0,1 300000 = = 30000 км/с. Обычно в спирали десятки или сотни витков. Для сантиметровых волн длина спирали может быть 1Π— 30 см, а ее диаметр несколько миллиметров.
На рис. 25.16 показана картина электрического поля внутри спирали для случая, когда длина волны соответствует шести виткам. Сама спираль изображена в разрезе. Знаками «плюс» и «минус» показано распределение потенциалов на проводе спирали, причем жирные знаки соответствуют более высокому потенциалу. Изображено поле в какой-то определенный момент времени, Так как волна бежит по спирали, то поле враща- 338 Рис. 25.!5. Принцип устройства ЛБВ О-типа 1 ! + + + + в! ! + + )А Б! ! ! Рис. 25.!6. Электрическое поле бееушей волны внутри спирали 339 ется вокруг ее оси и перемещается вдоль этой оси со скоростью ее. Существует, конечно, еше электрическое поле между спиралью и внешней металлической трубкой, не показанное на рисунке, но оно не взаимодействует с электронным лучом. Вокруг витков спирали сеть также переменное магнитное поле, но между ним и электронами также нет энергетического взаимодействия.
Скорость электронов, попадающих в спираль, должна быть немного больше ие„т. е. она тоже примерно 0,1с. Это достигается тем, что напряжение анода устанавливается несколько большим 2500 В. В результате взаимодействия электронного луча с электрическим полем бегущей волны происходит модуляция электронов по скорости и группирование их в сгустки.
Иначе говоря, плотность луча становится неравномерной и в нем появляются участки большей плотности, отделенные друг от друга разреженными участками. Рассматривая рис. 25.16, нетрудно заметить, что участок АБ спирали (на протяжении одной полуволны) создает для электронов торь3озящее поле, а участок БВ (на протяжении другой полуволны) — ускоряющее поле. Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего и тормозящего поля. Если в начале спирали в данный момент времени оказывается участок тормозящего поля, то электроны в нем тормозятся и далее продолжают двигаться в пределах того же участка к концу спирали, группируясь в более плотные сгустки. Постепенно уменьшая скорость, они все время отдают энергию полю, усиливая бегущую волну. Если же электроны в на- чапе спирали влетают в участок ускоряющего прля, то они увеличивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в следующий участок, где поле тормозящее. Хотя' зти электроны, попав сначала в ускоряющее поле, отнимут от бегущей волны некоторую энергию, далее они возвращают ее волне„так как переходят на участок тормозящего поля.
Таким образом, на участках тормозящего поля образуются электронные сгустки, отдающие все время энергию волне. Поэтому на протяжении всей спирали электроны отдают бегушей волне значительную энергию. Амплитуды тока и напряжения бегущей волны по мере ее перемещения к концу спирали увеличиваются. При этом усиливается ускоряющее и тормозящее поле волны, а значит, и эффект группирования электронов. Но тогда увеличивается и отдача энергии электронами. В результате такого постепенно усиливающегося процесса на выходе получаются значительно усиленные колебания. Энергию, отдаваемую бегущей волне, сами электроны получают от источника вводного питания. При большом усилении и неполном согласовании спирали с волноводами появляется волна, отраженная от выходного конца спирали.
Дойдя до входного конца, такая волна снова отражается, усиливается, затем опять отражается от выходного конца и т. д. В результате возникает самовозбуждение, т.е. ЛЕВ начинает генерировать собственные колебания, что недопустимо при усилении. Для устранения этого явления часть спирали в начале или середине делают из провода высокого сопротивления, а) Рыс.
25.!7. Принцип устройства усилительной (а) ы геыераторной (В) ЛОВ О-тапа 340 чтобы поглотить энергию отраженной волны. Часто для поглощения поверхность баллона или изоляторы, поддерживающие спираль, покрывают слоем графита. В ЛБВ для наиболее коротких сантиметровых волн спираль заменяют замедляющими волноводными системами различного типа, так как трудно изготовить спираль очень малых размеров.
Подобные замедляющие системы применяются также в мощных ЛБЗ, так как спираль не может выдержать рассеяния в ней большой мощности. ЛБВ со спиральной замедляющей системой делают на выходные мощности до 1 кВт и частоты до 10 ГГц. В настоящее время разработано много различных ЛБВ, применяемых в качестве входных, промежуточных и выходных широкополосных усилителей. Наличие гармоник в токе пучка позволяет использовать ЛБВ в умножителях частоты.
По выходной мощности ЛБВ различаются следующим образом. Малошумящие ЛБВ, в которых ток пучка составляет 100 — 200 мкА, имеют выходную мощность в тысячные или сотые доли ватта. В специальных приемных устройствах добиваются особенно малого уровня шумов, охлаждая ЛБВ до весьма низкой температуры. ЛБВ малой мощности !до 2 Вт) имеют ток пучка в единицы или десятки миллиампер. Коэффициент усиления у них достигает сотеы тысяч.
Прн средней (до 100 Вт) н большой (до 100 кВт) мощности усиление получается меньше тысячи, а ток пучка — от сотен мнллнампер до единиц ампер. У сверхмощных ЛБВ полезная мощность составляет сотни киловатт. Напряжение питания — от сотен вольт для маломощных ЛБВ до десятков киловольт и выше — для мощных. КПД у мощных ЛБВ может быть до 40%. Многие ЛБВ используются в импульсном режиме и могут дать мощность в импульсе 10 МВт и более.
Для повышения КПД в ЛБВ применяют торможение электронов после замедляющей системы. Это достигается тем, что на коллектор подают меньшее постоянное напряжение, чем на замедляющую систему. Тогда уменьшается мощность, потребляемая от источника питания. Также для повышения КПД применяют группированне по принципу клистронного. Такие ЛБВ называются твистроыами. В них клистронная система создает электронные сгустки, которые далее попадают в систему, аналогнчыую ЛБВ. Именно в этой последней получается усиленная выходная мощность.
У твистроыов КПД доходит до 50%, а шириыа относительной полосы частот может быть до 15%. Выходная мощность в импульсном режиме у некоторых твистронов составляет десятки мегаватт. Принцип работы ЛБВ послужил основой для создания лами обратной волны (ЛОВ), которые называли также карсиыотроиами. Эти лампы в отличие от ЛБВ используются главыым образом для геыерации колебаний, но могут работать и в усилительном режиме. В ЛОВ применяются такие же системы фокусировки и замедляющие системы, как в ЛБВ, но волна и электронный поток движутся навстречу друг другу. На рис. 25.17, а показана схематически !без фокусирующей системы) усилительная ЛОВ О-типа.
Она имеет вход около коллектора и выход около катода. Несмотря на то что в подобной ЛОВ „Л + «~0+я () Ю ФЯ и (йй1 ИК + 0 Рпс. 25.18. Принцип устройства плоской ЛБВ М-типа ЗП нет резонансных систем, она обладает резонансными свойствами. Усиление в такой лампе получается лишь в узкой полосе частот, причем положение этой полосы в диапазоне частот зависит от ускоряющего постоянного напряжения (). Изменяя его, можно осуществить электронную перестройку.
Значительно более широко применяются генераторные ЛОВ О-тнпа (рис. 25.17, б). В них около коллектора расположено не входное, а поглощающее устройство (затушевано), которое поглощает волну, отраженную от выходного конца замедляющей системы. Такая волна может появиться при неполном согласовании на выходе н ухудшает работу ЛОВ.
Первоначальные слабые колебания в генераторной ЛОВ возникают от флюктуацнй электронного потока, затем эти колебания усиливаются и начинается генерация. Следует заметить, что генерация может возникнуть и в усилительной ЛОВ, если ток пучка в ней превысит некоторое критическое значение. Частота колебаний, генерируемых ЛОВ, зависит от ускоряющего напряжения (). Поэтому возможна электронная перестройка частоты с коэффициентом перекрытия до 2.
В генераторных ЛОВ сантиметрового диапазона изменение частоты при перестройке составляет единицы мегагерц на один вольт ускоряющего напряжения. Выходная мощность генераторных ЛОВ бывает от десятков миллнватт до единиц ватт, а КПД— несколько процентов. Ускоряющее напряжение — сотни или тысячи вольт, а ток пучка — от единиц до десятков миллнампер.
Разновидность генераторных ЛОВ— так называемые резонансные ЛОВ, в которых отсутствует поглотитель, а замедляющая система замкнута накоротко около коллектора н поэтому становится резонатором. В таких ЛОВ возможна не только электронная, но и механическая перестройка частоты. Резонансные ЛОВ обладают более высокой стабильностью частоты и более высоким КПД. Рассмотренные выше магнетроны дают большую выходную мощность и обладают высоким КПД. Недостатки их — узкополосность, а также невозможность электронной перестройки частоты и усиления. А ЛБВ и ЛОВ О-типа, наоборот, широкополосны„ в них возможна электронная перестройка частоты и усиление колебаний, но зато онн имеют сравнительно малый КПД и во многих случаях небольшую выходную мощность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
