Стр.202-301 (1152180), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Поэтому с изменением частоты оба фазовых угла в (6.64) изменяются в одну и ту же сторону. Обеспечить равенство нулю суммы групповых задержек по (6.65) не удается. По этой причине ЛБВ-генератору присущи ограничения диапазона электронной настройки, свойственные всем приборам с резонансной колебательной системой. Реальный диапазон электронной настройки ЛБВ-генераторз обычно составляет от десятых долей процента до нескольких процентов от средней частоты, т. е.
имеет такой же порядок, как у отражательных клистронов. Следует иметь в виду, однако, конструктивную и эксплуатационную сложность ЛБВ в сравнении с отражательными клистронами. По этой причине, а также в связи с появлением ламп обратной волны, обладающих чрезвычайно широкимдиапазономэлектронной настройки, генераторы на ЛБВ не находят сколько-нибудь существенного применения. Таким образом, несмотря на широкополосные свойства в режиме усиления, ЛБВ не позволяет получить хороших результатов в качестве генератора с электронной настройкой.
242 Диапазон электронной настройки генератора на ЛБВ удалось бы значительно расширить, если групповые скорости оер и (о,р) „в уравнении (6.65) имели бы разные знаки. Для этого необходимо чтобы замедляющая система или линия обратной связи на рис. 6.20, обладала отрицательной дисперсией, при которой групповая скорость направлена в сторону, противоположную фазовой скорости волны, и поэтому имеет отрицательный знак.
Все обычные передающие линии имеют положительную, нормальную дисперсию (о„р)0 — „(О), и, следовательно, непригодны йсф для указанной цели. Положение изменяется, однако, если в качестве основной волноведущей структуры лампы использовать периодическую замедляющую систему и отказаться от применения внешней линии обратной связи.
В основе дальнейших рассуждений лежит использование синхронизма электронов с обратной (отрицательной) пространственной гармоникой волны, фазовая скорость которой направлена в сторону, противоположную групповой скорости. 6. Принцип действия ЛОВ типа О Схема генераторной лампы обратной волны О-типа изображена на рис. 6.21. Общее построение этой лампы, за исключением расположения вывода энергии, сходно с лампой прямой волны О-типа (см.
рис. 6.3). Поскольку речь идет о генераторе, а не об усилителе, схему ЛОВ можно сравнить также с рис. 6.20, где изображена ЛБВ с внешней обратной связью. Для пояснения принципа действия лампы обратной волны предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему ЛОВ тем или иным способом введен СВЧ сигнал. Таким образом, вдоль замедляющей системы справа налево двигается волна с групповой скоростью о„,. Если бы замедляющая система являлась однородной и поле ее не содержало пространственных гармоник, то фазовая скорость была бы направлена только в сторону движения энергии волны, т. е. навстречу движению электронов.
Эффективное взаимодействие между электронным пучком и волной при этом должно отсутствовать. Однако если замедляющая система, изображенная на рис. 6.21, имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней электромагнитное поле можно рассматривать как сумму бесчисленного множества волн †пространственн гармоник с фазозой постоянной ()р, зависящей от номера гармоники р.
Фазовые скорости этих гармоник направлены как в сторону движения энергии (прямые волны), так и в противоположную сторону (обратные волны). Таким образом, направление движения электронов иа рис. 6.21 совпадает с направлением фазовой скорости обратных пространственных гармоник (оф) . Подберем ускоряющее напряжение Ус таким образом, чтобы обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн, т. е.
положим ав =) оф)р,' р~0. (6.66) Тогда электроны, поочередно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и ту же фазу высокочастотного 11родольного поля и взаимодействуют с полем синхронной гармоники таким же образом, как при существовании только одной замедленной волны в ЛБВ. Часть кинетической энергии пучка может передаваться СВЧ полю. Как известно из первого тома учебника [1), фазовая постоянная пространственной гармоники связана с пространственным периодом Е и номером гармоники р уравнением (6.67) гДе Ро — фазоваЯ постоЯннаЯ основной волны.
Фазовая скорость пространственных гармоник (оф)р определяется в виде -и;, Р<О, ! ю гг 2э 2пр лг рэ+ (6.69) где Уо — ускоряющее'напряжение (рис. 6.21). Важной особенностью этого взаимодействия является вмутрениял обратная связь, которая и приводит к самовозбужденню лампы. Действительно, замедляющая система и электронный поток составляют две части петли об- па иар ЛБВ Пбр иа лов , Вэ Рис. 6.22. Направлении скорости электронов н фаэовой н групповой скоростей волн в лампах прямой и обратной- волны Рис.
6.21. Схема генераторной лампы обратной волны О-типа: г-катод; У-ускориюпгна электрод; бпернодиеескаи эамедлающаи система; Е коллектор; б-эмаод энергии; б-согласоааннаи нагруана ратной связи. Направление движения энергии в электронном потоке совпадает с движением электронных сгустков, имеющих среднюю скорость о,. Движение же энергии по замедляющей системе происходит в противоположном направлении при одинаковоти направлении фазовой скорости (и )„ и скорости электронов огп как показано на рис. 6.22. Здесь же показано направление скоростей электронов н волны в лампе прямой волны (ЛБВ).
(оэ)„= — . (6.68) в Таким образом, общее условие взаимодействия электронов с полем обратной волны с учетом (6.66), (6.67) и (6.68) имеет вид Если предположить снова, что в замедляющей системе ЛОВ на рис. 6.21 по направлению к электронной пушке двигается СВЧ сигнал, то электронный поток, находящийся в фазовом синхронизме с обратной гармоникой, приобретает модуляцию по скорости. После ее. преобразования в модуляцию по плотности электронный поток, двигаясь по направлению к коллектору, наводит на замедляющей системе высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуют электроны, двигается навстречу электронному потоку.
В результате на выходе лампы около электронной пушки создается поле, превышающее первоначальный сигнал. Лампа приобретает свойства автогенератора. Геометрическая длина электронного пучка в точности равна геометрической длине замедляющей системы 1. Это обстоятельство, а также противоположные знаки групповых скоростей (скоростей движения энергии) на двух участках цепи обратной связи и обеспечивают соблюдение условия (6.65), необходимого для получения широкого диапазона электронной настройки. Таким образом, электронный пучок играет в лампе обратной вол.
ны двойную роль — как источник энергии н как звено, по которому обеспечивается положительная обратная связь. Она присуща самому принципу ЛОВ и принципиально неустранима, в отличие от других типов автогенераторов СВЧ. Если к выходу генераторной ЛОВ, т. е. со стороны электронной пушки, подключена хорошо согласованная нагрузка, то не играет роли, какое сопротивление включено на другом конце замедляющей системы. Однако при рассогласовании внешней нагрузки положение изменяется. Волна, отраженная от нее, поступает обратно з замедляющую систему. Взаимодействия этой волны с электронным потоком может не быть.
Тем не менее, при рассогласовании второго конца системы (около коллектора) эта волна снова отражается и, теперь уже взаимодействуя с электронами, изменяет величину выходной мощности. Чтобы избежать резких скачков выходной мощности при изменении длины волны, на конце замедляющей системы, обращенном к коллектору, обычно включают согласованную нагрузку (поглотитель), как показано на рис. 6.21. Эта нагрузка располагается, как правило, внутри вакуумной оболочки лампы. Очевидно, что при согласованной выходной нагрузке поглотитель не оказывает никакого влияния на величину выходной мощности лампы обратной волны. в.
Зван генерации ЛОВ гана О Электронный поток, поступающий в замедляющую систему ЛОВ, однороден и не имеет предварительной модуляции по скорости и плотности. На «пушечном» конце системы (со стороны вывода энергии) на электроны начинает действовать продольное СВЧ поле Е„которое в условиях синхронизма создает модуляцию по скорости, постепенно переходящую в модуляцию пучка по плотности. Как было показанов $ 2.8, г, центром сгустка становится электрон, вошедший в пространство взаимодействия в области перехода поля Е, от ускоряющего к тормозящему. По аналогии с ЛБВ, для отдачи энергии электроны должны двигаться со средней скоростью о„несколько превышающей фазовую скорость замедленной волны (оэ)„. При этом электронный сгусток в движущейся системе координат медленно дрейфует слева направо в тормозящем поле волны (см.
рис. 2.32). Для наиболее полной отдачи энергии сгусток должен за время пролета по длине системы пройти всю тормозящую полуволну поля, не переходя, однако, в область ускоряющего поля. Это означает, что равность между изменением фазы волны по длине системы и углом пролета сгустка должна составлять и. Возможны также режимы, при которых эта равность составляет (м + 2пп): — — =(2п+1)»», м! о! где п — любое целое число, включая нуль. . С физической точки зрения режиму и = 1 соответствует движение сгустка на протяжении !/3 длины системы в тормозящем поле, далее на 1/3 длины — в ускоряющем поле и на последней трети — снова в тормозящем СВЧ поле. С учетом обычной зависимости скорости о«от постоянного ускоряющего напряжения (/» последнее выражение дает: ! л+— м ! 2 (6.70) 2«//» ~ из! р»! где т — частота генерируемых или усиливаемых колебаний (» = — 1.
2я/ Из этого уравнения следует, что лампа обратной волны имеет несколько широких зон («порядков») генерации Р„«„= /((/»), характеризуемых различными номерами и = О, 1, 2... Наибольшую выходную мощность обеспечивает зона п = О, так как при этом наиболее полно используется длина замедляющей системы. Уравнение (6.70) позволяет найти не только области самовозбуждения, но и режимы дегенеративного усиления ЛОВ. В самом деле, для ЛОВ, как и для других генераторов СВЧ, существует конечная величина пускового тока /,,„. При малой величине тока пучка /, перестает выполняться амплитудное условие самовозбуждения колебаний.
Однако внутренняя положительная обратная связь является неотъе»б!емой особенностью механизма ЛОВ. Поэтому при приближении тока пучка к величине /„,„коэффициент усиления ЛОВ может достигать сколь угодно высоких значений. Зависимость генерируемой мощности и коэффициента усиления лампы обратной волны от постоянного конвенционного тока пучка /» качественно изображена на рис. 6.23. В принципиальном отношении усилительная лампа обратной волны отличается от генераторной лишь наличием входа СВЧ сигнала, расположенного со стороны коллектора вместо поглотителя на рис.
6.21. Пусковой ток зон генерации и ) О значительно превышает пусковой ток нулевой зоны, как показано на рис. 6.23. Причина этого— упоминавшееся менее эффективное использование. длины замедляющей системы при увеличении номера зоны и. Практический интерес представляет лишь работа в зоне генерации л = О. Для того, чтобы избежать одновременной генерации в зонах и = О и п = 1, происходящей на различных частотах, рабочий ток пучка 1 р„о обычно выбирается в 2 — 5 раз выше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового тока зоны и = 1 (рис. 6.23).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
