Лампа обратной волны

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Лампа обратной волны (ЛОВ) — электровакуумный прибор, в котором для генерирования электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной, бегущей по замедляющей системе в направлении, обратном направлению движения электронов (ср. c лампой бегущей волны).

Содержание

1 Введение
2 ЛОВ типа О
- 2.1 Устройство и принцип действия
- 2.2 Параметры и характеристики
3 ЛОВ типа М
4 Применение ЛОВ

[править] Введение

Первые сведения о разработках ЛОВ появились в 1952 году. Одним из создателей ЛОВ является Рудольфом Компфнер (Rudolf Kompfner).

Лампу обратной волны иногда называют карцинотроном (или карсинотроном). Чаще такое название можно встретить в зарубежной литературе.

Лампы обратной волны подразделяются на два класса: ЛОВ типа О и ЛОВ типа М. В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. В приборах типа М в энергию СВЧ поля переходит потенциальная энергия электронов, смещающихся в результате многократного торможения и разгона от катода к аноду. Средняя кинетическая энергия при этом остается постоянной.

[править] ЛОВ типа О

[править] Устройство и принцип действия

Устройство ЛОВ типа О

Электронная пушка создаёт пучок электронов, движущийся к коллектору. Заданное сечение пучка сохраняется постоянным при помощи фокусирующей системы. Предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему ЛОВ введён СВЧ сигнал, то есть вдоль замедляющей системы справа налево двигается волна с групповой скоростью v_гр.

Если бы замедляющая система была однородной, и поле её бы не содержало пространственных гармоник, то фазовая скорость волны была бы направлена также как и групповая, то есть навстречу движения электронов. Эффективное взаимодействие между СВЧ-волной и пучком электронов должно было бы отсутствовать.

Однако если замедляющая система имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней поле можно рассматривать как сумму бесконечного множества гармоник. Фазовые скорости этих гармоник могут быть направлены как в сторону движения энергии (прямые волны), так и в противоположную сторону (обратные волны). Можно подобрать ускоряющее напряжение ( $U 0$ ) для пучка электронов так, чтобы обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн (V_e ≅ V_ф).

$V_{\phi} = \sqrt{\frac{2e}{m}U_0}$

Тогда электроны, поочерёдно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и ту же фазу высокочастотного продольного поля, что приводит к тому, что часть кинетической энергии пучка передаётся СВЧ-полю. При этом электронный поток приобретает модуляцию по скорости, что приводит к модуляции плотности электронного потока (быстрые электроны догоняют медленные). Этот модулированный 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 создаётся поле, превышающее первоначальный сигнал. Лампа приобретает свойства автогенератора.

Таким образом, электронный пучок играет в ЛОВ двойную роль — как источник энергии и как звено, по которому осуществляется положительная обратная связь. Эта связь присуща самому принципу ЛОВ и принципиально неустранима, в отличие от других генераторов СВЧ.

При изменении частоты ЛОВ СВЧ-волна может отражаться от нагрузки и поступать обратно в замедляющую систему. Эта отраженная волна может взаимодействовать с электронным потоком, что будет приводить к изменению выходной мощности. Для устранения этих эффектов на конце замедляющей системы, обращенном к коллектору включают самосогласованную нагрузку (поглотитель).

[править] Параметры и характеристики

[править] Диапазон частот

Частота колебаний ЛОВ зависит от напряжения $U 0$ , приложенного между замедляющей системой и катодом. Современные (2005 год) ЛОВ покрывают диапазон частот от единиц ГГц до единиц ТГц.

Ширина диапазона электронной перестройки частот характеризуется либо коэффициентом перекрытия диапазона

$\delta_c = \frac{f_{max}}{f_{min}}$

либо относительной величиной, выраженной в процентах

$\delta_0 = 2 \frac{f_{max}-f_{min}}{f_{max}+f_{min}}100$

где $f m a x$ и $f m i n$ — максимальная и минимальная частоты диапазона электронной перестройки.

Типичные значения $δ c$ — 1,5 ÷ 2.

[править] Крутизна электронной перестройки частоты

Зависимость частоты излучения от напряжения на замедляющей системе ЛОВ имеет нелинейный характер. Это связано с тем, что скорость электронов в потоке $v e$ пропорциональна квадратному корню из напряжения на замедляющей системе.

При заданных геометрических размерах замедляющей системы частота генерируемых колебаний однозначно определяется величиной напряжения на замедляющей системе:

$f = \frac{\sqrt{U_0}}{\alpha+\beta\sqrt{U_0}}$ , где α и β зависят только от геометрических параметров.

Крутизна электронной перестройки частоты ЛОВ увеличивается при уменьшении напряжения на замедляющей системе. При одинаковых пределах изменения напряжения на замедляющей системе большей крутизной перестройки обладают более высокочастотные ЛОВ. Крутизна перестройки для ЛОВ миллиметрового диапазона составляет десятки мегагерц на вольт, для ЛОВ сантиметрового диапазона — несколько мегагерц на вольт.

[править] Выходная мощность

Выходная мощность колебаний ЛОВ приблизительно пропорциональна величине напряжения на замедляющей системе и разности между рабочим и пусковым значениями тока электронного пучка:

$P o u t = k U 0 (I - I 0)$ , где $k$ — коэффициент пропорциональности, $I$ — ток электроннного луча, $I 0$ — пусковой ток — минимальное значение тока при электронного луча, при котором возникает генерация.

Обычно выходная мощность излучения ЛОВ составлят от нескольких милливатт до нескольких ватт.

Зависимость мощности ЛОВ от напряжения на замедляющей системе

Зависимость мощности излучения от напряжения на замедляющей системе представлена на рисунке. Выходная мощность ЛОВ увеличивается за счёт роста подводимой мощности $U 0 I$ . Однако после некоторого значения $U 0$ происходит уменьшение выходной мощности, связанное с уменьшением разности между рабочим и пусковым значениями тока электронного пучка $(I - I 0)$ .

Теоретическая зависимость выходной мощности от напряжения на замедляющей системе показана на рисунке пунктирной линией. Однако реальная зависимость можности (сплошная линия) имеет гораздо более изрезанный характер. Главной причиной этого является отражение СВЧ-излучения от поглотителя замедляющей системы и устройства для вывода энергии.

Степень неравномерности кривой выходной мощности ЛОВ обычно оценивается величиной перепада этой мощности в диапазоне электронной перестройки:

$\delta_P = 10 \lg (\frac{P_{max}}{P_{min}})$

[править] Спектр колебаний

Колебания ЛОВ, как и других типов СВЧ генераторов, не являются монохроматическими. Расширение спектральной линии обусловлено случайной модуляцией, являющейся следствием дискретного характера тока электронного луча, эффекта распределения тока луча между отдельными электродами и элементами замедляющей системы, эффекта мерцания катода и других причин.

Однако в ЛОВ с магнитной фокусировкой, как и в других СВЧ приборах типа О, также наблюдается значительная периодическая модуляция амплитуды и частоты колебаний. Одной из причин такой модуляции являются релаксационные колебания, возникающие в электронном потоке в области электронной пушки.

Также причиной модуляции может являться нестабильность источника питания ЛОВ. Поскольку мощность ЛОВ может очень сильно зависеть от напряжения на замедляющей системе, даже незначительное изменение напряжения может приводить к большой модуляции выходной мощности ЛОВ.

[править] КПД

Максимальный коэффициент полезного действия не превышает в ЛОВ типа О нескольких процентов.

[править] ЛОВ типа М

[править] Отличие от ЛОВ типа О

В ЛОВ типа О электроны передают полю свою избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью указанных скоростей. Наоборот, в ЛОВ типа М кинетическая энергия электронов, не изменяется, а изменяется потенциальная энергия, преобразующаяся в энергию СВЧ поля.

Кроме того, в ЛОВ типа М наиболее благоприятное взаимодействие потока электронов и СВЧ поля происходит при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны (V_e = V_ф), в то время как для передачи энергии в ЛОВ типа О требуется, чтобы электроны двигались немного быстрее волны.