Лампа бегущей волны

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Лампа бегущей волны в корпусе

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — электровакуумный прибор, в котором для генерирования и/или усиления электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие бегущей электромагнитной волны и электронного потока, движущихся в одном направлении (в отличие от лампы обратной волны (ЛОВ)).

Лампа бегущей волны «Штормовка» (главный конструктор Ю. П. Мякиньков). 1980-е годы. Применялась в первых коммуникационных спутниках серии «Горизонт»[1].

Введение[править | править вики-текст]

Лампа бегущей волны была впервые создана Рудольфом Компфнером (Rudolf Kompfner) в 1943 году (по другим сведениям в 1944).

Лампы бегущей волны подразделяются на два класса: ЛБВ типа О и ЛБВ типа М.

В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких лампах направлено вдоль направления распространения пучка и служит лишь для фокусировки последнего.

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. Магнитное поле в таких приборах направлено перпендикулярно направлению распространения пучка.

ЛБВ типа О[править | править вики-текст]

Устройство и принцип действия[править | править вики-текст]

Устройство ЛБВ типа О

Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на механизме длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны. На рисунке схематично представлено устройство ЛБВ. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная пушка, спиральная замедляющая система и коллектор размещаются в металлостеклянном или металлическом баллоне, а фокусирующий соленоид располагается снаружи. Спираль крепится между диэлектрическими стержнями, которые должны обладать малыми потерями на СВЧ и хорошей теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности, когда спираль нагревается из-за оседания электронов и нужно отводить это тепло, чтобы не было прогорания спирали.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства для согласования ее с линиями передачи. Последние могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку.

Трудно получить хорошее согласование во всей полосе усиления лампы. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, при этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции усилителя. Для устранения самовозбуждения вводится поглотитель, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих плёнок.

Параметры и характеристики[править | править вики-текст]

Параметр усиления[править | править вики-текст]

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

C = \sqrt[3]{\frac{R_{CB}I_0}{4U_0}}, где R_{CB} — сопротивление связи, I_0 — ток катода и U_0 — потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления[править | править вики-текст]

Коэффициент усиления ЛБВ в линейном режиме прямо пропорционален параметру C.

Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВО средней и большой мощности составляет 25-40 дБ, то есть несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов (60 дБ). В маломощных ЛБВО коэффициент усиления может достигать 60 дБ.

Диапазон частот[править | править вики-текст]

Особенно ценным свойством ЛБВ является их широкополосность. Коэффициент усиления ЛБВ при неизменном ускоряющем напряжении может оставаться почти неизменным в широкой полосе частот — порядка 20 — 50 % от средней частоты. В этом отношении ЛБВ значительно превосходят усилительные клистроны, которые могут обеспечивать весьма высокое усиление, но имеют значительно более узкую полосу частот.

Выходная мощность[править | править вики-текст]

В зависимости от назначения ЛБВ выпускаются на выходные мощности от долей мВт (входные маломощные и малошумящие ЛБВ в усилителях СВЧ) до десятков кВт (выходные мощные ЛБВ в передающих устройствах СВЧ) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном режиме работы.

В ЛБВО малой и средней мощности применяют спиральные замедляющие системы, в мощных ЛБВО — цепочки связанных резонаторов.

КПД[править | править вики-текст]

Электроны, пролетая сквозь замедлящую систему, отдают часть своей кинетической энергии СВЧ полю, что приводит к уменьшению скорости электронов. Но при этом нарушается условие фазового синхронизма VeVф. Отсюда вытекает основное ограничение КПД ЛБВО, связанное с невозможностью отдачи всей кинетической энергии электронов СВЧ полю: электронные сгустки смещаются из области тормозящего поля в область ускоряющего.

Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью замедленной волны. Поэтому величина КПД должна быть тем больше, чем значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в замедляющей системе. Однако при увеличении рассинхронизма ухудшается группирование на входном участке замедляющей системы и резко уменьшается коэффициент усиления. Таким образом, требования максимального КПД и высокого коэффициента усиления в ЛБВО оказываются противоречивыми.


Реальная величина КПД у ЛБВО составляет 30—40 %.

Применение[править | править вики-текст]

Маломощные ЛБВО применяются во входных усилителях, средней мощности — в промежуточных усилителях, большой — в выходных усилителях мощности СВЧ колебаний.

ЛБВ типа М[править | править вики-текст]

Отличие от ЛБВ типа О[править | править вики-текст]

В ЛБВ типа М, в отличие от ЛБВО, существуют две существенные особенности:

  1. наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущей волной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны (Ve = Vф). Напротив, для передачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроны двигались чуть быстрее.
  2. в ЛБВО электроны отдают полю только избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия, передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения U_0. В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Устройство и принцип действия[править | править вики-текст]

Схема ЛБВ типа М с инжектированным потоком

Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия.

Инжектирующее устройство, состоящее из подогреваемого катода и управляющего электрода, обеспечивает создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия.

Пространство взаимодействия, состоящее из волноводного входа, поглотителя, замедляющей системы-анода, волноводного выхода, коллектора и холодного катода, обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ полем. Для создания такого взаимодействия необходимо выполнение условия

V_0 = \frac{E_0}{B}, где V_0 — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия, \frac{E_0}{B} — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом (E_0) и магнитном полях (B).

При выполнении данного условия электроны, в отсутствие СВЧ поля, прямолинейно движутся к коллектору. Поскольку начальная скорость потока определяется соотношением

V_0 = \frac{E_{control}}{B}, то описанное выше условие сводится к

E_0 = 2E_{control}

Параметры прибора выбирают таким образом, чтобы при появлении на входе замедляющей системы СВЧ сигнала на одной из его пространственных гармоник выполнялось условие фазового синхронизма приборов типа М (V0 = Vф). В этом случае в тормозящих полупериодах электрического поля этой гармоники будет происходить увеличение энергии СВЧ сигнала за счет уменьшения потенциальной энергии электронов. Усиленный СВЧ сигнал поступает на выход замедляющей системы, а электроны оседают на коллекторе.

Лампа бегущей волны типа М, также, как и лампа бегущей волны типа О, является широкополосным усилителем, и поэтому в ней возможно самовозбуждение за счет отражения усиливаемого сигнала от выхода замедляющей системы. Для предотвращения самовозбуждения применяется поглотитель.

Параметры и характеристики[править | править вики-текст]

Коэффициент усиления[править | править вики-текст]

Зависимость коэффициента усиления ЛБВМ от мощности входного сигнала.

Характерный вид зависимости коэффициента усиления от входной мощности показаны на рисунке. При малых уровнях входного сигнала амплитуда колебаний на выходе ЛБВМ и величина коэффициента усиления возрастают прямо пропорционально величине входного сигнала. Связь соблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вместо коллектора на анод замедляющей системы. В этом случае замедляется рост выходной мощности и коэффициент усиления ЛБВМ уменьшается.

Коэффициент усиления в реальных лампах бегущей волны типа М достигает 40 дБ и более.

Диапазон частот[править | править вики-текст]

Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы.

Выходная мощность[править | править вики-текст]

Выходная мощность ЛБВМ в непрерывном режиме достигает нескольких киловатт, в импульсном — нескольких мегаватт.

КПД[править | править вики-текст]

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю E_{pot} = eU_0,

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

E_{kin} = \frac{mv_e^2}{2} = \frac{mE_0^2/B^2}{2}

В реальных приборах его величина КПД не превышает 60 %.

Производство ЛБВ в России[править | править вики-текст]

В России производством ламп бегущей волны занимаются ОАО «Плутон», ОАО "НПП «Исток» и ОАО "НПП «Алмаз», ОАО "НПП "Салют".

НПП «Исток», входящее в холдинг «Росэлектроника», разрабатывает и выпускает мощные лампы бегущей волны на цепочке связанных резонаторов, мощность которых достигает нескольких десятков киловатт[2][3]

На предприятии НПП «Алмаз» была разработана широкополосная лампа бегущей волны, которая содержит замедляющую систему типа спираль, что позволяет многократно улучшить характеристики ламп бегущей волны[источник не указан 79 дней]

См. также[править | править вики-текст]

Источник[править | править вики-текст]

  • Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Том 1. Москва: Физматлит, 2003. 496c.

Примечания[править | править вики-текст]