Устройство и принцип действия лампа бегущей волны О-типа (ЛБВО)

Лампой бегущей волны О-типа называют ЭВП СВЧ, в котором используется длительное взаимодействие электронного потока, движущегося в продольном электрическом и магнитном полях с прямой гармоникой сигнала (бегущей волной), распространяющейся вдоль замедляющей системы. ЛБВО представляет собой усилительный прибор СВЧ диапазона. Длительное взаимодействие (в течение десятков и сотен полупериодов) электронов с электрическим полем волны позволяет получить требуемое группирование электронного потока при относительно слабом входном сигнале. Очевидно, что обмен энергией между электронами и волной происходит в результате взаимодействия электронов с продольной составляющей электрического поля волны, совпадающей по направлению со скоростью электронов.

Эффективное взаимодействие электронов с бегущей волной возможно, когда скорость электронов V₀ приближенно равна фазовой скорости электромагнитной волны V_ф в направлении движения электронов. Это называется условием фазового синхронизма и выражается следующим образом: V₀ - V_ф ≈ 0. (2.50) Так как скорость электронов всегда меньше скорости света в свободном пространстве, то для выполнения условия фазового синхронизма необходимо уменьшать фазовую скорость волны, взаимодействующую с электронами. Для замедления волны используются различные нерезонансные замедляющие системы.

На рис. схематично представлено устройство ЛБВО. ЛБВО состоит из трех основных элементов: электронного прожектора (пушки), замедляющей системы, фокусирующей системы. Электронный прожектор служит для создания ускоренного электронного потока с определенным сечением и интенсивностью. Он состоит из подогревного катода К, управляющего электрода УЭ, одного или двух анодов А1, А2. Управляющий электрод находится под небольшим отрицательным напряжением U_у относительно катода, регулируя величину которого можно изменять интенсивность электронного потока, т.е. величину тока луча.

Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением U₀, прикладываемым к анодам лампы А1, А2, замедляющей системе ЗС, коллектору лампы КЛ. Величина U₀ составляет в зависимости от мощности ЛБВ от нескольких сотен вольт до десятков киловольт.Форма электродов, входящих в электронный прожектор, их взаимное расположение и напряжения на них относительно катода в совокупности действуют как электронная линза, предварительно фокусирующая электронный поток. Для фокусировки электронного потока при его движении внутри замедляющей системы для снижения эффекта взаимного расталкивания электронов используется продольное магнитное поле, создаваемое системой постоянных кольцевых магнитов, образующих фокусирующую систему ФС. В мощных ЛБВ для создания фокусирующего магнитного поля могут применяться соленоиды, питаемые постоянным током. Существуют ЛБВО с электростатической системой фокусировки, которые имеют меньшие габариты, вес, но требуют дополнительных питательных напряжений для фокусировки.

Электронный поток, прошедший через замедляющую систему, оседает на коллекторе КЛ, который для улучшения условий охлаждения обычно заземляется. Замедляющая система, связанная с внешними линиями передачи, заземляется так, что катод электронной пушки находится под высоким отрицательным напряжением U₀.

Электронная пушка, замедляющая система, коллектор размещаются внутри вакуумной оболочки ЛБВ. В качестве замедляющей системы в ЛБВО чаще всего используется спираль с малым шагом τ << λ_с. Для предотвращения самовозбуждения ЛБВ в замедляющей системе размещают локальный поглотитель ЛП, с помощью которого устраняется обратная связь, возникающая при отражении сигнала от выхода замедляющей системы. На входе и выходе замедляющей системы используют специальные устройства для согласования ее с линиями передачи, которые могут быть волноводными либо коаксиальными. На вход замедляющей системы поступает СВЧ, сигнал который усиливается в приборе, и с выхода замедляющей системы передается в нагрузку.

Принцип работы ЛБВО основан на динамическом управлении электронным потоком, т.е. на модуляции электронного потока по скорости, которая по мере движения электронов к коллектору переходит в модуляцию по плотности и отборе части кинетической энергии сгруппированного потока электронов при торможении сгустков в электрическом поле бегущей волны. В ЛБВ группирование и отбор энергии от электронов не разделены в пространстве и происходят непрерывно при совместном движении волны и потока электронов в замедляющей системе.

Рассмотрим особенности происходящих в ЛБВ процессов, приводящих к усилению СВЧ колебаний. Ускорение электронов в ЛБВО происходит под действием ускоряющего напряжения U₀, прикладываемого к аноду электронной пушки. Величина ускоряющего напряжения U₀ определяет не только кинетическую энергию электронов, но и условия передачи этой энергии электрическому полю бегущей волны в замедляющей системе. Скорость электронов U₀ при входе в заземляющую систему должна соответствовать условию фазового синхронизма. Модуляция электронов по скорости происходит на начальном участке замедляющей системы под действием продольной составляющей электрического поля Е_z бегущей волны, создаваемой входным сигналом(рис а). Электрон 1, влетевший в замедляющую систему во время ускоряющего полупериода электрического поля, получает приращение скорости, а электрон 3, оказавшийся в тормозящем полупериоде, замедляется. Электроны типа 2 и 4, попавшие в систему в тот момент, когда напряженность СВЧ поля равна нулю, свою скорость не изменяют. Модуляция электронов по скорости приводит к модуляции их по плотности по мере движения вдоль замедляющей системы, при этом непрерывный поток электронов в замедляющей системе превращается в поток электронных сгустков. Группирование происходит вокруг электронов типа 2, попадающих в замедляющую систему в момент перехода СВЧ поля от ускоряющего к тормозящему. Изменение конвекционного тока I_к вдоль замедляющей системы при группировании электронного потока (рис б). Максимальные значения тока соответствуют центрам электронных сгустков, расположенных на расстояниях, близких к длине замедленной волны в системе. Образовавшиеся сгустки возбуждают наведенный ток, протекание которого по замедляющей системе вызывает появление бегущей волны, которая будет оказывать тормозящее действие на электроны сгустка. При этом увеличивается амплитуда взаимодействующей волны и происходит смещение сгустков к ускоряющим полупериодам бегущей волны с одновременным уплотнением сгустков под воздействием возрастающей амплитуды волны. Этот процесс продолжается по мере продвижения сгустков вдоль системы при соблюдении условий синхронизма между средней скоростью электронов и фазовой скоростью взаимодействующей волны. Для эффективной передачи энергии бегущей волне сгустки электронов должны слегка обгонять волну, чтобы находиться в тормозящих полупериодах(рис а). Для этого ускоряющее напряжение U_о должно быть такой величины, чтобы V₀ > V_ф. Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с волной будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны. Поэтому необходимо такое различие в скоростях электронов и волны, чтобы за время движения сгустка вдоль замедляющей системы он не вышел из области тормозящего поля. Обычно разница между V₀ и V_ф не более 5..10 %.

Рис а

Рис б

В результате передачи энергии от электронного потока полю бегущей волны ее амплитуда будет возрастать по мере распространения вдоль замедляющей системы, создавая усиление сигнала, подводимого ко входу лампы. Как показывают расчеты, нарастание амплитуды волны вдоль замедляющей системы происходит по экспоненциальному закону:

Е_L = Е₀ е ^{α z} , (2.51)

где Е_L, Е₀ - амплитуды продольной составляющей волны на входе и выходе замедляющей системы соответственно, α - коэффициент нарастания амплитуды, зависящий от конструкции замедляющей системы.