Конструкция, принцип действия и условия самовозбуждения лампа обратной волны О-типа

Лампы обратной волны О-типа (ЛОВ) являются электронными приборами длительного взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной, распространяющейся по замедляющей системе, и представляют собой маломощные генераторы СВЧ с электронной перестройкой частоты в широких пределах.

Схематическое устройство ЛОВ показано на рис.2.23. Основными элементами ЛОВ являются: электронный прожектор, служащий источником электронов и формирующий электронный пучок; замедляющая система в виде двухзаходной спирали, уменьшающая фазовую скорость распространения электромагнитных волн; вывод высокочастотной энергии, расположенный в начале замедляющей системы со стороны, примыкающей к электронной пушке; коллектор, служащий для рассеивания энергии электронов и отвода тепла от лампы; фокусирующая система магнитного типа, создающая продольное магнитное поле. Электронный прожектор состоит из подогревного катода 1, управляющего электрода 2, первого анода 3. Первый анод служит для уменьшения влияния напряжения на коллекторе, изменяющегося в больших пределах на величину тока коллектора. К первому аноду прикладывается положительное относительно катода напряжение U_а порядком нескольких десятков или сотен вольт, позволяющее регулировать величину тока коллектора. Управляющий электрод обычно соединяют с катодом. На замедляющую систему 4 и коллектор 5 подают положительное относительно катода ускоряющее напряжение U_о порядком нескольких сотен или тысяч вольт, измененяя которое осуществляют перестройку частоты генерации ЛОВ.

Вывод высокочастотной энергии 6 в зависимости от конструкции замедляющей системы может быть коаксиального и волноводного типа. Для упрощения конструкции вывода энергии коллектор и замедляющая система соединяются с корпусом лампы, а катод находится под напряжением по отношению к корпусу. Для уменьшения вредного влияния отраженной от выхода замедляющей системы волны на процессы в лампе у коллектора размещают сосредоточенный поглотитель 7.

Магнитная фокусирующая система 8 выполняется в виде постоянного магнита. Магнитное поле фокусирующей системы направлено вдоль оси замедляющей системы и препятствует расхождению электронного пучка при его движении к коллектору.

Флуктуации электронного потока наводят в замедляющей системе слабые колебания, возникшая при этом электромагнитная волна может быть представлена суммой пространственных гармоник. Фазовая скорость одной из этих гармоник может удовлетворять условию синхронизма V_фn ≈ V₀.

Замедляющие системы ламп обратной волны выполняют таким образом, чтобы амплитуда первой обратной гармоники в замедляющей системе была максимальна. Поэтому электронный поток будет взаимодействовать, прежде всего с полем именно этой гармоники. Взаимодействуя с полем обратной гармоники, электроны начнут группироваться в сгустки и отдавать свою энергию полю волны. Так как амплитуда волны будет нарастать, то эффект группирования электронов и передача энергии волне увеличатся еще более и т.д. Вектор групповой скорости волны противоположен по направлению векторам скорости электронов и фазовой скорости обратной гармоники (рис.2.23). Чтобы в лампе обратной волны установились стационарные колебания, необходимо выполнение двух условий - баланса фаз и баланса амплитуд. Для лампы обратной волны баланс фаз можно записать в виде

(ω* L/ V_ф-1)-( ω* L/ V₀) =π(2n+1) (2.60)

Где L– длина замедляющей системы, n - 0,1,2,3,... - номер зоны (порядка) генерации, Vl₀ - скорость электронов, V_ф-1 – фазовая скорость первой обратной гармоники.

При n = 0 в лампе возникнут колебания основного вида. Для их возбуждения необходимо наименьшее значение скорости электронов V₀, а следовательно, наименьшая величина ускоряющего напряжения U₀. Генерация колебаний в ЛОВ начинается при определенном минимальном значении тока коллектора I₀, которое называется пусковым. При этом выполняется условие баланса амплитуд, которое для ЛОВ заключается в следующем: энергия, получаемая электромагнитной волной, в результате взаимодействия с электронным потоком должна быть достаточной для покрытия всех видов потерь и поддержания процессов модуляции электронного потока.

Для колебаний основного вида величина пускового тока

I_n0=0,124U₀/R_cN­­­­­³ (2.61)

где U₀ - ускоряющее напряжение, R_c - сопротивление связи замедляющей системы для первой обратной гармоники, N = l/λ_c - отношение длины замедляющей системы l к длине волны в замедляющей системе λ_с.

Для самовозбуждения в ЛОВ колебаний первого порядка необходимо, чтобы выполнялось условие

I_п1 > I_o > 2..5I_пo, (2.62)

где I_п - пусковой ток для колебаний первого порядка, I₀ – ток коллектора.