ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (ЛБВ), электровакуумный СВЧ прибор, работа к-рого основана на длительном взаимодействии бегущей эл.-магн. волны и электронного потока, движущихся в одном направлении. ЛБВ предназначена гл. обр. для широкополосного усиления СВЧ колебаний в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц, а также для преобразования и умножения частоты и др. целей.
Идея создания ЛБВ принадлежит амер. инж. А. Гаеву, к-рый в 1936 впервые предложил и запатентовал ЭВП, работающий на принципе взаимодействия потока эл-нов с электрич. полем бегущей волны. Первая ЛБВ создана амер. учёным Р. Компфнером в 1943; первые теоретич. работы по ЛБВ опубликованы амер. физиком Дж. Пирсом в 1947.
К осн. узлам ЛБВ относятся: электронная пушка, формирующая электронный поток; замедляющая система, понижающая скорость бегущей волны вдоль оси ЛБВ до скорости, близкой к скорости эл-нов; фокусирующие устройства (периодич. система пост. магнитов, соленоид и др.) для удержания магн. полем электронного потока в заданных границах поперечного сечения по всей его длине; коллектор для улавливания эл-нов; ввод и вывод энергии эл.-магн. колебаний, с помощью к-рых усиливаемый сигнал соответственно вводится в замедляющую систему и выводится из неё, и поглотитель энергии СВЧ колебаний (на небольшом участке замедляющей системы) для устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений волн от концов замедляющей системы (рис. 1).
Усиление СВЧ колебаний в ЛБВ происходит след, образом. Ускоренные в электронной пушке эл-ны влетают в пространство взаимодействия замедляющей системы. В это же пространство через ввод энергии подаются усиливаемые СВЧ колебания. Благодаря определённой конфигурации металлич. элементов замедляющей системы электрич, поле волны в пространстве взаимодействия имеет составляющую, направленную вдоль оси прибора, с к-рой и происходит взаимодействие эл-нов. В замедляющей системе фазовая скорость эл.-магн. волны понижается до скорости, близкой к продольной скорости эл-нов, что позволяет осуществить синхронизм электронов и волн.
Выполнение условия синхронизма — одна из отличит. особенностей ЛБВ.
В результате взаимодействия с электрич. полем бегущей волны эл-ны тормозятся или ускоряются — в зависимости от фазы электрич. поля. При этом происходит модуляция электронного потока по плотности: образование сгустков, сопровождающееся возбуждением в замедляющей системе эл.-магн. поля, тормозящего эл-ны в сгустке. При торможении
эл-ны отдают свою энергию, увеличивая энергию поля волны, т. е. усиливая входной сигнал. Если ср. скорость эл-нов несколько превышает скорость распространения волны, то фаза возбуждаемого сгустками поля близка к фазе поля волны в замедляющей системе и усиление больше, чем при точном синхронизме эл-нов и волны.
Область значений скоростей эл-нов, при к-рых происходит усиление, обычно невелика. В результате торможения сгустков условие синхронизма нарушается, что является одной из причин относительно низкого электронного кпд ЛБВ. Поэтому в режиме большого сигнала ср. скорость эл-нов должна несколько превышать оптимальную скорость по усилению малого сигнала. По способу преобразования энергии источников питания в энергию СВЧ колебаний ЛБВ относятся к О-типа приборам.
Гл. достоинство ЛБВ по сравнению с др. усилит. ЭВП СВЧ (клистронами и магнетронного типа усилителями) — широкая полоса усиливаемых частот. Способность ЛБВ усиливать в широкой полосе частот обусловлена св-вом замедляющей системы сохранять постоянным значение скорости распространения бегущей волны при изменении частоты входного сигнала в широких пределах. Наиболее широкополосными являются ЛБВ со спиральными замедляющими системами; скорость распространения бегущей волны в них сохраняется практически постоянной при изменении частоты входного сигнала в пределах 1—2 октав и более.
В мощных ЛБВ широкое применение нашли замедляющие системы типа цепочек связанных резонаторов, к-рые обеспечивают наиболее эффективный отвод тепла, выделяющегося в результате оседания части электронного потока на их поверхности (см.
Динамическое токооседание). Недостатком таких ЛБВ является сравнительно узкая полоса частот — обычно до 10% от ср. частоты. Замедляющие системы др. типов широкого распространения в ЛБВ не получили.
Для достижения больших коэф. усиления (30—50 дБ и более) с целью предотвращения самовозбуждения замедляющую систему ЛБВ разделяют по длине на 2—3 секции. Секции не имеют связи по СВЧ полю, т. е. эл.-магн. волны не проникают из одной секции в другую. Во второй и третьей секциях СВЧ поле возбуждается сгруппированным потоком эл-нов.
Наряду с обычными усилит. ЛБВ разработаны преобразовательно-усилительные (ПУ) ЛБВ, для к-рых характерно наличие дополнит. модулирующей секции (расположенной между электронной пушкой и первой усилит. секцией), обычно представляющей собой резонатор со своим вводом энергии, имеющий отверстие для пролёта эл-нов (рис. 2). В ПУ ЛБВ электронный поток сначала модулируется по скорости в модулирующей секции СВЧ сигналом с частотой W, а затем поступает в пространство взаимодействия замедляющей системы. Через ввод энергии в пространство взаимодействия вводятся также СВЧ колебания с частотой w, примерно на порядок превосходящей W. Взаимодействие промодулированного (двумя частотами) электронного потока с полем бегущей волны приводит к образованию сложной периодич. последовательности сгустков эл-нов, к-рые в дальнейшем возбуждают в замедляющей системе СВЧ поля с частотами w и w±mW (где m — целое число). Интенсивность каждого из этих СВЧ колебаний на выходе ЛБВ зависит от св-в замедляющей системы на этих частотах. Поскольку практич. интерес представляют, как правило, лишь колебания одной составляющей из всего спектра (чаще всего с частотой w + W), то параметры замедляющей системы оптимизируются для работы именно на этих частотах. В результате на выходе ПУ ЛБВ интенсивность колебаний на частоте w+W во много раз превышает интенсивность колебаний на всех остальных частотах.
В зависимости от назначения ЛБВ разделяют на две группы: усилители входных СВЧ сигналов приёмных устр-в и усилители СВЧ сигналов выходных устр-в. К первой группе приборов относятся преим. маломощные ЛБВ с низким коэф. шума, т. н. малошумящие ЛБВ. В малошумящих ЛБВ устранение осн. причины шума — флуктуации тока, вызываемых дробовым эффектом и отражениями эл-нов от замедляющей системы в области входа, достигается путём выравнивания скоростей эл-нов и плотности тока в прикатодной области многоэлектродной электронной пушки, а также благодаря устранению оседания эл-нов на входной части замедляющей системы.
В зависимости от режима работы различают ЛБВ импульсного, непрерывного и квазинепрерывного действия. В импульсных ЛБВ модуляция тока (выходной мощности) осуществляется изменением напряжения на аноде или сетке (см. Сеточное управление); в ЛБВ квазинепрерывного действия— только на сетке. Существуют также двухрежимные ЛБВ, к-рые могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме, причём их мощность в импульсном режиме на 5—10 дБ превышает мощность в непрерывном (кпд таких ЛБВ в обоих режимах одинаков). При переходе двухрежимной ЛБВ из одного режима работы в другой изменяется ток катода, в то время как ускоряющее напряжение остаётся постоянным. Управление током катода и импульсная модуляция в таком приборе осуществляются с помощью управляющих электродов и сеток.
По уровню выходной мощности различают ЛБВ большой, средней и малой мощности. В зависимости от длины волны к ЛБВ малой мощности обычно относят ЛБВ с выходной мощностью до 1—10 Вт, средней мощности — до 10—100 Вт и большой мощности — св. 100 Вт. По способу компоновки с магн. фокусирующей системой выделяют конструкции ЛБВ двух видов — пакетированные и непакетированные. В пакетир. конструкции магн. фокусирующая система и собственно ЛБВ объединены в одно устр-во, в отличие от непакетированной, в к-рой они представляют собой два самостоят.
устр-ва.
Т. к. электронный кпд ЛБВ сравнительно невелик (обычно 15—20%), в ЛБВ иногда осуществляется режим рекуперации энергии электронов, что позволяет увеличить кпд прибора до 30—45%.
ЛБВ находят широкое применение в передающих и приёмных устр-вах радиолокац. станций, систем связи через искусств. спутники Земли и радиорелейных линий связи. Сочетание высокого коэф. усиления, низкого уровня собств. шумов, относительно небольших габаритных размеров и массы с широкой полосой усиливаемых частот, позволяющей передавать большой объём информации, делает ЛБВ одним из наиболее удобных источников СВЧ энергии для РЛС, устанавливаемых на самолётах, кораблях и др. движущихся установках.
Наряду с рассмотренными ЛБВ применяются ЛБВ М-типа (ЛБВМ). В таких ЛБВ замедляющая система свёрнута в кольцо, а электронный поток движется по круговой траектории. О механизме работы этих приборов см. в ст. Магнетронного типа приборы. Широкого распространения ЛБВМ не получили.
Лит.: Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 2, М., 1972.
Ю. А. Мирошников.
