Усилитель на лампе бегущей волны типа О. Конструкция, основные параметры и характеристики.

Лампа бегущей волны рис. 1 представляет собой длинную стеклянную колбу небольшого диаметра, в одном конце которой размещен ряд электродов (электронная пушка), предназначенных для образования узконаправленного пучка электронов. Электронная пушка обычно состоит из катода, управляющего электрода, одного или двух анодов. В зависимости от требуемой формы электронного пучка (цилиндрической или лентообразной) эти электроды могут отличаться по форме.

Рисунок 1 – Схема устройства типовой маломощной ЛБВ типа О

На рис. 1 приведена схема устройства типовой маломощной ЛБВ типа О. Электронная пушка (прожектор) образована катодом ^ 1, управляющим электродом 2, первым анодом 3 и вторым анодом 4. Эта система электродов обеспечивает необходимую начальную фокусировку пучка и регулировку его тока. Последняя производится изменением потенциала управляющего электрода или первого анода. Второй анод 4 через трубку 6 (антенна) соединен со спиральной замедляющей системой 7. Трубка является элементом связи замедляющей системы с входным волноводом 5, к которому подводится усиливаемый сигнал. Такая же трубка используется для связи с выходным волноводом 9. Для согласования входного и выходного волноводов с замедляющей системой предусмотрены подстроечные элементы 11. Положение спирали задается кварцевыми стержнями или трубками. На поверхность этих держателей наносят слой поглотителя 8 для предотвращения самовозбуждения ЛБВО. Электронный поток проходит внутри спирали, взаимодействует с СВЧ-полем спирали и затем попадает на коллектор 10, который имеет форму стакана или конуса. Фокусирующая система (соленоид) 12 обеспечивает фокусировку электронного пучка на всей длине прибора.

Весьма серьезной проблемой в усилителях на лампах бегущей волны является согласование замедляющей системы с волновым сопротивлением входного фидера и сопротивлением нагрузки. При неполном согласовании лампы с нагрузкой часть энергии СВЧ колебаний отражается, появляется отраженная волна, движущаяся от выхода ко входу, и возникает обратная связь. При выполнении условий баланса фаз, который при длинной замедляющей системе может легко удовлетворяться для ряда частот, в усилителе могут возникнуть автоколебания. Во избежание этого замедляющая система согласуется с входным и выходным фидерами весьма тщательно. Обычно в усилителях на ЛБВ предусматриваются специальные устройства в виде короткозамкнутых отрезков волноводов или коаксиальных линий, включаемых параллельно входу и выходу. Длина таких отрезков может изменяться с помощью подвижных короткозамыкающих поршней.

^ Принцип действия

СВЧ колебания, подлежащие усилению, поступают на вход лампы и далее распространяются вдоль замедляющей системы, образованной спиралью и каркасом фокусирующей катушки. Скорость u_гр распространения электромагнитной волны вдоль провода, свернутого в спираль, равна скорости света. Фазовая скорость u_ф волны, т. е. скорость ее движения вдоль оси спирали, естественно, в pd/t раз меньше, где d — диаметр, а t — шаг спирали. Параметры спирали t и d выбирают такими, чтобы обеспечить нужное замедление (10 ÷ 15), но дисперсия должна быть небольшой, так как требуется равномерное усиление в широкой полосе частот при неизменном ускоряющем напряжении.

Для получения эффективного взаимодействия электронного потока с волной требуется примерное равенство фазовой скорости волны и скорости электронов. По мере движения электронов внутри спирали в поле бегущей волны они взаимодействуют с этой волной. Электроны при входе в спираль, в зависимости от фазы сверхвысокочастотного электрического поля, тормозятся или ускоряются этим полем. В результате разности скоростей электронов происходит их группирование в сгустки. При правильно выбранных скоростях движения электронов и волны сгустки образуются в той части бегущей волны, где электроны претерпевают торможение. Таким образом, при дальнейшем движении электронов они постепенно тормозятся, передавая кинетическую энергию волне, амплитуда которой непрерывно увеличивается. На выходе лампы амплитуда волны достигает величины, значительно превышающей амплитуду сигнала на входе.

^ Параметры и характеристики ЛБВ

Параметр усиления – безразмерный коэффициент.

,

где - сопротивление связи, - ток катода, - потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют примерно .

^ Коэффициент усиления

,

где ( - длина волны пространственной гармоники), С – параметр усиления.

Коэффициент усиления ЛБВ в линейном режиме прямо пропорционален параметру C.

Для выражения коэффициента усиления в децибелах пользуются следующей формулой:

.

Выше представленную формулу при наличии поглотителе можно привести к виду:

,

где дБ; дБ; – учитывает уменьшение коэффициента усиления, вызванное поглотителем, а ^ N – разность электрической длины ЛБВ и поглотителя, так как усилительные свойства на участке поглотителя уже учтены в величине А₁. Очень важно правильно выбрать положение и длину поглотителя. Обычно поглотитель находится на расстоянии примерно (1/3)l от входа, а длина поглотителя не превышает (1/10—1/8)l.

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

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

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

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 V_e ≅ V_ф. 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.