Лампа бегущей волны. Лбв лампа бегущей волны


3. Лампы бегущей волны типа о

152

3.1. Принцип действия лбв типа о и ее конструктивные особенности

В основе работы усилительных и генераторных ЛБВ лежит процесс длительного взаимодействия пучка электронов с бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе. Этим ЛБВ существенно отличаются от приборов СВЧ с резонансными колебательными системами, – триодов, клистронов и магнетронов. Однако в ЛБВ происходят те же основные электронные процессы, что и в других электровакуумных приборах – группировка электронов и передача СВЧ полю энергии электронов, приобретенной ими от постоянного электрического поля.

Важным преимуществом ЛБВ, как усилителей, является их широкополоcноcть. Во всех усилительных приборах с резонансной колебательной системой рабочая полоса частот определяется нагруженной добротностью используемого колебательного контура или системы контуров. В лампах с нерезонансной колебательной системой этого ограничения не существует. Его не существует и при использовании ламп с длительным взаимодействием в качестве генераторов. Их основным достоинством является широкий диапазон электронной настройки.

Для осуществления длительного взаимодействия электронов с электромагнитным полем необходимо соблюдать условия фазового синхронизма, т. е. приблизительного совпадения скорости электроновv0 с фазовой скоростью волныvф:

v0 »vф . (3.1)

Поскольку скорость электронов всегда меньше скорости света с в свободном пространстве, из условия (3.1) следует, что фазовая скорость взаимодействующей с электронами волны также меньшес. Это означает, что электроны должны двигаться вполе замедленной электромагнитной волны. Для этого в большинстве ламп бегущей волны используются замедляющие системы – волноводные структуры, удовлетворяющие условию vф< с.Обычно величина коэффициента замедления лежит в пределах от 2 до 40.

Как известно [1, 8], поле периодических замедляющих систем содержит бесконечное множество одновременно существующих прямых и обратных пространственных гармоник cразличными фазовыми скоростями, бегущих в системе, как в направлении движения электромагнитной энергии, так и в противоположном направлении. Подбирая скоростьv0и направление движения электронов, можно удовлетворить условию синхронизма (3.1) для одной из пространственных гармоник и обеспечить взаимодействие электронного потока как с прямой, так и обратной волнами.

Приборы, в которых электронный поток взаимодействует с основной прямой замедленной волной (положительной пространственной гармоникой), называются лампами прямой волны.За этими приборами закрепилось название лампы бегущей волны. Приборы, в которых используется взаимодействие электронов с обратными волнами (отрицательными пространственными гармониками), появились позднее и получили название лампы обратной волны (ЛОВ).

Отличительной особенностью ламп прямой волны является то, что направление движения электронов совпадает с направлением движения энергии по ЗС. В ЛОВ электронный поток двигается навстречу потоку энергии. Эти особенности определяют расположение входа и выхода СВЧ сигналов. В лампах прямой волны вывод энергии расположен со стороны коллектора, в то время как в ЛОВ вывод энергии находится на другом конце ЗС со стороны электронной пушки.

Лампы прямой и обратной волны подразделяются на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля. К первой группе относятся лампы с продольным магнитным полем, служащим только для фокусировки прямолинейного электронного пучка, так называемые приборы типа О. Вторая группа ЛБВ и ЛОВ называется приборами типа М и отличается тем, что постоянное магнитное поле является поперечным.Электроны в лампах М-типа двигаются в постоянных скрещенных электрическом и магнитном полях, как в обычных магнетронных генераторах.

Классическим представителем подобных микроволновых приборов является усилительная ЛБВО, устройство которой схематически изображено на рис. 3.1. Лампа имеет спиральную ЗС с коаксиальными входом и выходом, электронную пушку с катодом и анодом с потенциалом U0 , таким же, как и потенциал ЗС. Замедляющая система, связанная с внешними линиями передачи, обычно заземляется, так что катод пушки находится под высоким отрицательным напряжением. Электронный поток фокусируется постоянным магнитным полем соленоида и оседает на коллекторе.Движение энергии

Рис. 3.1. Схема устройства усилительной ЛБВ типа О: 1 – катод, 2 – анод (ускоряющий электрод), 3 – коллектор, 4 – спираль, 5 – соленоид, 6 – вход, 7 – выход, 8 – стеклянная колба, 9 – электронный пучок

по ЗС происходит в направлении движения электронов..

Начальный участок спиральной ЗС ЛБВ выполняет функции устройства, модулирующего электронный поток по скорости. Электронные сгустки, формирующиеся по мере движения вдоль оси лампы, наводят в той же спирали ток и

создают тормозящее высокочастотное поле, обеспечивающее отбор энергии от электронного потока и усиление входного сигнала.

Условие максимального коэффициента усиления ЛБВ со спиральной ЗС в зависимости от постоянного ускоряющего напряжения U0можно получить из следующих элементарных соображений. В первом приближении можно считать, что электромагнитная волна распространяется вдоль провода; скорость волны при этом равнас. Тогда коэффициент замедления волны, распространяющейся по спирали, равен отношению длины витка к шагу спиралиh. Обозначив средний радиус спирали череза,можно записать фазовую скорость основной замедленной волны в виде

. (3.2)

Последнее уравнение можно представить также в виде

vф =сsiny, (3.2a)

где y– шаговый угол спирали с плоскостью, перпендикулярной оси спирали, определяемый из соотношения

. (3.2б)

Скорость электронов v0определяется постоянным напряжениемU0 и без учета релятивистских эффектов равна

. (3.3)

Из уравнений (3.2) и (3.3) с учетом условия синхронизма v0vфоптимальное ускоряющее напряжение (U0)опт, для рассматриваемого усилителя равно

. (3.4)

Это уравнение не учитывает дисперсии, имеющейся у спиральной ЗС, и влияния диэлектрических опор спирали на величину фазовой скорости.

Рис. 3.2. Зависимость коэффициента усиления ЛБВ типа О от постоянного ускоряющего напряжения U0 при фиксированной частоте

На рис. 3.2 показана качественная зависимость коэффициента усиления ЛБВ от ускоряющего напряжения U0.Максимум этой кривой соответствует оптимальному напряжению, определяемому выражением (3.4).При отклонении ускоряющего напряжения от величиныU0(опт), удовлетворяющей условию синхронизма, выходная мощность ЛБВ резко падает.

Среди других приборов с длительным взаимодействием и нерезонансной колебательной системой ЛБВО находят сейчас наиболее широкое применение в качестве усилителей малого сигнала и мощных усилителей СВЧ.

studfiles.net

Лампа бегущей волны Вики

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[ | код]

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[ | код]

Устройство и принцип действия[ | код]

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 её 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[ | код]

Параметр усиления[ | код]

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

C=RCBI04U03{\displaystyle C={\sqrt[{3}]{\frac {R_{CB}I_{0}}{4U_{0}}}}}, где RCB{\displaystyle R_{CB}} — сопротивление связи, I0{\displaystyle I_{0}} — ток катода и U0{\displaystyle U_{0}} — потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления[ | код]

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[ | код]

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[ | код]

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[ | код]

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 Ve ≅ Vф. 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[ | код]

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

ЛБВ типа М[ | код]

Отличие от ЛБВ типа О[ | код]

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 U0{\displaystyle U_{0}}. В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Устройство и принцип действия[ | код]

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

V0=E0B{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{0}}{B}}}, где V0{\displaystyle V_{0}} — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия, E0B{\displaystyle {\frac {E_{0}}{B}}} — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом (E0{\displaystyle E_{0}}) и магнитном полях (B{\displaystyle B}).

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

V0=EcontrolB{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{control}}{B}}}, то описанное выше условие сводится к

E0=2Econtrol{\displaystyle 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[ | код]

Коэффициент усиления[ | код]
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 в конце 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[ | код]

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

Выходная мощность[ | код]

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

КПД[ | код]

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю Epot=eU0{\displaystyle E_{pot}=eU_{0}},

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

Ekin=mve22=mE02/B22{\displaystyle 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[ | код]

Эта статья или раздел описывает ситуацию применительно лишь к одному региону (Россия), возможно, нарушая при этом правило о взвешенности изложения.

Вы можете помочь Википедии, добавив информацию для других стран и регионов.

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

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]

См. также[ | код]

Примечания[ | код]

Литература[ | код]

  • Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Том 1. Москва: Физматлит, 2003. 496c.
  • Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

ru.wikibedia.ru

Лампа бегущей волны — Википедия РУ

Введение

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

Устройство и принцип действия

  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 её 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

Параметр усиления

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

C=RCBI04U03{\displaystyle C={\sqrt[{3}]{\frac {R_{CB}I_{0}}{4U_{0}}}}} , где RCB{\displaystyle R_{CB}}  — сопротивление связи, I0{\displaystyle I_{0}}  — ток катода и U0{\displaystyle U_{0}}  — потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления

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

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 Ve ≅ Vф. 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

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

ЛБВ типа М

Отличие от ЛБВ типа О

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 U0{\displaystyle U_{0}} . В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Устройство и принцип действия

  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

V0=E0B{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{0}}{B}}} , где V0{\displaystyle V_{0}}  — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия, E0B{\displaystyle {\frac {E_{0}}{B}}}  — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом (E0{\displaystyle E_{0}} ) и магнитном полях (B{\displaystyle B} ).

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

V0=EcontrolB{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{control}}{B}}} , то описанное выше условие сводится к

E0=2Econtrol{\displaystyle 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

Коэффициент усиления
  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 в конце 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

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

Выходная мощность

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

КПД

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю Epot=eU0{\displaystyle E_{pot}=eU_{0}} ,

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

Ekin=mve22=mE02/B22{\displaystyle 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

Эта статья или раздел описывает ситуацию применительно лишь к одному региону (Россия), возможно, нарушая при этом правило о взвешенности изложения.

Вы можете помочь Википедии, добавив информацию для других стран и регионов.

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

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]

См. также

Примечания

Литература

  • Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Том 1. Москва: Физматлит, 2003. 496c.
  • Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

http-wikipediya.ru

Лампа бегущей волны — википедия фото

Введение

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

Устройство и принцип действия

  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 её 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

Параметр усиления

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

C=RCBI04U03{\displaystyle C={\sqrt[{3}]{\frac {R_{CB}I_{0}}{4U_{0}}}}} , где RCB{\displaystyle R_{CB}}  — сопротивление связи, I0{\displaystyle I_{0}}  — ток катода и U0{\displaystyle U_{0}}  — потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления

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

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 Ve ≅ Vф. 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

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

ЛБВ типа М

Отличие от ЛБВ типа О

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 U0{\displaystyle U_{0}} . В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Устройство и принцип действия

  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

V0=E0B{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{0}}{B}}} , где V0{\displaystyle V_{0}}  — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия, E0B{\displaystyle {\frac {E_{0}}{B}}}  — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом (E0{\displaystyle E_{0}} ) и магнитном полях (B{\displaystyle B} ).

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

V0=EcontrolB{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{control}}{B}}} , то описанное выше условие сводится к

E0=2Econtrol{\displaystyle 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

Коэффициент усиления
  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 в конце 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

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

Выходная мощность

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

КПД

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю Epot=eU0{\displaystyle E_{pot}=eU_{0}} ,

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

Ekin=mve22=mE02/B22{\displaystyle 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

Эта статья или раздел описывает ситуацию применительно лишь к одному региону (Россия), возможно, нарушая при этом правило о взвешенности изложения.

Вы можете помочь Википедии, добавив информацию для других стран и регионов.

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

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]

См. также

Примечания

Литература

  • Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Том 1. Москва: Физматлит, 2003. 496c.
  • Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

org-wikipediya.ru

Лампа бегущей волны — википедия орг

Введение

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

Устройство и принцип действия

  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 её 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

Параметр усиления

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

C=RCBI04U03{\displaystyle C={\sqrt[{3}]{\frac {R_{CB}I_{0}}{4U_{0}}}}} , где RCB{\displaystyle R_{CB}}  — сопротивление связи, I0{\displaystyle I_{0}}  — ток катода и U0{\displaystyle U_{0}}  — потенциал последнего анода электронной пушки ЛБВ.

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления

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

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 Ve ≅ Vф. 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

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

ЛБВ типа М

Отличие от ЛБВ типа О

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 U0{\displaystyle U_{0}} . В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Устройство и принцип действия

  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

V0=E0B{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{0}}{B}}} , где V0{\displaystyle V_{0}}  — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия, E0B{\displaystyle {\frac {E_{0}}{B}}}  — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом (E0{\displaystyle E_{0}} ) и магнитном полях (B{\displaystyle B} ).

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

V0=EcontrolB{\displaystyle V_{0}={\frac {E_{control}}{B}}} , то описанное выше условие сводится к

E0=2Econtrol{\displaystyle 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

Коэффициент усиления
  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 в конце 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

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

Выходная мощность

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

КПД

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю Epot=eU0{\displaystyle E_{pot}=eU_{0}} ,

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

Ekin=mve22=mE02/B22{\displaystyle 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

Эта статья или раздел описывает ситуацию применительно лишь к одному региону (Россия), возможно, нарушая при этом правило о взвешенности изложения.

Вы можете помочь Википедии, добавив информацию для других стран и регионов.

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

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]

См. также

Примечания

Литература

  • Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Том 1. Москва: Физматлит, 2003. 496c.
  • Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

www-wikipediya.ru

Лампа бегущей волны - это... Что такое Лампа бегущей волны?

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

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

Устройство и принцип действия

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

Параметр усиления

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

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

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления

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

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 Ve ≅ Vф. 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

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

ЛБВ типа М

Отличие от ЛБВ типа О

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 . В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Устройство и принцип действия

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

, где  — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия,  — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом () и магнитном полях ().

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

, то описанное выше условие сводится к

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

Коэффициент усиления
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

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

Выходная мощность

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

КПД

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю ,

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

В реальных приборах его величина КПД не превышает 60 %.

См. также

Источник

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

Примечания

  1. ↑ Ровенский Г. В. Мякиньков Ю. П. — ведущий разработчик ЛБВ. Фрязино, 2012, 93 c. ISBN 978-5-9901378-4-4.

xzsad.academic.ru

Лампа бегущей волны - это... Что такое Лампа бегущей волны?

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

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

Устройство и принцип действия

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

Параметр усиления

Параметр усиления — безразмерный коэффициент:

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

Значения С составляют ~0,1—0,01.

Коэффициент усиления

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

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 Ve ≅ Vф. 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

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

ЛБВ типа М

Отличие от ЛБВ типа О

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 . В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

Устройство и принцип действия

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

, где  — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия,  — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом () и магнитном полях ().

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

, то описанное выше условие сводится к

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

Коэффициент усиления
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

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

Выходная мощность

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

КПД

КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю ,

Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:

В реальных приборах его величина КПД не превышает 60 %.

См. также

Источник

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

Примечания

  1. ↑ Ровенский Г. В. Мякиньков Ю. П. — ведущий разработчик ЛБВ. Фрязино, 2012, 93 c. ISBN 978-5-9901378-4-4.

dvc.academic.ru