лампа обратной волны

ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ (ЛОВ) - генератор эл--магн. колебаний СВЧ-диапазона, принцип действия к-рого основан на преобразовании энергии электронных пучков в энергию СВЧ-излучения в результате длительного синхронного взаимодействия этих пучков с обратными волнами. ЛОВ во мн. отношениях аналогична лампе бегущей волны (ЛБВ) - как по формированию электронных пучков, так и по сходности процессов их самосогласованного взаимодействия с СВЧ-полями. Почти каждому варианту ЛБВ можно поставить в соответствие аналогичный вариант ЛОВ.

Схематич. изображение одной из ЛОВ приведено на рис. 1. Статич. электрич. поле в электронной пушке 1 ускоряет пучок электронов 2, движущихся прямолинейно. Часть кинетич. энергии электронов отдаётся в пространстве взаимодействия обратной эл--магн. волне, фазовая скорость vф к-рой близка поступат. скорости электронов v_e:

а групповая скорость имеет противоположное направление Остаточная энергия пучка рассеивается на коллекторе 5.

Условие фазового синхронизма (1) обеспечивает длительное, по сравнению с периодом колебаний (f - частота), синфазное взаимодействие электронов с волной, если она имеет отличную от нуля продольную компоненту электрич. поля . Волна с такой структурой поля формируется с помощью замедляющей системы 3 (рис. 1), в качестве к-рой часто используются волноводы с периодически изменяющимися параметрами. Подбором пространственного периода d волновода достигается фазовый синхронизм (1) электронов с одной из гармоник обратной волны, вклад других несинхронных гармоник оказывается незначительным.

Рис. 1. Условная схема лампы обратной волны типа "О": 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок; з - замедляющая система; 4 - сгусток электронов; 5 - коллектор; П. В.- пространство взаимодействия.

Взаимодействие электронов с волной в ЛОВ можно рассмотреть на примере замедляющей системы в форме зигзагообразного волновода (рис. 2). В секциях А, В, С, D, F электрич. поле направлено вдоль движения электронов, следовательно, условие выполнено. Если в секции А какая-то группа электронов попала в тормозящую фазу поля волны, бегущей по волноводу справа налево, то подбором периода d и длины зигзага волновода можно добиться того, чтобы при подлёте этой же группы электронов к след. секции В поле волны опять оказалось тормозящим, и так для всех последующих секций. В результате первоначально стационарный и однородный пучок модулируется по скорости - электроны, попавшие в ускоряющую фазу поля, увеличивают свою скорость, а в тормозящую фазу - уменьшают.

Рис. 2. Замедляющая система в виде зигзагообразного волновода.

В дальнейшем из-за неравномерного взаимного смещения частицы собираются в периодич. последовательность сгустков 4 (рис. 1), т. е. в пучке возникает ВЧ-ток. Это явление наз. группировкой или фазировкой частиц. Наведённый ВЧ-ток электронов возбуждает (излучает) ВЧ-поле, к-рое, складываясь с первонач. волной, приводит к её усилению. Чтобы сгруппиров. пучок излучал, а не поглощал эл--магн. волны, нач. скорость электронов v_e должна слегка превышать фазовую . По существу эти два взаимосвязанных процесса - частный случай т. н. индуцированного излучения, составляющего основу большинства генераторов и усилителей с распределёнными параметрами (как классических, так и квантовых - лазеров ).Элементарным излучателем в ЛОВ, изображённой на рис. 1, является одиночный электрон (или сгусток электронов), движущийся равномерно вдоль оси со скоростью Излучение такого электрона наз. черепковским (см. Черенкова-Вавилова излучение), а основанные на нём приборы соответственно относят к классу черенковских. По характеру группировки их наз. приборами типа "О" ("осевое" движение) или приборами с инерционной группировкой, поскольку процесс этот может продолжаться и на участках свободного дрейфа электронов (см. Клистрон).

В ЛОВ постулат. движение электронов и поток энергии обратной эл--магн. волны направлены навстречу ДРУГ другу, это приводит к образованию распределённой внутр. обратной связи. Поэтому при превышении электронным током I нек-рого стартового значения возникает автоколебат. режим даже при условии полного согласования входа и выхода замедляющей системы. Частота автоколебаний f_а определяется условием фазового синхронизма (1) и, следовательно, зависит от величины скорости электронов к-рая, в свою очередь, определяется ускоряющим напряжением U, подаваемым на электронную пушку (электронная перестройка частоты). Для иллюстрации перестройки частоты на диаграмме (рис. 3; k - волновое число) приведены возможные дисперсионные характеристики обратной эл--магн. волны (кривая 1)и волн электронного ВЧ-тока в пучке (линии 2); сплошные и пунктирные линии соответствуют разным U. Так как частота генерации f_а определяется пересечением линий 1 и 2, то при изменении U изменяется и частота. Кривая 1 в области пересечения её с линиями 2 наклонена вниз поскольку Каждой линии 2 соответствуют две волны электронного ВЧ-тока, одна из к-рых переносит "отрицат." энергию (этим понятием пользуются, когда в целом положит. энергия пучка при возбуждении волны уменьшается). Взаимодействие волн с положит. и отрицат. энергиями, если одна из них обратная, приводит к возникновению абсолютной неустойчивости, что и является причиной существования автоколебат. режима в ЛОВ.

Рис. 3. Дисперсионные характеристики обратной электромагнитной волны 1 и высокочастотных электронных волн в пучке 2.

ЛОВ - один из самых широкодиапазонных СВЧ-автогенераторов с электронной перестройкой частоты. Этим объясняется многообразное применение их в радиотехнич. и измерит. аппаратуре в качестве свин-генераторов, гетеродинов, быстроперестраиваемых задающих СВЧ-генераторов и т. д. При токе электронного пучка, меньшем стартового ЛОВ работает как узкополосный регенеративный усилитель, перестраиваемый напряжением U, что широко используется на практике. Если то в ЛОВ возникает автомодуляц. режим - генерируется периодич. последовательность радиоимпульсов. Дальнейшее увеличение тока I может привести к генерации последовательности уже не повторяющихся по форме импульсов.

Кроме ЛОВ типа "О" известны ЛОВ типа "М", ЛОВ МЦР, ЛОВ-убитрон, ЛОВ на аномальном эффекте Доплера, ЛОВ с плазменными электродинамич. системами и др. Их объединяет явление образования распределённой внутренней обратной связи, тогда как механизм индивидуального излучения электронов, а также их группировка могут различаться. Напр., в ЛОВ типа "М", как и в магнетроне (отсюда и назв. ЛОВ типа "М"), электроны движутся в скрещенных электрич. и магн. полях. Под действием синхронного ВЧ-поля электроны отдают ему свою потенц. энергию, перемещаясь в область с более высоким потенциалом. Работа ЛОВ МЦР (мазер на циклотронном резонансе в варианте ЛОВ) и ЛОВ-убитрон основана на тормозном излучении электронов, фазовое условие (1) при этом заменяется на

где - частота колебаний электронов в статич. полях.

может принимать и отрицат. значения, если в этом случае обратной становится волна ВЧ-тока в пучке, а эл--магн. волна - прямая но распространяется навстречу пучку hi 80-х гг. были разработаны ЛОВ типа "О", работающие в диапазоне частот 1-700 ГГц с мощностью до 10 Вт (в ДВ-части диапазона и монотонно уменьшающейся с увеличением частоты) и перестройкой частоты, превышающей октаву: . Освоен выпуск ЛОВ типа "М", работающих в диапазоне частот 0,5-20 ГГц, с выходной мощностью до 1 кВт п перестройкой до октавы. Кпд ЛОВ типа "О" обычно не превосходит неск. процентов, а ЛОВ типа "М" может превышать 50%. На лаб. макетах импульсных ЛОВ типа "О" с пучками релятивистских электронов была достигнута пиковая мощность выходного излучения ГВт при кпд 15%.

Первое достаточно полное и подробное оппсание явления генерации электронными пучками обратных волн дал С. Мильман (S. Millman) в 1950; общепринятое назв. для этого класса СВЧ-приборов предложили Р. Компфнер (В. Kompfner) и Н. Уильяме (N. Williams) в 1953. ЛОВ типа "М" и типа "О" с релятивистскими электронными пучками вследствие их конструктивных особенностей наз. иногда карцииотронами (от греч. carcinotron - рак, пятящийся назад).

Лит.: Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 2, М., 1972; Кукарин С. В., Электронные СВЧ приборы, 2 изд., М., 1981; Релятивистская высокочастотная электроника, [в. 1 ], Горький, 1979. Н. Ф. Ковалёв.

   <<      Предметный указатель      >>