11.3.2. Лампы с бегущей волной

Под лампами с бегущей волной здесь подразумеваются такие устройства, в которых усиление происходит за счет взаимодействия электронного пучка с основной пространственной гармоникой периодической замедляющей структуры. Лампы такого типа впервые были описаны Компфнером [248—251] и Пирсом [361, 366, 367], а в дальнейшем более подробно рассмотрены в работах [109, 267, 268, 269, 424, 455, 464, 542].

Рис. 11.10. Лампа бегущей волны со спиралью. Волна распространяется вдоль спирали слева направо.

На рис. 11.10 показано типичное устройство подобной лампы, у которой в качестве замедляющей структуры использована спираль; фазовая скорость волны равна около 0,1 с при потенциале пучка Такие электронные лампы, магнитное поле в которых применяется только для фокусировки пучка, обычно называют лампой типа О [484].

Комбинируя условия распространения для электронного пучка и замедляющей системы, а также предполагая малую плотность пространственного заряда, получаем основное уравнение лампы с бегущей волной [181, 402, 403]:

где выражение

есть параметр усиления [367]. Величина представляющая собой отношение аксиального электрического поля к мощности, передаваемой вдоль замедляющей структуры, обладает размерностью импеданса.

Формула (11.38) является уравнением четвертой степени относительно у и, следовательно, приводит к четырем возможным значениям постоянной распространения. В понятиях теории поля [85, 401, 402, 403] решения соответствуют быстрой и медленной волнам пространственного заряда и прямой и обратной волнам, распространяющимся в замедляющей системе.

При работе лампы выполняется условие приближенного синхронизма между тремя первыми волнами, в то время как взаимодействием с четвертой волной можно пренебречь. Взаимодействуя с прямой волной, обладающей положительной плотностью потока энергии, медленная волна пространственного заряда распадается на пару волн так же, как в лампе с двойным пучком. Решение уравнения (11.38) показывает, что одна волна затухает с расстоянием, а ее амплитуда изменяется как Амплитуда другой волны изменяется как что соответствует усилению 47,3 С дб на расстоянии, равном длине волны. Нарастающая волна песет в себе выходную мощность, выделяемую в конце спирали. На эту же величину уменьшается энергия медленной волны, и, в конце концов, электронный пучок выходит из спирали с энергией, меньшей, чем он имел на входе. Таким образом, кинетическая энергия электронов преобразуется в полезную выходную мощность.

Взаимодействие волны замедляющей системы с быстрой волной, обладающей положительной плотностью потока энергии, приводит только к фазовым изменениям на величину Однако при некоторых значениях тока и напряжения пучка наблюдается взаимодействие волны замедляющей системы с волной пространственного заряда, приводящее к передаче энергии [164]. При этих условиях Компфнера [252] мощность на выходе ЛБВ отсутствует. Плотность потока энергии вдоль, лампы постоянна; близ входного конца энергия переносится волнами замедляющей структуры, а близ коллектора — электронным пучком.

Были проведены более подробные расчеты величины усиления [100, 260] и, в частности, исследовано влияние, пространственного заряда [141, 147, 332, 457] с помощью введения безразмерного параметра [367] плотности пространственного заряда, который представляет собой отношение емкостного сопротивления между пучком и замедляющей системой к активному сопротивлению системы. Результаты этих работ позволяют вычислить усиление в зависимости от тока пучка и геометрии устройства. Исследовались также влияния распределения скоростей [489] и других факторов [62, 262] на величину усиления.

Для оценки характеристик лампы при большой мощности на

выходе и величины к. п. д. был произведен анализ работы ЛБВ при больших сигналах [117, 330, 459, 460, 492]. Частные теории больших сигналов были получены [56, 330] при условии малой величины усиления и пренебрежения как затуханием, так и влиянием пространственного заряда. В более полных теориях учтены эффекты, обусловленные пространственным зарядом, как при малых [446], так и при конечных [447] значениях С, а также влияние других параметров [224, 316]. Результаты вычислений приведены на графиках [398], чтобы показать распределение амплитуды высокочастотного напряжения вдоль лампы при различных значениях относительной скорости инжекции и сигнала на входе. Изучение этих кривых наводит на мысль о возможных способах повышения к. п. д. до насыщения, например, путем применения фазосдвигающих устройств или постепенного уменьшения шага спирали для снижения скорости волны.

В усилителях на ЛБВ имеется непосредственный электрический контакт между входом и выходом. Отсутствие хорошего согласования может привести к увеличению обратной волны в замедляющей структуре, что в свою очередь вызовет многократные отражения и изменение величины усиления с частотой [90] или, в худшем случае, приведет к нестабильности и самовозбуждению. Эти эффекты можно уменьшить, вводя в замедляющую линию поглотитель с соответствующим затуханием [38, 134, 235]; для сосредоточенного [12,252] затухания усиление уменьшается на одну треть величины затухания.

Экспериментальные исследования показали [101], каким образом номинальная мощность ограничивается конфигурацией аттенюатора; малое активное сопротивление некоторых видов аттенюаторов [69] нагружает замедляющую систему, приводя к снижению усиления и выходной мощности. Влияние вводимого затухания на работу мощных ламп исследовалось с помощью зондов [70]. Невзаимное затухание, основанное на электронных методах [409] или на применении намагниченных ферритов [91, 386], имеет то преимущество, что усиление, достигнутое при отсутствии поглотителя, при этом не уменьшается. Большое эффективное затухание можно получить, используя две раздельные спирали [306], связанные между собой за счет модуляции по скорости, и высокочастотного тока пучка, который остается в имеющихся промежутках.

В одной из ламп [232, 240] выходная спираль работала при несколько отличном напряжении, и на частоте было получено усиление 55—60 дб.

С ЛБВ было проделано большое количество измерений общих характеристик [475], характеристик при малом уровне входного сигнала [410, 411], поперечного сечения пучка [412] и действия отражений [233]. В отдельных случаях применялись графические методы [270]. Проводились также исследования при высоком уровне входного сигнала [70, 101, 237, 476], в том числе были проделаны точные измерения [102] с лампами, моделированными для низких частот.

В качестве замедляющих систем в ЛБВ нашли применение гребенки [26], встречно-стержневые линии (типа «пальцы в пальцы»), волнистый прямоугольный волновод [242, 532], а для частот около гофрированные коаксиальные линии [27, 139]. В устройствах, где требуемая полоса усиливаемых частот составляет примерно 10% основной частоты, лампы со спиралями [391], обладающими дисперсией при токе пучка дают усиление 20 дб. В более общей форме можно сказать, что спирали применяются в тех диапазонах, где у них отсутствует дисперсия; при этом полоса пропускания бывает порядка октавы или больше. Спиральные замедляющие системы обычно размещаются внутри вакуумного баллона, хотя находят также применение и внешние спирали [304, 305]. Для связи со входом и выходом основной замедляющей спирали и внешним аттенюатором применяются вспомогательные спирали [471]. Если в лампе предусмотрена внутренняя [107, 216] или внешняя обратная связь, то получается генератор с самовозбуждением.

ЛБВ находят основное применение в усилителях слабых и средних сигналов; имеется большое количество работ с описанием таких устройств [94, 113, 115,241, 243, 392, 408, 531]. Среднее по диапазону значение усиления составляет 50-60 дб; оно несколько спадает на краях диапазона, равного одной октаве [9, 431]. Были разработаны лампы на частоты [45, 46]. Лампа цельнометаллической конструкции [108] на частоте обеспечивала мощности на выходе при напряжении пучка 750 в и мощности его Низкочастотные лампы [128] обладали в диапазоне усилением 20 дб при к. На другом конце высокочастотного диапазона экспериментальная лампа [276] для при диаметре спирали только давала усиление 19 дб; описаны и другие лампы, работающие на таких частотах [285, 311].

Имеющаяся информация [64, 67, 87, 397] о более мощных лампах с соответствующими замедляющими системами говорит о возможности достижения средней мощности [490, 534]. В последних работах [77, 81, 323] описано применение ЛБВ для генерации мощных импульсов. За счет использования диафрагмированных волноводов [158], в которых связь между резонаторами осуществлялась с помощью щелей, удалось достигнуть хорошего отвода выделяемого тепла. На средней частоте диапазона усиление составляло 35 дб при и мощности на выходе Пучок имеет следующие входные параметры: напряжение ток а и диаметр фокусировка осуществляется магнитным полем с индукцией

В поперечно-лучевых [130, 161] ЛБВ электроны проходят в пространстве взаимодействия расстояние значительноменьшее общей длины лампы. В качестве замедляющей структуры здесь можно использовать сплющенную спираль; для работы лампы необходимо расположить наклонно либо спираль, как на рис. 11.11, а, либо пучок, как на рис. 11.11, б. В лампе возбуждаются три

распространяющисся вперед волны, амплитуда которых в функции расстояния возрастает соответственно по экспоненциальному закону, линейно и как корень квадратный из расстояния. Если проходимое электронами расстояние меньше некоторого критического значения, то усиление не превосходит усиления эквивалентной параллельной лампы и к тому же находится в более сильной зависимости от тока и частоты. Полезная особенность этого устройства состоит в том, что с возрастанием сигнала на входе мощность на выходе достигает величины насыщения, зависящей от характеристик отдельных элементов пучка.

Рис. 11.11. ЛБВ с поперечным током: а — лампа с наклонной спиралью; б - лампа с наклонным пучком; в — теоретические значения усиления и мощности для обычной лампы (1) и для лампы с поперечным током (2). (См. [129].)

Экспериментальные данные поперечно-лучевых ламп с бегущей волной показали [129, 137] хорошее согласие с теоретическими расчетами, результаты которых приведены на рис. 11.11, в.