Генераторы на лампах бегущей и обратной волны

Лампа бегущей волны типа «О»

Усилительная лампа бегущей волны типа «О» (ЛБВО) является исторически первым и наиболее распространенным ППВО и в соответствии с развитой классификацией должна именоваться лампой прямой волны (ЛПВО), что более полно отражало бы ее принцип действия. Однако в литературе за ней сохраняется первоначальное название — ЛБВО.

На рис. 5. а показаны ее упрощенная конструктивная схема и схема питания электродов

Условное изображение ЛБВО, соответствующее рассматриваемой конструкции, приведено на рис. 5. б.

Рис. 5. Лампа бегущей волны типа «О»:

а – упрощенная конструктивная схема ЛБВО и питания электродов (1 - катод (электронная пушка); 2 – вакуумный баллон; 3 – фокусирующий (управляющий) электрод; 4 – первый анод; 5 – второй анод; 6 – фокусирующий соленоид; 7 – спираль; 8 – коллектор; 9 – поршень настройки выхода; 10 - поглотитель); б – условное изображение.

Рассмотрим процессы в ЛБВО для следующих случаев.

1. Питание электродов выключено, на входной разъем поступает сигнал. В этом случае входной сигнал распространяется вдоль ЗС в виде замедленной волны и с определенным затуханием поступает на выходной разъем. Ввиду неполного согласования спирали с выходом часть энергии будет отражаться к входу, образуя отраженную и тоже замедленную волну. (Ее ни в коем случае нельзя отождествлять с обратными пространственными гармониками.) Такой режим для лампы безопасен.

2. Источники питания включены, сигнал на вход не поступает. В этом случае электроны, эмитируемые катодом, ускоряются электрическими полями первого и второго анодов (ЗС), фокусируются магнитным полем соленоида и в виде тонкого луча вводятся по оси спирали в пространство взаимодействия. Вдоль оси спирали 7 электроны летят по инерции.

В ЗС при этом электронный поток наводит шумоподобный сигнал, распространяющийся к выходу. При столкновении электронов с коллектором их кинетическая энергия, полученная от источников U_al и U_a2, превращается в тепловую. Этот случай нежелателен, поскольку коллектор может оплавиться.

3. Источники питания включены, на вход поступает радиосигнал. Это нормальный рабочий режим лампы. Поток электронов, эмитируемых катодом, в виде тонкого непрерывного луча поступает на вход пространства взаимодействия по оси спирали, где попадает в электрическое поле тангенциальной составляющей Е_т. Под действием его в каждый период одни электроны ускоряются, другие тормозятся, скорость третьих остается неизменной. Таким образом, поле волны Е_р осуществляет скоростную модуляцию электронов.

На это расходуется часть ее энергии, поэтому напряженность поля Е_т в начале ЗС несколько уменьшается (участок АБ на рис. 6).

Рис. 6. Напряженность тангенциальной составляющей электрического поля замедленной волны вдоль ЗС.

Далее электроны в результате скоростной модуляции при движении к коллектору собираются в сгустки около тех электронов, скорость которых не изменялась. Модуляция по скорости, таким образом, приводит к модуляции электронного потока по плотности. Если скорость электронов на входе в спираль выбрана в соответствии с условием синхронизма (V_cp=l,l - 1,3 V_ф(+о)), то сгустки образуются в тормозящих фазах каждой волны основной гармоники (n=+0).

Лампа обратной волны типа «О» (ЛОВО).

Из названия лампы в соответствии с классификацией следует, что в ней обеспечено энергетическое взаимодействие электронного потока с обратной пространственной гармоникой, т. е. групповая, волна замедленного сигнала распространяется навстречу электронному потоку. Для получения интенсивной обратной пространственной гармоники (n=—0, —1) применяются специальные неоднородные ЗС (встречно-штыревая, лестничная, двухзаходная спираль и др.).

На рис. 7 показана упрощенная конструктивная схема усилительной ЛОВО, цифрами обозначены элементы, конструкция которых или местоположение отличны от таковых в ЛБВО.

Сравнив рис. 5, а с рис. 7, установим, что в отличие от ЛБВО в усилительной ЛОВО вход находится у коллектора, а выход— у катода, поглотитель помещен у коллектора.

Ориентация векторов, определяющих тип ЭВП и вид взаимодействия, показана справа на рис. 7.

Рис. 7. Упрощенная конструктивная схема ЛОВО:

1 –выход; 2 – вход; 3 – поглотитель; 4 – неоднородная ЗС.

Если в лампе обеспечивается условие синхронизма с первой обратной пространственной гармоникой V_ср ≥ V_ф(-1), то в результате усиливается она (Ет(-1)), а вместе с ней и другие пространственные гармоники, следовательно, и весь групповой сигнал, распространяющийся к выходу, так же как и в ЛБВО.

Отличия состоят, во-первых, в том, что электронный поток на входе в пространство взаимодействия сразу же попадает в мощное поле усиленного сигнала, энергично группируется в сгустки и раньше, чем в ЛБВО, начинает работать — отдавать энергию полю. Во-вторых, процесс группировки электронов и усиления гармоники и сигнала в целом на любом участке ЗС взаимосвязаны: чем лучше группируются электроны в сгустки, тем больше они отдают энергии полю, тем оно становится мощнее и, следовательно, лучше осуществляется группировка потока в сгустки — кольцо положительной ОС, таким образом, замыкается. Из-за такой присущей ЛОВО положительной внутренней обратной связи она склонна к самовозбуждению, что наблюдается при k_р > 20 дБ.

Установка поглотителя, как в ЛБВО, не только не повышает k_р, а вообще срывает процесс усиления. Поглотитель, однако, есть. Он размещен у коллектора и предназначен для поглощения сигнала, отраженного от выхода.

Усилительной ЛОВО присущи такие же, как и ЛБВО, характеристики, однако их некоторые параметры гораздо хуже. Как говорилось, у ЛОВО k_р < 20 дБ, в 2—3 раза уже полоса, так как ЗС менее широкополосна. Из этого ясно, почему усилительные ЛОВО не получили распространения. Зато они нашли широкое применение как автогенераторы, именуемые карцинотронами «О».

Внешнее конструктивное отличие карцинотронов «О» — отсутствие входа. Схематично устройство варианта его изображено на рис. 8. а. На этом же рисунке показано электропитание электродов. Условное изображение карцинотрона «О» приведено на рис. 8. б.

Процесс возникновения и генерирования колебаний состоит в следующем. При включении источников питания электронный поток, распространяющийся к коллектору, наводит в замедляющей системе электромагнитные колебания широкого спектра частот. Колебания всех частот в виде замедленных волн распространяются к выходу, где могут быть обнаружены в виде шумоподобного сигнала. Среди всего спектра обратных пространственных гармоник найдется такая, для которой выполняется условие синхронизма V_cp >V_ф(-1) на определенной частоте f. Значит, будет усиливаться эта пространственная гармоника, а с нею весь групповой сигнал этой частоты, что, в свою очередь, приведет к улучшению группировки потока в сгустки этим сигналом и так далее до стационарного режима.

Рис. 8. Карцинотрон «О»:

а – схематическое устройство (1 – катод; 2 – управляющий электрод; 3 – первый анод; 4 – второй анод; 5 – двухзаходная спираль; 6 – фокусирующий соленоид; 7 – внешний провод спиральной ЗС (цилиндр); 8 – поглотитель; 9 – коллектор; б – условное изображение.

При торможении часть кинетической энергии электроны отдадут полю гармоники, значит, мощность ее и соответственно всего сигнала будет нарастать (участок БВ). Максимум энергии электроны отдадут полю, если к моменту достижения коллектора сгусток пройдет тормозящую полуволну поля Е_т. Применительно к ее пространственным гармоникам это означает при V_ф >V_ф(+О)), что сгусток пройдет сквозь одну тормозящую полуволну основной гармоники Е_т(+0) и несколько тормозящих полуволн каждой из всех остальных пространственных гармоник, так как V_ф(+0)>V_ф(n), но число тормозящих полуволн. Должно быть на одну больше числа ускоряющих. Каждая из пространственных гармоник при этом будет пропорционально усилена, следовательно, будут усилены составляющая Е_т и весь сигнал. При правильном выборе соотношение скоростей на входе ЗС (V_cр>V_ф(+0)) у коллектора должно быть - V_cp =V_ф(+о)). Остаток кинетической энергии электроны выделят на коллекторе в виде тепла. КПД ЛЕВО несколько ниже, чем у пролетных клистронов (30—40%). Эффективность взаимодействия электронных сгустков с полем пространственной гармоники будет тем выше, чем больше напряженность поля Е_т и чем плотнее сгустки.

Составляющая Е_т возрастает при уменьшении радиуса спирали, но при этом ухудшаются условия центровки и фокусировки потока, увеличивается количество электронов, попадающих на спираль, что крайне нежелательно, так как она может перегреться.

В заключение рассмотрения режима усиления отметим, что и скоростную модуляцию электронов, и отбор энергии у сгустков осуществляет тангенциальная составляющая Е_т. Нормальная составляющая E_n замедленной волны с электронным потоком не взаимодействует.

Следует подчеркнуть, что помимо выполнения условия синхронизма необходимо, чтобы ток луча был больше определенной величины I_о>I_{о пуск}, где
I_{о пуск} - минимальное (пусковое) значение тока луча, при котором возможна генерация.

Карцинотроны «О» разработаны на мощности от единиц милливатт до десятков киловатт в импульсе. Наиболее ценным свойством их является электронная перестройка частоты за счет изменения напряжения на втором аноде U_a2, обычно соединенном с ЗС. Коэффициент электронной перестройки очень значителен (kf = 1,2 - 3). По этому показателю карцинотроны «О» соперничают с карцинотронами «М», А если еще учесть, что у карцинотронов «О» самый минимальный коэффициент шума (Ш<7), то станет ясно, что в качестве гетеродинов приемников РЛС они гораздо предпочтительнее, чем пролетные и отражательные клистроны.

К числу недостатков приборов типа «О» следует отнести большие питающие напряжения, особенно U_a2, сравнительно низкие КПД необходимость эффективных систем охлаждения. По этим показателям ЭВП типа «О» проигрывают приборам типа «М».

Дата добавления: 2014-12-07