Принцип работы лампы бегущей волны

В клистроне электроны отдают СВЧ полю часть кинетической энергии в течение короткого промежутка времени, поэтому для увеличения мощности взаимодействия в пролетных клистронах необходимо увеличивать амплитуду высокочастотного электрического поля в зазоре резонатора. Для этого следует увеличить добротность резонаторов, что сужает рабочую полосу частот. Узкополосность является одним из основных недостатков усилительных клистронов.

Для создания широкополосных приборов необходимо использовать принцип непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе. В приборах с длительным взаимодействием, так же как и в клистронах, используется модуляция скорости электронов и плотности электронного потока. При сравнительно слабом входном сигнале в результате длительного взаимодействия электронов с полем бегущей волны получается необходимое группирование электронов. Очевидно, что обмен энергией между электронами и полем происходит в результате взаимодействия электронов с составляющей напряженности электрического поля, совпадающей по направлению со скоростью электронов.

Для эффективного взаимодействия электронов с бегущей волной нужно, чтобы скорость электрона v_e была приближенно равна фазовой скорости электромагнитной волны v_ф в направлении движения электронов. Это называется условием фазового синхронизма и записывается следующим образом:

v_e – v_ф ≈ 0(2.1)

Так как скорость электронов всегда меньше скорости света & свободном пространстве, то для выполнения (2.1) необходимо уменьшать фазовую скорость волны, взаимодействующей с электронами. Для этого используются специальные устройства, которые называются замедляющими системами.

Наглядное представление о группировании электронов дает пространственно-временная диаграмма, представленная на рис. 2. В системе координат, движущейся с фазовой скоростью волны, сплошными линиями показано смещение электронов ∆z относительно волны, а пунктирными — движение электронов в этой же системе координат при отсутствии поля волны. Процесс группирования зависит от соотношения скорости электронов v_e скорости электромагнитной волны v_ф.

Если v_е=v_ф, то электроны группируются в области нулевого значения высокочастотного поля (рис. 2 а) и электронный поток не обменивается энергией с бегущей волной. Если V_е<V_ф, то электроны отстают от волны и группируются в области ускоряющего высокочастотного поля (рис. 2 б), которое сообщает электронам дополнительную скорость. В результате входной сигнал не усиливается, а ослабляется. Если V_е>V_ф, то электроны, находящиеся в ускоряющем поле, приобретают ускорение и перемещаются в область тормозящего поля (рис. 4.1 в), где их движение, замедляется. Следовательно, электроны будут сосредоточены в тормозящем поле и передадут частично свою кинетическую энергию бегущей волне. Амплитуда электромагнитной волны по мере распространения вдоль замедляющей системы будет возрастать. Поэтому необходимым условием усиления ЛБВ является такое соотношение между скоростями V_е и V_ф, при котором скорость электронов V_е немного превышает скорость электромагнитной волны.

Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с полем будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны. Необходимо такое различие в скоростях, чтобы за время движения сгустка вдоль всей длины замедляющей системы он не вышел из области тормозящего поля.

Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на рассмотренном выше механизме длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны. На рис. 3 схематично представлено устройство ЛБВ. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы 3, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная пушка, спиральная замедляющая система 2 и коллектор 5 размещаются в металлостеклянном или металлокерамическом баллоне 7, а фокусирующий соленоид 3 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 4 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 6, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих пленок.

Рисунок 2

2) Кзам,U0,Emz,график Emz(z),Кр,Рвых,η, ηмакс найти

Кзам=с/Vф=3*10^10/(17*10^6)=1764

V0≈Vф ≈17 *10^6

U0= V0^2/(6*10^5)

U0=(17 *10^6)^2/(6*10^5)^2=802.77

Еm вх=(2*(5.5*10^9*6.28/17 /10^6)^2*0.065*100)^0.5=7325

,

где W – волновое сопротивление, Ом;

- ток системы, А.

Находим волновое сопротивление:

9.67*3*10^10/(17*10^6)=17065

C=(17065*0.0011/4/802.7)^(1/3)=0.18

Emz=1/3*7325*e^(3^0.5*5.5*10^9*6.28*0.18/(2*17 *10^6)*z)= 2441*e^(316*z)

=17*10^6/5.5/10^9=0.0031

=25*0.0031=0.0775

0<z<lзс

0<z< 0.0775

Дата добавления: 2015-06-04