Приборы с распределенным взаимодействием потока электронов с СВЧ полем. Волновые лампы.

К волновым лампам относят СВЧ приборы с длительным взаимодействием пространственно модулированного электронного потока с электромагнитными полями замедляющих структур. При этом различают лампы бегущей волны (ЛБВ) и лампы обратной волны (ЛОВ), использующие для усиления сигнала кинетическую или потенциальную энергию электронного пучка в пространстве взаимодействия. В отличие от клистронов, в которых взаимодействие электронного потока с СВЧ полями “зажато” в узких зазорах резонаторов, в лампах бегущих волн электронный поток испытывает взаимодействие на большом протяжении с замедленной СВЧ волной, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе вместе с потоком. Важным преимуществом ламп бегущей волны в отличие от клистронов являются их широкополосность и диапазон электронной настройки, качества незаменимые при создании широкополосных управляемых усилителей и генераторов СВЧ. Первые из них называются приборами “ О-типа ”, а вторые - “ М-типа ”.

2.1. Лампы бегущей волны “О-типа”

Схема ЛБВ представлена на Рис.2-1. Электронная пушка 1 создает узкий коллимированный пучок электронов, который пронизывает по оси замедляющую структуру 4, выполненную, например, в виде спирали с малым шагом, и далее поступает на коллектор 6. Для преодоления поперечного расплывания пучка как силами собственного объемного заряда так и силами поперечной составляющей электрического поля волны служит продольное магнитное поле соленоида 3. Начало и конец спирали оптимально связаны с входным 2 и выходным 5 волноводами настройкой с помощью согласующих поршней 9. Локальный поглотитель 7 вводят для разделения входа и выхода усилительной лампы с целью устранения ее самовозбуждения, когда небольшое отражение мощной волны на выходе создает нежелательную обратную связь.

Электронный поток взаимодействует внутри спирали с осевой компонентой электрического поля бегущей волны в прямом направлении и при определенных условиях отдает ей часть своей кинетической энергии, приводя к усилению ее сигнала. В той же последовательности, как и в клистронах, электронный пучок должен пройти стадию группирования электронов в сгустки и затем - стадию передачи энергии электромагнитному полю через наведенные токи в замедляющей структуре. Наилучший результат группирования достигается если фазовая скорость

волны равна скорости электронного потока, т.е. v_ф=v₀. */ Пространственная волна

электрического поля в системе координат, связанной с потоком, выводит электроны из состояния равновесия и вынуждает их скапливаться вблизи точек E_z = 0, где электрическое поле волны меняет знак c (+) на (-) в направлении распространения, поскольку положительная полуволна ускоряет электроны, а отрицательная - тормозит их (Рис.2-2а). На группирование нужно достаточное время, особенно если входной сигнал слабый. Это происходит на некотором начальном участке спирали до локального поглотителя 7 (Рис.2-1). При выбранном условии v_ф = v₀ количество ускоренных и замедленных электронов равно друг другу и общая их энергия остается неизменной.

Картина изменится, если равенство скоростей слегка нарушить: v_ф ¹ v₀. Пусть, например, v₀< v_ф, процесс группирования остается удовлетворительным, но волна сгруппировавшихся электронов начинает постепенно отставать по фазе от бегущей волны, пока сгустки не окажутся в ее ускоряющем поле. Электромагнитная волна будет затухать, отдавая энергию электронам (Рис.2-2б). Наоборот, при v₀> v_ф электронные сгустки будут испытывать торможение со стороны волны, находясь в фазе тормозящего поля, их кинетическая энергия будет трансформироваться в энергию волны.

Перекачка энергии от электронов волне увеличивает амплитуду ее поля, но верно и обратное: увеличение поля волны усиливает процесс группирования. Оба процесса, поддерживая друг друга, экспоненциально нарастают по мере движения электронного потока вдоль замедляющей структуры.