Лампа бегущей волны предназначена для усиления слабых сигналов СВЧ с большой широкополостностью и малым уровнем собственных шумов.

Рис. 3.7. Упрощёная схема лампы бегущей волны

1. Магнитная фокусирующая система.

2. ЗС.

3. Магнит.

4. Пластины.

5. Коллектор.

6. Ускоряющий анод.

7. Сетка.

8. Катод.

9. Подогреватель.

ЭП предназначена для формирования узкого пучка электронов, направленного вдоль оси замедляющей системы и состоит: из катода, фокусирующего электрода, сетки и анода.

ЗС предназначена для замедления фазовой скорости бегущей волны электромагнитного поля. ЗС связана с входом и выходом ЛБВ. Вход и выход ЛБВ может исполняться либо в виде волноводного фланца, либо в виде коаксиала.

Коллектор – для сбора электронов на выходе ЗС. ЛБВ помещается в металлический цилиндр, являющийся наружным проводником коаксиальной линии, внутренним проводником которой является спираль. Конструкция помещена в фокусирующую магнитную систему, обеспечивающую равномерную фокусировку электронного луча по всей длине.

Принцип действия УВЧ на ЛБВ основан на длительном взаимодействии электронного потока с бегущей волной ЭМП усиливаемых колебаний.

Для пояснения принципа действия УВЧ на ЛБВ рассмотрим 3 случая.

Случай I.

Источники питания включены, но сигнал на вход не подан. Электронный поток от электронной пушки до коллектора является равномерным по плотности (без учета флюктуаций). Скорость электронов в потоке определяется напряжением анода.

,

(e– заряд электрона, m – масса электрона).

На выходе ЛБВ колебаний нет.

Случай II.

На вход усилителя поступает сигнал, но источник питания выключен. Электронный поток отсутствует.

Сигнал возбуждает коаксиальную спиральную линию. По спирали распространяется бегущая волна ЭМП, обегающая виток за витком со скоростью, близкой к скорости света. Распространение же ее вдоль оси спирали будет замедлено во столько раз, во сколько шаг спирали меньше длины витка, т.е.

, где k– шаг спирали, r – радиус спирали, - фазовая скорость.

Случай III.

Вдоль оси спирали – электронный поток и бегущая ЭМВ. Поясним взаимодействие волны с электронным потоком полагая, что фазовая скорость волны v_ф равна скорости электронов v₀. Проследим за группой электронов, вылетевших из пушки в течении одного периода колебаний и попавших на участок волны abc.

Координата Z связана с волной и движется относительно покоящегося наблюдателя со скоростью v_ф.

Электроны на участке волны (ab) находятся в ускоряющем электрическом поле волны, которое увеличивает их скорость и “подгоняет” их вперед. Электроны же на участке bc тормозятся электрическим полем и перемещаются назад по отношению к волне. В результате все электроны с участка abc сдвигаются к (.) b и в итоге в ее окрестности формируется электронный сгусток.

Рис. 3.8. Схема распределения электронов в лампе бегущей волны.

Группирование электронов подобно тому, как это происходит в пространстве дрейфа пролетного клистрона. Различие заключается в том, что в клистроне сила, вызывающая модуляцию по скорости, действовала на электроны только в момент пролета через резонатор, тогда как в рассматриваемом случае электрическая сила действует непрерывно в течении всего времени полета электрона.

Одним из преимуществ ЗС по отношению к резонатору является ее широкополосность.

Для успешного формирования электронов в сгустки необходимо чтобы v_ф = v₀. Это условие в ряде ЗС хорошо выполняется в широком диапазоне частот.

Рассмотрим теперь, как можно осуществить отбор энергии от сгруппированного пучка в пользу поля волны.

Если v₀ =v_ф, то электроны собираются в сгусток в области, где электрическое поле волны практически = 0. Количество отдельных ускоряемых и замедляемых электронов равно друг другу, т.е. сколько энергии поле отдает ускоряемым электронам, столько же получает от тормозящихся. Иная картина наблюдается, если v₀ ¹v_ф.

Если v₀ >v_ф, то образующийся сгусток электронов перемещается вперед, в область, где поле волны тормозящее. Электроны будут тормозиться, терять скорость, и их кинетическая энергия станет переходить в энергию ЭМВ, амплитуда которой должна возрастать.

Перекачка энергии от электронов к волне сопровождается увеличением напряженности поля волны. Увеличение напряженности поля приводит к усилению группирования.

В результате процессы роста амплитуды волны и степени группирования происходят параллельно, экспоненциально нарастая по мере продвижения электронов вдоль замедляющей системы.

Рис. 3.9. Схема концентрации электронов в лампе бегущей волны.

Таким образом усиление СВЧ поля в ЛБВ возможно при соблюдении условия v₀ =v_ф + Dv₀. Dv₀- превышение скорости электронов.

Превышение скорости электронов Dv₀ должно быть таким, чтобы сгустки за время пролета их вдоль спирали не опережали электромагнитное поле более, чем на l_с/2, т.е. Dv₀ t_ПС £l_с/2 или .

Это условие обеспечивается установкой оптимального значения ускоряющего напряжения на втором аноде, которое можно найти из выражения или .

Качественные показатели ЛБВ

1.Коэффициент усиления по мощности - к_р»20¸30 дБ и полностью зависит от P_вх.

2.Полоса пропускания.

Так как. в конструкции ЛБВ отсутствуют резонансные элементы, то полоса пропускания ЛБВ большая и составляет 50% от средней частоты усиливаемых колебаний.

Рис.3.10. Функция мощности на выходе лампы бегущей волны к мощности на входе

3. – составляет » 2¸10дБ и сильно зависит от питающих напряжений (в паспорте на ЛБВ указываются номинальные значения питающих напряжений).

Основные источники шума

- неравномерность вылета электронов из катода;

- перераспределение электронов между электродами электронной пушки и спиралью;

- разброс скоростей электронов при вылете из катода.

Контроль работоспособности ЛБВ осуществляется по контролю питающих напряжений, по току коллектора (характеризует усилительные свойства ЛБВ) и току спирали (характеризует шумовые свойства ЛБВ).

Некоторые типы ЛБВ (УВИ-37 на 5Н64С) в своем составе содержат магниторазрядный насос. Для поддержания в лампе вакуума в течение всего срока службы имеется встроенный газопоглотитель – магниторазрядный насос.

Принцип его действия:

Между двумя титановыми пластинами 4 прикладывается постоянное поперечное магнитное поле от магнита 3.

Под воздействием скрещенных электрического и магнитного полей единичные ионы, всегда имеющиеся в пространстве взаимодействия, совершают сложные движения по петлеобразным траекториям. Имея достаточную кинетическую энергию и большой путь пробега они расщепляют молекулы остаточных газов на ионы, которые притягиваются к титановым пластинам и поглощаются ими.