Лампи біжучої хвилі (ЛБХ) - вакуумний електронний прилад, в к-ром в результаті тривалої взаємодії рухомих електронів з полем біжить ел - магн. хвилі відбувається посилення цієї хвилі. ЛБХ застосовується гл. обр. як широкосмуговий підсилювач НВЧ-коливань (в діапазоні 1-300 ГГц), іноді (при введенні зворотного зв'язку) як генератор коливань.

Осн. елементи ЛБХ: електронна гармата, яка створює потік електронів; система фокусування і формування електронного потоку за допомогою статич. магн. і електричні. полів; замедляющая система , По до-рій поширюється ел - магн. хвиля, що взаємодіє з електронами в т. н. просторі взаємодії; колектор для відбору пройшли простір взаємодії електронів (РПС. 1, а, б). Наїб. поширення набули ЛБХ, в яких брало електрони рухаються прямолінійно уздовж осі сповільнює системи (тип О), взаємодіючи з поздовжнім електричні. полем сповільненій хвилі. Електронний потік зазвичай фокусується за допомогою поздовжнього статич. магн. поля, створюваного соленоїдом, або периодич. статич. магн. поля, створюваного системою періодично розташованих уздовж осі лампи пост. магнітів (намагнічених кілець) різної полярності. Менш поширені ЛБХ типу М, де електронний потік рухається в поперечно схрещених статич. елект. і магн. полях (як в магнетроні , Звідки і назв.- тип М); в цих лампах електрони взаємодіють як з поздовжнім, так і з поперечним електричні. полем сповільненій хвилі і, отже, відбувається двовимірне рух електронів.

Принцип дії ЛБВ. Необхідною умовою тривалого взаємодії електронів з ел - магн. хвилею є приблизна рівність поздовжньої швидкості електронів і фазової швидкості хвилі ( синхронізм ), Що забезпечується застосуванням сповільнює системи, що зменшує швидкість ел - магн. хвилі від с до У цих умовах кожен електрон лише повільно переміщається щодо поля біжучої хвилі , Залишаючись переважно в гальмує або прискорює фазі її електричні. поля на великій довжині L, що досягає дек. десятків довжин сповільненій хвилі протягом тривалого часу істотно перевищує період коливань В результаті відбувається еф. обмін енергією між електронами і полем, к-рий проявляється як сукупність двох фіз. процесів, що лежать в основі роботи ЛБХ і представляють дві сторони взаємодії: збудження ел - магн. поля сповільненій хвилі потоком електронів ( конвекційним струмом ) І, навпаки, вплив поля хвилі на рух електронів, що приводить до утворення периодич. послідовності згустків електронів (угрупованню) ик виникнення в електронному потоці конвекційних ВЧ-струмів. Разом ці процеси призводять до ЛБХ до передачі енергії від електронного потоку ел - магн. полю.

Мал. 1. Лампа біжучої хвилі: а - типу О; б - типу М, плоска конструкція; 1 - електронна гармата; 2 - уповільнює система; 3 - фокусуються система; 4 - колектор.

Збуджений електронним потоком ел - магн. поле сповільненій хвилі є сумою індивідуальних випромінювань від. електронів. Індивідуальне випромінювання кожного електрона, що рухається рівномірно в уповільнює системі, - окремий випадок Черенкова - Вавилова випромінювання , До-рої при синхронізмі електрона і хвилі направлено вздовж руху електрона. У немодульованих потоці електронів їх індивідуальні випромінювання взаємно знищуються; т. е. в такому потоці немає змінних конвекційних струмів і тому він не збуджує змінні ел - магн. поля. При подачі на вхід ЛБХ ел - магн. коливань частоти в уповільнює системі виникає хвиля з фазової швидкістю Її поле модулює електронний потік, в к-ром утворюється хвиля обурень - периодич. послідовність електронних згустків - довжиною і зі швидкістю Випромінювання електронів, складових згустки, складаються в фазі один з одним, т. Е. Ефективно збуджується додаткова уповільнена хвиля, к-раю складається з вихідної хвилею, якщо згустки електронів утворюються в гальмує фазі нуля (фазова угруповання або фазова фокусування). Т. о., В ЛБХ виникає індуковане випромінювання Черенкова - Вавілова і ел - магн. хвиля при її поширенні уздовж сповільнює системи посилюється, причому фазова швидкість хвилі в системі з електронним потоком виявляється менше фазової швидкості хвилі в системі без потоку.

Фазова угруповання в ЛБХ типу О виходить при недо-ром перевищенні поч. швидкості електронів над фазовою швидкістю хвилі . В системі координат, пов'язаної з хвилею, електрони, спочатку рівномірно розташовані в котрий гальмує і ускоряющем поздовжньому полі хвилі, захоплюються нею і поступово зміщуються під дією поля до точки (Рис. 2). Відносить. швидкість зсуву гальмуються електронів менше, ніж прискорюються, тому згущення електронів відбувається в гальмує фазі поля і енергія в середньому передається від електронів полю. Якщо ж то згущення утворюється симетрично близько точки ЕZ = 0 і обмін енергією між пучком і полем в середньому відсутня: конвекційний струм частоти утворений в пучку під дією поля, зрушений по фазі на по відношенню до поля.

Мал. 2. Розподіл поздовжнього електричного поля сповільненій хвилі , Конвенційного струму I і його основної гармоніки при посиленні сигналу в ЛБХ типу О; х - центр згущення електронів.

В ЛБХ типу М фазова угруповання виходить в результаті дрейфу електронів в схрещених електричні. і магн. полях (див. Дрейф заряджених частинок ) .Поперечное електричні. поле сповільненій хвилі призводить до поздовжнього дрейфу і утворенню згустків близько нульових точок цього поля, де поздовжнє електричні. поле хвилі має макс. значення і гальмує електрони. В результаті згустки віддають свою потенц. енергію хвилі і одночасно дрейфують до уповільнює системі (рис. 1, б); т. о., кинетич. енергія електронів змінюється мало, а посилення хвилі відбувається за рахунок зміни потенційної енергії електронів в статич. елект. поле.

Електронні хвилі в ЛБХ типу О. Модуляція електронного потоку ел - магн. хвилею і, в свою чергу, порушення цієї хвилі електронами призводить до утворення електронно-ел - магн. хвиль, наз. іноді також електронними хвилями. Їх комплексні хвильові числа визначаються в лінійної теорії ЛБХ, справедливої ​​при досить малій потужності підсилюється сигналу, коли обурення щільності і швидкості електронів пучка малі в порівнянні з їх постійними складовими. Спільне рішення ур-ний Максвелла і лінеаризованих ур-ний руху електронів призводить до кубич. ур-нію для k, три кореня догрого відповідають трьом електронним хвилях. При синхронізмі електронного пучка і уповільненою хвилі амплітуда однієї з цих хвиль наростає уздовж лампи: її постійна наростання визначає посилення сигналу на од. довжини в ЛБХ (В дБ), а постійна поширення - фазову швидкість Посилення існує в деякої області відносить. зміни швидкостей - в т. Н. зоні посилення (рис. 3).

Величина і положення зони посилення істотно залежать від параметрів, що визначають властивості ЛБХ, - параметра посилення (позначається також С) і параметра просторового заряду (Позначається також де - плазмова частота з урахуванням поперечних розмірів пучка і впливу сповільнює системи. Параметр посилення характеризує взаємний вплив, зв'язок електронного потоку і поля сповільненій хвилі: де Iе - струм пучка, Ue - прискорює напруга , Ксв - опір зв'язку сповільнює системи, яке визначається поздовжнім електричні. полем хвилі, що діють на електрони. У типових ЛБХ e = 0,05-0,15; з ростом посилення зростає, зона посилення розширюється.

Параметр просторового заряду, пропорційний щільності заряду в пучку, характеризує вплив кулонівських сил расталкивания електронів, що перешкоджають утворенню згустків і тим самим, як правило, зменшують величину посилення (рис. 3). Сили расталкивания електронів і величина параметра просторового заряду істотно залежать від співвідношення довжини сповільненій хвилі, поперечних розмірів електронного пучка і простору взаємодії сповільнює системи: в тонких пучках сили расталкивания малі, а в деяких випадках навіть сприяють гуртування електронів, приводячи до збільшення посилення. Посилення ЛЕВ зменшується також під дією ін. Чинників: втрат в уповільнює системі, розкиду швидкостей неідеальної угруповання і т. д. Роль цих факторів зростає із збільшенням частоти сигналу, особливо при переході в міліметровий діапазон хвиль.

Фазова швидкість наростаючою електронної хвилі відрізняється від швидкості сповільненій ел - магн. хвилі і у всій зоні посилення виявляється менше швидкості електронів це забезпечує правильну фазову угруповання утворюються згустків електронів в гальмує фазі поля і передачу енергії від електронного потоку полю. Поза зоною посилення синхронізм електронів і ел - магн. хвилі істотно порушується, взаємодія між ними стає слабким і три електронні хвилі перетворюються в одну ел - магн. хвилю сповільнює системи і дві хвилі просторового заряду електронного потоку.

Нелінійні явища в ЛБХ типу О. Збільшення амплітуди посилюваної хвилі при її поширенні уздовж сповільнює системи призводить до значить. збурень в русі електронів, сильної модуляції електронного пучка, в результаті чого виникає ряд нелінійних явищ: зменшення пор. швидкості електронів; обгін одних електронів іншими, деформація згустків і рух щодо поля синхронної хвилі; поява вищих гармонік конвекційного струму і поля просторового заряду на частотах . . ., Збудження поля сповільненій ел - магн. хвилі на цих гармониках; розшарування електронного пучка в результаті нерівномірної модуляції пучка по перетину, викликаної нерівномірним розподілом напруженості поля сповільненій хвилі і поля просторового заряду по перетину; зупинка і поворот електронів; поперечні руху електронів під дією НВЧ-полів сповільнює системи і поля просторового заряду. Наїб. важливі перші три явища, принципово пов'язані з механізмом угруповання і суттєві вже при помірних потужностях і невеликих ккд. При посиленні на поч. ділянці лампи електрони згущуються в гальмує фазі поля (рис. 2). Подальша еволюція пучка визначається відставанням згустку від водни і нелінійністю модуляції, що приводить до розпаду згустку. Якщо відмінність поч. швидкості електронів і фазової швидкості хвилі невелика і відповідає центру зони посилення (рис. 3), то утворюється згусток з електронів з приблизно однаковими швидкостями. Під впливом гальмуючого поля він переміщається (спочатку повільно, потім все швидше) до нуля поля, відстаючи від хвилі. Поки згусток залишається в котрий гальмує поле, він віддає енергію хвилі, а в тому перетині лампи, де згусток переходить в прискорює поле, потужність хвилі досягає максимуму, що визначає ккд ЛБХ. Якщо ж різниця досить велика і відповідає правому краю зони посилення, то в спочатку утворюється згусток приходить багато електронів з прискорює фази поля, що мають підвищену швидкість, і тому згусток швидко розвалюється на два. Обидва цих згустку знаходяться спочатку в котрий гальмує поле і віддають енергію хвилі. Потім, поступово відстаючи від хвилі, один з них переходить в прискорює поле і починає забирати енергію у хвилі; в тому перетині лампи, де енергія, що забирається цим згустком, дорівнює енергії, що віддається іншим згустком, виходить макс. потужність посилюваної хвилі. Нелінійні явища визначають ряд важливих характеристик ЛБВ середньої і великої потужності: ккд, вихідну потужність, нелінійні спотворення сигналу і ін.

Мал. 3. Зони посилення ЛБВ типу Про при різних параметрах просторового заряду.

Характеристики ЛБХ типу О. Найбільші смуги підсилюються частот - до 2,5 октав - досягаються в ЛБХ з уповільнює системою у вигляді металеві. спіралі, закріпленої діелектричної. опорами, к-які, однак, погіршують тепловідвід від спіралі, обмежуючи вихідну потужність сотнями Вт в безперервному режимі роботи. В ЛБХ з уповільнюють системами типу ланцюжків пов'язаних резонаторів смуги підсилюються частот менше але зате вихідні потужності досягають десятків кВт в безперервному і одиниць МВт в імпульсному режимах роботи. Типові значення ккд для його збільшення знижують потенціал колектора з метою гальмування електронів і повернення частини їх енергії джерела (рекуперація); використовують також зменшення фазової швидкості хвилі до кінця сповільнює системи для забезпечення синхронізму з гальмуючим електронами, скачки фази поля уздовж системи і ін. прийоми. Коеф. посилення становить G = = 30-60 дБ (А вих, А вх-амплітуда сигналу на виході і вході), причому для запобігання самозбудження ЛБХ через відбиття від кінців сповільнює системи на одному або двох ділянках системи поміщають поглинач енергії НВЧ-коливань. Малопотужні ЛБХ з вихідною потужністю менше 2 Вт використовують в якості малошумливих вхідних підсилювачів з коеф. шуму = 4-20 дБ.

Літ .: Лебедев І. В., Техніка і прилади НВЧ, 2ізд., Т. 2, М., 1972; Кукарин С. В., Електронні СВЧ прилади, 2 видавництва., М., 1981; Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А., Лекції з надвисокочастотної електроніці, М., 1973; Цейтлін М. Б., Фурсаев М. А., Бецкий О. В., Надвисокочастотні підсилювачі зі схрещеними полями, М., 1978. В. А. Солнцев.

покажчик >>