5.3. Лампа обратной волны типа м (ловм)

В лампах обратной волны типа М, которые могут быть как усилительными, так и генераторными устройствами, взаимодей­ствие электронов осуществляется с обратной пространственной гар­моникой СВЧ поля. В этих приборах обычно используются цилинд­рические электроды. Схема устройства цилиндрической генера­торной ЛОВМ показана на Рис. 5.9. Устройство ЛОВМ сходно с устройством ЛБВМ:

1 – подогреваемый катод;

2 – управляющий электрод;

3 – электронный поток;

4 – волноводный выход;

5 – замедляющая система-анод;

6 – холодный катод;

7 – поглотитель;

8 – второй волноводный выход;

9 – коллектор;

B – постоянное магнитное поле.

Инжектирующее устройство (1 - 2) создаёт поток электронов (3), движущийся к коллектору (9). Электронный поток создает в замедляющей системе (5) наведенный ток и электромагнитное поле пространственных гармоник. На одной из пространственных гар­моник, для которой выполнено условие фазового синхронизма , начинается взаимодействие электронного потока с полем вол­ны, при котором в тормозящих полупериодах электрического поля гармоники будет происходить увеличение её энергии за счет умень­шения потенциальной энергии электронов. В отличие от ЛБВМ, в ЛОВМ электронный поток взаимодействует с обратными простран­ственными гармониками, для которых направления фазовой и груп­повой скоростей противоположны, поэтому электроны движутся к коллектору, а энергия волны им навстречу – к волноводному выхо­ду прибора (4). В результате возникает положительная обратная связь между полем волны и электронным потоком, при которой вол­на, отдавая часть своей энергии на группировку электронов, приоб­ретает большее её количество за счет уменьшения потенциальной энергии сгруппированных электронов.

В результате в ЛОВМ устанавливаются колебания стационар­ной амплитуды, определяемой балансом мощностей (см. ниже). Вследствие трудностей широкополосного согласования волноводного выхода ЛОВМ с замедляющей системой в ЛОВМ возможны отражения от нагрузки. Для устранения этого эффекта в ЛОВМ, как и в ЛОВО, применяют поглотитель (7). Так же, как и ЛОВО, ЛОВМ может быть использована в режиме регенеративного уси­ления, для чего в приборе предусмотрен второй волноводный вы­ход (8).

Баланс фаз. Как и в любом автогенераторе, для обеспечения самовозбуждения ЛОВМ сумма фазовых углов при обходе по кон­туру автогенератора на ЛОВМ должна быть кратна 2р. Поскольку взаимодействие электронного потока с СВЧ полем пространствен­ных гармоник в ЛОВМ осуществляется при равенстве , то это условие выполняется автоматически, так как .

С другой стороны, согласно рассмотренному выше механиз­му генерации СВЧ колебаний, амплитуда усиливаемой гармоники должна быть минимальной в конце замедляющей системы у кол­лектора и максимальной и её начале у подогреваемого катода лам­пы. Иначе говоря, на длине замедляющей системы l должно укла­дываться нечетное число четвертей длин волны: , где n= 1,2,3,...

Поскольку и по (5.17) , , то условие фазового баланса можно записать в следующем виде:

(5.23)

Из (5.23) следует, что различным значениям n должны соот­ветствовать различные значения параметра усиления D и соответ­ствующие им по (5.17) значения величин (или ). Число n при этом (так же, как и в ЛОВО) определяет номер зоны генерации ЛОВМ.

Иными словами, из (5.23) и (5.17) следует, что для каждого заданного значения n можно определить диапазон изменения , в котором возможна генерация СВЧ колебаний ЛОВМ от до (эти значения определяются полосой пропускания замедляющей си­стемы).

Изменение длины волны (частоты) генерируемых колебаний в ЛОВМ при изменении напряжения (электронная перестройка частоты), как и в ЛОВО, объясняется тем, что с изменением происходит изменение скорости электронов и (по условию фазового синхронизма) скорости пространственной гармоники.

Поскольку для обратных пространственных гармоник , то с увеличением напряжения частота генерируемых колебаний растет.

Механизм электронной перестройки частоты в ЛОВМ отли­чается от подобного процесса в ЛОВО тем, что скорость электро­нов в ЛОВМ прямо пропорциональна (b ЛОВО она пропорцио­нальна корню из ). Поэтому в ЛОВМ для достижения одинаково­го с ЛОВО перекрытия частотного диапазона требуется меньшее изменение .

Кроме того, при линейной дисперсионной характеристике за­медляющей системы зависимость также получается линейной, что немаловажно для генераторов с перестраиваемой частотой.

Баланс мощностей. Условие баланса мощностей определя­ет необходимую величину энергии, которая должна быть передана от электронов СВЧ полю волны. Пользуясь соотношениями (5.23) и (5.17), можно получить [1] формулу для величины пускового тока ЛОВМ:

(5.24)

Как следует из (5.24), величина пускового тока возрастает с номером зоны генерации:

(5.25)

Эта особенность связана с тем, что при увеличении n (n = 2,3,..) поле волны меняет фазу и электронные сгустки, образующиеся в тормозящих полупериодах волны, попадают далее в ускоряющие полупериоды.

В результате начинается переформирование и смещение сгус­тков в следующие тормозящие полупериоды электрического поля волны, что снижает эффективность энергообмена электронов СВЧ полем.

Другая наиболее важная особенность заключается в измене­нии частоты генерируемых колебаний при смене зоны генерации. При пусковых токах ЛОВМ может одновременно генериро­вать колебания двух частот. Спектр генерируемых колебаний рас­ширяется, и амплитуда колебаний основной частоты резко умень­шается.

Режим регенеративного усиления. Как и ЛОВО, ЛОВМ мо­жет быть применена для усиления СВЧ сигнала. Для этого у коллек­торного конца замедляющей системы, как и в регенеративном уси­лителе на ЛОВО, размещают ввод усиливаемого сигнала. Дополни­тельным преимуществом усилителя на ЛОВМ, по сравнению с уси­лителем па ЛОВО, является возможность электронного управления не только рабочей частотой, но и шириной полосы пропускания.

Параметры и характеристики генераторов па ЛОВМ

Диапазон рабочих частот. Как и в ЛОВО, параметры за­медляющей системы и электронный режим генераторов на ЛОВМ рассчитываются на рабочую частоту генерируемых колебаний с учетом необходимости электронной перестройки частоты. Обыч­но они используются в диапазоне от 200 МГц до 20 ГГц с диапазо­ном электронной перестройки частоты до 40%.

Выходная мощность. Современные генераторы на ЛОВМ способны обеспечивать выходную мощность в непрерывном ре­жиме порядка десятков киловатт в дециметровом и единиц кило­ватт в сантиметровом диапазонах. В настоящее время они явля­ются самыми мощными генераторами СВЧ колебаний с электрон­ной перестройкой частоты. Синхронизированные генераторы на ЛОВМ обладают высокой стабильностью частоты и низким уров­нем шумов, что позволяет их использование в системах связи с частотной модуляцией.

Электронный коэффициент полезного действия генера­тора на ЛОВМ может быть в силу идентичности процессов опре­делён по формуле (5.22), приведенной для усилителя на ЛБВМ:

В реальных приборах его величина достигает (50 - 60)%.

О сновные характеристики генераторов на ЛОВМ отобра­жают (Рис. 5.10) зависимости выходной мощности, частоты и элек­тронного КПД от напряжения .

Изменение величин , ω, от напряжения объясняется и физическими процессами, рассмотренными выше.