Приветствую Вас, Гость! Регистрация RSS

Сайт "Cner"

Воскресенье, 22.04.2018
Главная » Статьи » Другие статьи » Статьи из литературы

Лампа с бегущей волной

Термин «лампа с бегущей волной» определяет собой целый класс электронных приборов, отдельные представители которого отличаются друг от друга не только конструктивно, но иногда и принципиально. В настоящей статье мы приведем описание нескольких типов приборов этого класса.

Прежде всего выясним, что является общим для приборов класса «ламп с бегущей волной» (ЛБВ) и что дало основание присвоить им это название. Принцип действия приборов этого типа был подробно рассмотрен в предыдущей статье автора (См. статью «Усилители и генераторы сверхвысоких частот» в журнале «Радио» № 3 за 1955 год). Там было показано, что можно получить достаточно эффективное усиление, если заставить взаимодействовать электронный поток и поле бегущей волны. Условием эффективности действия такого усилителя является равенство фазовой скорости распространения волны и скорости распространения сгустков в электронном потоке, иными словами, равенство фазовых скоростей распространения волн в электромагнитной системе и электронном потоке. Поскольку скорость распространения волн в электронном потоке в первом приближении определяется скоростью движения электронов, а последняя ограничивается практически применимыми анодными напряжениями, то электромагнитные системы ламп с бегущей волной должны замедлять скорость распространения волны по сравнению с обычной линией или волноводом. Поэтому такие электромагнитные системы называют замедляющими.

В предыдущей статье было показано, что в ЛБВ можно превратить двухрезонаторный клистрон, заменяя его выходной одиночный резонатор цепочкой резонаторов. Для выяснения всех особенностей ЛБВ разберем работу «классического» усилителя на ЛБВ со спиралью, схематическое изображение конструкции которого дано на рис. 1. Электронный поток создается электронной пушкой. Задачи этой пушки отличны от задач пушек телевизионных трубок. Электронная пушка ЛБВ должна создать электронный луч, поперечное сечение которого по всей длине ограничено и ток значительно больше, чем в телевизионных трубках.
Перечисленные требования определяют конструкцию таких пушек. Для того чтобы поддержать неизменное поперечное сечение электронного потока на значительной длине, т.е. чтобы удержать электронный поток от расхождения, обусловленного действием расталкивающих сил и неточностью сборки лампы, применяется дополнительная магнитная фокусировка с помощью длинной катушки, по которой пропускается постоянный ток. Фокусирующая катушка (на рис. 1 не показана) размещается между волноводами. Создаваемое ею магнитное поле, силовые линии которого параллельны оси, не позволяет электронам значительно отклоняться от последней, закручивая их траектории в виде спиралей с небольшим радиусом. Такого рода фокусировка уже давно применяется в некоторых телевизионных электронных приборах. Практически можно считать, что электроны движутся по прямолинейным траекториям, параллельным оси. Образованный таким способом длинный тонкий электронный поток пролетает по внутреннему каналу спирали, не задевая ее, и затем попадает на коллектор. Спираль является электромагнитной системой, в которой распространяется бегущая волна. Оба конца спирали связаны с линиями, по которым можно подводить и отводить сигнал. На рис. 1 показаны волноводные линии, но возможно также применение коаксиальных.
Внешний вид одного из усилителей на ЛБВ и самой лампы представлен на рис. 2. Стеклянная колба лампы имеет вид длинной тонкой трубки, в которой закреплена проволочная спираль. С одного конца трубки находится электронная пушка, состоящая из катода, фокусирующего цилиндра и анода; с другого конца впаян коллектор. В приемно-усилительных ЛБВ размеры коллектора малы, так как рассеиваемая на нем мощность невелика. На концах спирали имеются антенны (рис. 1), связывающие ее с входной и выходной линиями. Обычно эти антенны выполняются в виде небольших продольных штырей, пересекающих в рабочем положении входной и выходной волноводы, приваренных к спирали. Усилитель состоит из металлической трубы, являющейся экраном спирали, устройства крепления лампы, фокусирующей катушки, обмотка которой расположена поверх трубы, и линий (волноводов, подходящих к концам спирали). На усилителе рис. 2 имеются две дополнительные фокусирующие катушки, расположенные по концам лампы. Когда лампа вставляется в усилитель, спираль помещается в экран, электронный поток попадает в постоянное магнитное поле фокусирующей катушки, а антенны (штыри связи) входят в соответствующие волноводы. Наилучшей фокусировки электронного потока добиваются регулировкой положения лампы в катушке.

Рассмотрим теперь работу усилителя. Если на его вход не подан сигнал, то плотность и скорость электронного потока на всей длине постоянны, т.е. он представляет собой постоянный ток в пространстве, а спираль остается невозбужденной. При подаче сигнала на вход усилителя по спирали начинает распространяться волна. Из рис. 3, на котором показаны электрические линии электромагнитного поля спирали, видно, что это поле имеет продольную составляющую в той области, в которой проходит электронный поток.
На рис. 3 показаны два электрона (в виде кружков со знаком минус) и направления сил поля, действующих на них. В области А направление этой силы совпадает с направлением движения электронов. В области Б наоборот. Следовательно, электроны, попадающие в это поле в области А, начинают ускоряться, через полволны — в области Б — тормозиться и т.д. Иными словами, получается та же картина, что и в клистроне после прохождения электронного потока через рабочий зазор входного резонатора. Периодические колебания скорости электронного потока вызывают группировку электронов, т.е. появление периодически чередующихся сгущений и разрежений: по электронному потоку начинает распространяться волна. Эта волна взаимодействует с волной спирали.

Ранее мы убедились, что эффективное взаимодействие получается при равенстве фазовых скоростей обеих волн, т.е. тогда, когда электронные сгустки движутся синхронно с волной спирали и распространяются в тормозящих фазах (областях Б), При этом в течение длительного времени электроны сгустков испытывают торможение, их кинетическая энергия уменьшается, а энергия поля волны (а следовательно и амплитуда поля) возрастает. В тех местах, где находятся разрежения, электроны ускоряются полем волны, отбирая у него энергию, но количество таких электронов мало и полный эффект сводится к передаче энергии от электронов полю волны, т.е. получается усиление. Требуемое равенство скоростей достигается соответствующим подбором анодного напряжения.

Фазовая скорость распространения электромагнитной волны в спирали значительно меньше, чем в свободном пространстве или в обычных линиях, а тем более в волноводах. На очень коротких волнах, сравнимых с диаметром спирали, грубо можно считать, что волна «прилипает» к проводу спирали и распространяется, обегая все ее витки. На этих волнах фазовая скорость волны в спирали во столько раз меньше скорости света, во сколько длина витка больше шага спирали. С ростом длины волны начинает сказываться взаимодействие соседних витков, вследствие чего фазовая скорость увеличивается. На сравнительно длинных волнах распространение идет, как по прямому проводу.

Таким образом, для частоты сигнала имеется совершенно определенная фазовая скорость распространения волны в спирали. Если сигнал настолько мал, что группировка электронов слабая и сгустки мало выражены на фоне постоянной составляющей электронного потока (это равносильно усилению слабого сигнала обычным усилителем, когда амплитудная характеристика линейна), то скорость движения сгустков можно считать равной средней скорости движения электронов в потоке, определяемой постоянным анодным напряжением. Следовательно, анодное напряжение лампы Uа (в вольтах) должно удовлетворять условию:
где Uф — фазовая скорость волны, зависящая от частоты сигнала.

Итак, при определенном анодном напряжении получается усиление: амплитуда волны, распространяющейся по спирали, по мере приближения к концу возрастает. Выходной сигнал превышает входной по амплитуде и мощности. Как и для любого усилителя, отношение сигнала на выходе ЛБВ к сигналу на ее входе (по напряжению или по мощности) называется коэффициентом усиления.

Из сказанного следует, что при заданном анодном напряжении усиление имеет место лишь на одной определенной частоте. Однако фазовая скорость распространения волны по спирали с изменением частоты изменяется слабо. Поэтому при «постоянном определенном анодном напряжении усиление происходит в некоторой полосе частот. При изменении анодного напряжения полоса усиливаемых частот смещается. Полная ширина полосы частот оказывается чрезвычайно большой.

Рассмотрим факторы, определяющие пределы этой полосы. При значительном укорочении длины волны сигнала напряженность поля спирали в области, где проходит электронный поток, начинает падать — линии поля как бы «прилипают» к спирали, в результате чего усиление уменьшается. При значительном увеличении длины волны сигнала по длине спирали начинает укладываться меньшее количество длин волн — уменьшается электрическая длина спирали, в результате также падает усиление.

На практике рабочий диапазон ЛБВ ограничивается в большей мере устройствами согласования с входной и выходной линиями; эти устройства трудно сделать широкодиапазонными. Тем не менее существуют усилители на ЛБВ, перекрывающие в диапазоне волн около 10 см полосу частот порядка 800 мГц.

Усилители на ЛБВ бывают двух классов: усилители малых сигналов и мощные усилители. Первые из них характеризуются рабочим диапазоном частот (или волн), коэффициентом усиления и коэффициентом шума, который определяет чувствительность (Коэффициент шума показывает, во сколько раз шумы усилителя, отнесенные ко входу, больше шумов идеального усилителя, у которого имеются только тепловые шумы и отсутствуют шумы, связанные с наличием электронных потоков в вакууме. На сверхвысоких частотах, где внешние помехи ничтожны, чувствительность усилителя определяется только собственными шумами). Вторые характеризуются соответственно рабочим диапазоном, коэффициентом усиления, КПД и максимальной выходной мощностью.

Построены усилители малых сигналов на волны 10 см, 3 см и 6 мм. Усилитель на волну 10 см имеет коэффициент усиления до 30 дБ, коэффициент шума 10—12 дБ, полосу пропускания порядка 800 мГц. Уже созданы мощные усилители на ЛБВ, обеспечивающие в дециметровом диапазоне выходную мощность до 1,5 кВт (в непрерывном режиме) и КПД до 20%. Один из таких усилителей и лампа к нему изображены на рис. 4. Лампа имеет мощную электронную пушку, а также хорошо охлаждаемые спираль и коллектор. Экран спирали показан в раскрытом виде. Фокусирующая катушка на рисунке удалена.
Усилитель на ЛБВ, как и любой усилитель, можно поставить в режим самовозбуждения. Для этого необходимо подать часть мощности выходного сигнала на вход по каналу обратной связи, который может быть внешним (в виде линии с соответствующими фильтрами, соединяющей выход со входом) либо внутренним (за счет волны, отраженной от выходного конца спирали при недостаточно хорошем его согласовании с выходной линией усилителя). Явление самовозбуждения является полезным, когда требуется построить генератор на ЛБВ, но может быть и паразитным. Паразитное самовозбуждение по внутреннему каналу обратной связи особенно неприятно. Чтобы избежать его, необходимо тщательно согласовывать концы спирали с линиями, а нагрузку — с выходной линией так, чтобы отражения во всем тракте были минимальными. Для тех же целей на спираль надевают поглощающие насадки.

Усилители малых сигналов на ЛБВ могут применяться в качестве УВЧ приемников диапазона сверхвысоких частот. При этом сигнал от антенны подается на вход ЛБВ, а ее выход подключается к детектору приемника прямого усиления или смесителю супергетеродина. Здесь преимущества применения ЛБВ несомненны. Прежде всего, любые другие усилители» — триоды и тетроды (на дециметровых волнах), клистроны — имеют узкую полосу пропускания, определяемую добротностью примененных резонаторов. Если считать, что добротность нагруженного резонатора клистрона не менее 100, то при λ=10 см полоса усиливаемых частот равна лишь 30 мГц, в то время как у ЛБВ на этих же волнах она составляет 800 мГц. ЛБВ эффективно усиливает вплоть до волн миллиметрового диапазона. И главное ее достоинство — это чрезвычайно малые собственные шумы. Применение ЛБВ позволяет повысить надежность и чувствительность как приемников прямого усиления, так и супергетеродинных.

Мощные ЛБВ могут применяться в качестве предварительных и оконечных каскадов передатчиков диапазона сверхвысоких частот. ЛБВ особенно полезна во всякого рода широкополосных системах.
Интересна лампа с бегущей волной, не имеющая замедляющей системы из металла и содержащая два электронных потока, так называемая «электронноволновая», или «двухлучевая лампа» (рис. 5). Электронная пушка этой лампы содержит два кольцеобразных катода, вследствие чего она создает два электронных потока трубчатой формы — внешний и внутренний. Оба потока фокусируются длинной магнитной катушкой. Короткие отрезки спиралей служат не замедляющими системами, а элементами связи с электронными потоками. Сигнал, приходящий ко входной спирали, создает предварительную группировку электронов.

Ранее было показано, что движение сгустков в электронном потоке сопровождается распространением электромагнитной волны, так как сгустки, имея электрический заряд, создают движение электрического и магнитного поля. Точнее, имеется единый процесс распространения электромагнитной волны в трубке, заполненной движущимися электронами; группировка электронов и создание электромагнитного поля взаимно обусловлены. Таким образом, можно считать, что один электронный поток заменяет собой замедляющую систему, второй является обычным электронным потоком ЛБВ. Конечно, такое представление является упрощенным. Правильнее говорить о взаимодействии электронных потоков, приводящем к росту амплитуды волны.

Для эффективного усиления требуется определенная разность скоростей электронных потоков, которая устанавливается подачей соответствующих напряжений питания. Усиленный сигнал снимается выходной спиралью (сгруппированные потоки возбуждают ее) и подается в выходную линию.

Главным достоинством электронноволновой лампы является в отличие от обычных ЛБВ отсутствие отраженной волны даже при несовершенном согласовании на выходе. Объясняется это тем, что волны, связанные с электронными потоками, распространяются только в направлении движения потока электронов, а трубка из металла сравнительно небольшого диаметра, в которую заключены электронные потоки, является волноводом, у которого критическая длина волны мала и на рабочих частотах лампы волны в ней не распространяются. В результате отсутствия отраженных волн лампы этого типа дают очень большие усиления - до 80 дБ без паразитного самовозбуждения.

Автор: Е. Науменко

Источник публикации: ж. Радио, 1955, №5, с. 39-41
Категория: Статьи из литературы | Добавил: cner (25.07.2017)
Просмотров: 152 | Рейтинг: 0.0/0