Сайт "Cner"

Интенсивные исследования и разработки электронных усилителей и генераторов класса ламп с бегущей волной (ЛБВ) (См. «Радио» № 3 и № 5 за 1955 год) привели к открытию новых очень интересных приборов — ламп с обратной волной (сокращенно ЛОВ), которые могут работать как в качестве усилителей, так и в качестве генераторов с самовозбуждением. Большим достоинством генераторов с самовозбуждением типа ЛОВ является широкий диапазон электронной настройки: частоту генерируемых ими колебаний изменяют не путем перестройки контуров или объемных резонаторов при помощи механических манипуляций, как в обычных генераторах, а путем изменения одного или нескольких питающих напряжений.

Во всех генераторах с самовозбуждением как в длинноволновых, так и в сверхвысокочастотных, частота генерируемых колебаний изменяется при изменении питающих напряжений, поскольку последнее приводит к нарушению баланса фаз. На длинных волнах отклонения частоты очень малы, поэтому указанное явление приносит лишь вред; чтобы избавиться от нестабильности частоты, приходится стабилизировать источники питания задающего генератора, применять кварц и т.д. На сверхвысоких частотах нестабильность частоты также вредна — она вызывает необходимость применения высокостабильных источников питания. Однако, поскольку отклонения частоты здесь получаются заметными, то явление зависимости частоты от напряжения можно использовать для настройки, преимуществом которой является скорость ее осуществления. Инерционность электронных процессов в генераторе ничтожна, следовательно, скорость электронной настройки практически определяется лишь инерционностью устройств, вырабатывающих настраивающие напряжения. Генераторы СВЧ с электронной настройкой (обычно в сочетании с медленной механической настройкой) широко применяются в качестве гетеродинов в устройствах с автоматической подстройкой частоты, в качестве генераторов с частотной модуляцией, с качанием частоты и т.п.

Однако у всех существующих электронных генераторов СВЧ диапазон электронной настройки сравнительно неширок; на волне 3 см для отражательных клистронов он равен 30 мГц, что составляет всего 0,3% от средней частоты. Поэтому перестройку таких генераторов по всему диапазону производят механически, а в любой точке диапазона в небольших пределах — электронным способом. На лампе же с обратной волной можно построить генераторы с широким диапазоном электронной настройки (достигающим 50 и более процентов), совсем не имеющие механических ручек управления. Его перестройка осуществляется только изменением анодного напряжения.

Применение генераторов с ЛОВ, обладающих широким диапазоном электронной настройки, позволяет получать новую, совершенную, быстро управляемую аппаратуру СВЧ.

Перейдем к изучению работы ЛОВ (в литературе приборы подобного типа иногда называют «карци- нотронами» от греческого корня, означающего «рак», что по смыслу соответствует обратному движению волны; она «пятится, как рак»). Предварительно вспомним работу обычной ЛБВ (лампы с бегущей волной). В ЛБВ группы электронов движутся синхронно с волной, распространяющейся в замедляющей системе. Замедляющая система чаще всего строится в виде спирали или цепочки объемных резонаторов той или иной формы.

Оказывается, что взаимодействие электронов с полем цепочки резонаторов может осуществляться по-разному. Представим себе цепочку резонаторов простого вида, так называемую гребенку, которая часто применяется в ЛБВ и ЛОВ миллиметрового диапазона волн. Гребенка представляет собой металлический (обычно медный) брусок, в котором профрезерованы поперечные щели. Электроны пропускаются в продольном направлении мимо этих щелей. Чтобы усилить взаимодействие электронного потока и поля щелей, в гребенке профрезеровывают продольные пазы, по которым пропускаются электронные потоки. Фото одной из таких гребенок и чертеж ЛБВ с гребенкой даны на рис. 1. Поперечные щели представляют собой резонаторы, достаточно сильно связанные друг с другом.

 

Если гребенка возбуждена от какого-либо источника колебаний, то при определенной частоте между колебаниями двух соседних резонаторов существует сдвиг фаз, имеющий определенное значение; при изменении частоты подводимых колебаний угол сдвига изменяется. Процесс колебаний цепочки резонаторов можно рассматривать как распространение волны.

Рассмотрим подробнее процесс взаимодействия сгруппированного электронного потока с волной гребенки, изображенной на рис. 2. Допустим, что для данной частоты колебания в каждом резонаторе отстают от предыдущего на 60°. Наилучшие условия отдачи энергии получаются тогда, когда электронный сгусток находится против резонатора, в котором поле по знаку тормозящее, а по величине максимальное (т.е. в данный момент времени имеет амплитудное значение). Допустим, что в исходный момент таким резонатором является обозначенный буквой А, а волна движется в направлении, указанном стрелкой; в том же направлении движется электронный поток. В этот момент в резонаторе Б фаза будет отставать на 60°, в резонаторе В — на 120° (поле изменит направление); в резонаторе Г поле будет проходить через амплитудное значение в противофазе с полем резонатора А, т. е. будет максимально ускорять электроны. В резонаторе Ж фаза и напряженность поля будут такой же, как в резонаторе А, в резонаторе 3 —как в Б, в И — как в В, и т.д., наконец, в Н — как в А и Ж, и т.д.

 

Через одну шестую часть периода Г в резонаторе А фаза будет на 60° запаздывать по сравнению с фазой в исходный момент, т.е. будет такой же, какой была в исходный момент в резонаторе Б, в резонаторе Б будет фаза, как в исходный момент в резонаторе В, и т.д. Иными словами, можно сказать, что за одну шестую часть периода фаза перемещается из резонатора Б в А, из В в Б и т.д., т.е. за это время волна перемещается по цепочке резонаторов на один шаг. Шаг системы (расстояние между осями соседних резонаторов) обозначим буквой h (рис. 2). Следовательно, фазовая скорость равна:
 

 

Если изменить частоту колебаний, то изменяется сдвиг фаз между колебаниями в соседних резонаторах, а также величина фазовой скорости.

Рассматриваемая система на исходной частоте обладает фазовой скоростью, определяемой по формуле (1). Если использовать эту волну, то сгустки электронов должны двигаться с такой же скоростью:

В таких условиях работают обычные ЛБВ с замедляющей системой типа гребенки. Скорости эти обычно велики, и такие лампы требуют высоких анодных напряжений.

Есть и другие возможности получения эффективного взаимодействия электронов и волны. В описанном выше случае, электронный сгусток должен был пролететь расстояние между соседними резонаторами за время одной шестой части периода. При этом, находясь в первый момент, скажем, против резонатора Ж в максимально тормозящей фазе, через Т/6 сгусток оказывался против резонатора Е также в максимально тормозящей фазе. Таким образом он все время отдавал энергию, что обусловливает эффективную работу усилителя. Однако сгусток может двигаться много медленнее н все же попасть в необходимую фазу в резонаторе. Если электронный сгусток будет лететь от резонатора Ж до резонатора Е в течение промежутка времени, равного (l/6)Т, он и в этом случае попадет в максимальную тормозящую фазу, и работа усилителя будет также эффективной. Далее сгусток пролетит за время (1/6)Т до резонатора Д, снова попадает в максимальную тормозящую фазу и т.д. Скорость движения фазы в этом случае составит:

т.е. она будет в семь раз меньше, чем в первом случае, и анодное напряжение потребуется также много меньшее. В этом случае говорят, что электронный поток взаимодействует с первой прямой пространственной гармоникой волны. Если время составит 2(1/6)Т, то это будет вторая гармоника (скорость будет еще меньше), и т.д.

Электронные сгустки могут двигаться и в противоположном направлении. Для встречного электронного потока в исходный момент фаза для поля в резонаторе Ж будет ускоряющей (потому что электроны движутся в противоположном направлении). Тормозящая фаза для встречного потока в этот момент будет в резонаторе Г. Как видно из рис. 2, сила, действующая на электроны встречного потока, у резонатора Г направлена влево, а электроны движутся вправо. Электронный сгусток встречного потока проходит резонатор Г в момент Максимальной тормозящей фазы и направляется к резонатору Д. Для того чтобы сгусток попал в максимальную тормозящую фазу в резонаторе Д, необходимо, чтобы он прошел расстояние между резонаторами (h) за время, равное:

Через такой промежуток времени в резонаторе Д будет максимальная тормозящая фаза. В этом случае фаза движется в направлении, обратном распространению волны, а фазовая скорость равна:

т,е. также замедлена по сравнению с фазовой скоростью основной волны. В этом случае говорят о взаимодействии электронного потока с первой обратной пространственной гармоникой волны. Если время пролета сгустка между резонаторами составит:

то это будет вторая обратная гармоника, и т.д.

Поясним все сказанное простым примером. В Москве на значительном участке Садового кольца производится движение транспорта по «зеленой волне». Светофоры на этом участке переключаются автоматически, И, если транспорт пройдет первый зеленый светофор и будет держать неизменную скорость 40 км/час, то, поскольку времена переключения светофоров подобраны специально, транспорт будет проходить все дальнейшие перекрестки с зеленым светом. Иначе говоря, по цепочке светофоров бежит волна «зеленой» фазы со скоростью 40 км/час. За время, когда транспорт проходит расстояние между двумя перекрестками, следующий светофор переключается на красный и затем на зеленый свет. Но транспорт может ехать много медленнее и все-таки идти в фазе с «зеленой волной». Для этого необходимо Так подобрать его скорость (меньше 40 км/час), чтобы за время проезда одного интервала светофор успевал дважды переключиться на красный и зеленый свет. Это будет работа «на первой прямой пространственной гармонике». При еще более медленном движении светофор успеет переключиться трижды и т.д. Заметим, что вся эта система работает и для встречного потока транспорта, — это работа «на обратных гармониках».

«Зеленая волна» светофоров — это только движение фазы, энергии эта «волна» не переносит. Электромагнитная же волна в цепочке резонаторов несет энергию, как изображено на рис. 2, справа налево. Поэтому то, что мы сказали об «обратных гармониках» для встречного потока транспорта, — это условно. Здесь оба направления равноправны. В цепочке резонаторов обратные гармоники вполне реальны. Мы с самого начала условились, что в этой цепочке имеется одна волна; резонатор Ж передает часть энергии резонатору Е, резонатор Е — резонатору Д и т.д. Работа на прямых гармониках имеет место, когда направление движения электронов совпадает с направлением потока энергии волны. При работе на обратных гармониках эти направления противоположны. Лампы, работающие на обратных пространственных гармониках, и получили наименование «ламп с обратной волной», или «карцинотронов».

Открытие ЛОВ было в известной мере случайным. Многие ученые, проводя исследования работы ЛБВ с гребенками, замечали, что в некоторых режимах наблюдается самовозбуждение на обратных гармониках. В первое время самовозбуждение такого рода считалось паразитным и его пытались подавить, и лишь позднее было обнаружено, что оно позволяет получить плавную электронную настройку в широком диапазоне. В настоящее время ведутся интенсивные разработки ЛОВ, причем получены хорошие результаты с этими приборами не только в сантиметровом, но и миллиметровом диапазонах волн. Кроме гребенок, в настоящее время применяются много и других конструкций замедляющих систем ЛОВ.
 

Принципиальная схема ЛОВ изображена на рис. 3. Замедляющая система с правого конца, нагружена на согласованный эквивалент антенны (поглощающую насадку) так, что отражения на этом конце отсутствуют (на рис. 3 эта насадка не показана). Второй конец (левый) является выводом энергии. Рабочая волна распространяется от нагруженного конца к выводу энергии. Если возникает паразитная встречная волна, она уходит в поглощающую насадку и не отражается. Электронный поток пропускается навстречу волне. Электронная пушка располагается со стороны вывода энергии, коллектор — со стороны поглощающей насадки. В этом внешнее отличие ЛОВ от ЛБВ, в которой вывод энергии находится на одном конце с коллектором. Для фокусировки электронного потока применяется длинная фокусирующая катушка либо цепочка постоянных магнитов.

Рассмотрим работу ЛОВ в режиме самовозбуждения. У выхода замедляющей системы поле резонаторов максимально. Сюда поступает постоянный электронный ток от пушки. Поля первых резонаторов группируют поток, в нем образуются электронные сгустки, летящие навстречу волне. Частота генерируемых колебаний определяется тем, что электронные сгустки должны попадать каждый раз в тормозящие фазы. Это устойчивый режим самовозбуждения. При всяких отклонениях в результате внешних толчков генератор возвращается к данному режиму. Следовательно, частота генерируемых колебаний определяется скоростью электронов, поскольку фазовая скорость первой или второй (в зависимости от выбора) обратной пространственной гармоники должна быть равна скорости электронов, а фазовая скорость связана с частотой колебаний зависимостью, которая называется дисперсионным графиком.

Если изменить анодное напряжение, то условия самовозбуждения будут выполняться на новой частоте, на которой фазовая скорость в силу дисперсионных свойств цепочки резонаторов отлична от предыдущей и равна новой скорости электронов. ЛОВ можно представить как генератор с обратной связью. Действительно, с одной стороны поля первых резонаторов группируют электронный поток, создавая в нем переменный ток, с другой стороны, при дальнейшем пролете электронные сгустки «подпитывают» возвращающуюся волну и снова создают исходную группировку. Однако обратная связь в ЛОВ имеет гораздо более сложный характер, чем в других генераторах с самовозбуждением — триодных, клистронных и т.п. Во-первых, обратная связь в ЛОВ распределена в пространстве — каждая пара соседних резонаторов связана прямой и обратной связью и все резонаторы вместе также связаны этими каналами. Во-вторых, условия самовозбуждения, определяющие частоту, здесь сложнее. В-третьих, каналом обратной связи в ЛОВ является электронный поток, который одновременно выполняет и усилительные функции. Совмещение этих функций возможно благодаря встречному движению электронов и волны.
 

Последнее обстоятельство в сущности и обусловливает возможность получения плавной электронной настройки в широких пределах. Изменяя анодное напряжение и тем самым скорость электронов, мы одновременно воздействуем и на усилительный механизм и на обратную связь так, что частота генерируемых колебаний изменяется плавно. На рис. 4 приведены графики настройки одного из генераторов на ЛОВ миллиметрового диапазона волн. Верхняя кривая относится к работе на первой обратной пространственной гармонике, нижняя — на второй, при которой фазовая скорость волны и соответственно анодное напряжение меньше. На более высоких гармониках падает КПД, и на практике они не применяются.

ЛОВ может работать не только в режиме самовозбуждения, но и в режиме усиления (регенеративном).

Кроме ЛОВ прямолинейных, имеющих прямой электронный поток и продольное фокусирующее магнитное поле, имеются и другие виды ЛОВ — магнетронного типа. В этих лампах замедляющая система сворачивается в кольцо, электронный поток также закручивается поперечным магнитным полем. Эти лампы работают принципиально так же, как и описанные выше, но наличие поперечного магнитного поля и дополнительного радиального электрического поля обусловливает более высокий КПД их. Применяется также ЛОВ с поперечным магнитным полем, с прямолинейной замедляющей системой.

Автор: Е. Науменко

Источник публикации: ж. Радио, 1955, №11, с. 52 - 54