Лампа обратной волны


Лампа обратной волны

Лампа обратной волны (ЛОВ) — электровакуумный прибор, в котором для генерирования электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной, бегущей по замедляющей системе в направлении, обратном направлению движения электронов (в отличие от лампы бегущей волны (ЛБВ)).

ЛОВ

Содержание

Введение

Первые сведения о разработках ЛОВ появились в 1952 году. Одним из создателей ЛОВ является Рудольф Компфнер (Rudolf Kompfner).

Лампу обратной волны иногда называют карцинотроном (или карсинотроном). Чаще такое название можно встретить в зарубежной литературе.

Лампы обратной волны подразделяются на два класса: ЛОВ типа О и ЛОВ типа М. В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. В приборах типа М в энергию СВЧ поля переходит потенциальная энергия электронов, смещающихся в результате многократного торможения и разгона от катода к аноду. Средняя кинетическая энергия при этом остаётся постоянной.

ЛОВ типа О

Устройство и принцип действия

Устройство ЛОВ типа О

Электронная пушка создаёт пучок электронов, движущийся к коллектору. Заданное сечение пучка сохраняется постоянным при помощи фокусирующей системы. Предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему ЛОВ введён СВЧ сигнал, то есть вдоль замедляющей системы справа налево двигается волна с групповой скоростью vгр.

Если бы замедляющая система была однородной, и поле её бы не содержало пространственных гармоник, то фазовая скорость волны была бы направлена так же, как и групповая, то есть навстречу движению электронов. Эффективное взаимодействие между СВЧ-волной и пучком электронов должно было бы отсутствовать.

Однако если замедляющая система имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней поле можно рассматривать как сумму бесконечного множества гармоник. Фазовые скорости этих гармоник могут быть направлены как в сторону движения энергии (прямые волны), так и в противоположную сторону (обратные волны). Можно подобрать ускоряющее напряжение (U_0) для пучка электронов так, чтобы обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн (VeVф).

V_{\phi} = \sqrt{\frac{2e}{m}U_0}

Тогда электроны, поочерёдно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и ту же фазу высокочастотного продольного поля, что приводит к тому, что часть кинетической энергии пучка передаётся СВЧ-полю. При этом электронный поток приобретает модуляцию по скорости, что приводит к модуляции плотности электронного потока (быстрые электроны догоняют медленные). Этот модулированный поток, двигаясь по направлению к коллектору, наводит на замедляющей системе высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуют электроны, двигается навстречу электронному потоку. В результате на выходе лампы около электронной пушки создаётся поле, превышающее первоначальный сигнал. Лампа приобретает свойства автогенератора.

Таким образом, электронный пучок играет в ЛОВ двойную роль — как источник энергии и как звено, по которому осуществляется положительная обратная связь. Эта связь присуща самому принципу ЛОВ и принципиально неустранима, в отличие от других генераторов СВЧ.

При изменении частоты ЛОВ СВЧ-волна может отражаться от нагрузки и поступать обратно в замедляющую систему. Эта отраженная волна может взаимодействовать с электронным потоком, что будет приводить к изменению выходной мощности. Для устранения этих эффектов на конце замедляющей системы, обращенном к коллектору включают самосогласованную нагрузку (поглотитель).

Параметры и характеристики

Диапазон частот

Частота колебаний ЛОВ зависит от напряжения U_0, приложенного между замедляющей системой и катодом. Современные (2005 год) ЛОВ покрывают диапазон частот от единиц ГГц до единиц ТГц.

Ширина диапазона электронной перестройки частот характеризуется либо коэффициентом перекрытия диапазона

\delta_c = \frac{f_{max}}{f_{min}}

либо относительной величиной, выраженной в процентах

\delta_0 = 2 \frac{f_{max}-f_{min}}{f_{max}+f_{min}}100

где f_{max} и f_{min} — максимальная и минимальная частоты диапазона электронной перестройки.

Типичные значения \delta_c — 1,5 ÷ 2.

Крутизна электронной перестройки частоты

Зависимость частоты излучения от напряжения на замедляющей системе ЛОВ имеет нелинейный характер. Это связано с тем, что скорость электронов в потоке v_e пропорциональна квадратному корню из напряжения на замедляющей системе.

При заданных геометрических размерах замедляющей системы частота генерируемых колебаний однозначно определяется величиной напряжения на замедляющей системе:

f = \frac{\sqrt{U_0}}{\alpha+\beta\sqrt{U_0}}, где α и β зависят только от геометрических параметров.

Крутизна электронной перестройки частоты ЛОВ увеличивается при уменьшении напряжения на замедляющей системе. При одинаковых пределах изменения напряжения на замедляющей системе большей крутизной перестройки обладают более высокочастотные ЛОВ. Крутизна перестройки для ЛОВ миллиметрового диапазона составляет десятки мегагерц на вольт, для ЛОВ сантиметрового диапазона — несколько мегагерц на вольт.

Выходная мощность

Выходная мощность колебаний ЛОВ приблизительно пропорциональна величине напряжения на замедляющей системе и разности между рабочим и пусковым значениями тока электронного пучка:

~P_{out} = kU_0(I - I_0), где k — коэффициент пропорциональности, I — ток электронного луча, I_0 — пусковой ток — минимальное значение тока при электронного луча, при котором возникает генерация.

Обычно выходная мощность излучения ЛОВ составляет от нескольких милливатт до нескольких ватт.

Зависимость мощности ЛОВ от напряжения на замедляющей системе

Зависимость мощности излучения от напряжения на замедляющей системе представлена на рисунке. Выходная мощность ЛОВ увеличивается за счёт роста подводимой мощности U_0I. Однако после некоторого значения U_0 происходит уменьшение выходной мощности, связанное с уменьшением разности между рабочим и пусковым значениями тока электронного пучка (I - I_0).

Теоретическая зависимость выходной мощности от напряжения на замедляющей системе показана на рисунке пунктирной линией. Однако реальная зависимость мощности (сплошная линия) имеет гораздо более изрезанный характер. Главной причиной этого является отражение СВЧ-излучения от поглотителя замедляющей системы и устройства для вывода энергии.

Степень неравномерности кривой выходной мощности ЛОВ обычно оценивается величиной перепада этой мощности в диапазоне электронной перестройки:

\delta_P = 10 \lg (\frac{P_{max}}{P_{min}})

Спектр колебаний

Колебания ЛОВ, как и других типов СВЧ генераторов, не являются монохроматическими. Расширение спектральной линии обусловлено случайной модуляцией, являющейся следствием дискретного характера тока электронного луча, эффекта распределения тока луча между отдельными электродами и элементами замедляющей системы, эффекта мерцания катода и других причин.

Однако в ЛОВ с магнитной фокусировкой, как и в других СВЧ приборах типа О, также наблюдается значительная периодическая модуляция амплитуды и частоты колебаний. Одной из причин такой модуляции являются релаксационные колебания, возникающие в электронном потоке в области электронной пушки.

Также причиной модуляции может являться нестабильность источника питания ЛОВ. Поскольку мощность ЛОВ может очень сильно зависеть от напряжения на замедляющей системе, даже незначительное изменение напряжения может приводить к большой модуляции выходной мощности ЛОВ.

КПД

Максимальный коэффициент полезного действия не превышает в ЛОВ типа О нескольких процентов.

ЛОВ типа М

Отличие от ЛОВ типа О

В ЛОВ типа О электроны передают полю свою избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью указанных скоростей. Наоборот, в ЛОВ типа М кинетическая энергия электронов, не изменяется, а изменяется потенциальная энергия, преобразующаяся в энергию СВЧ поля.

Кроме того, в ЛОВ типа М наиболее благоприятное взаимодействие потока электронов и СВЧ поля происходит при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны (Ve = Vф), в то время как для передачи энергии в ЛОВ типа О требуется, чтобы электроны двигались немного быстрее волны.

Устройство и принцип действия

Устройство ЛОВ типа М

Инжектирующее устройство создаёт поток электронов, движущийся к коллектору. Электронный поток создает в замедляющей системе наведенный ток и электромагнитное поле пространственных гармоник. Если ток луча (потока электронов) достаточно велик (больше пускового), на одной из пространственных гармоник, для которой выполнено условие фазового синхронизма (Ve = Vф), 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. Электронный поток в ЛОВ типа М 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. 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.

Вследствие трудностей широкополосного согласования волноводного выхода ЛОВМ с замедляющей системой в ЛОВМ возможны отражения от нагрузки. Для устранения этого эффекта в ЛОВ типа М, как и в ЛОВ типа О, применяют поглотитель.

Параметры и характеристики

Диапазон частот

Также как и в ЛОВ типа О частота излучения зависит от напряжения на замедляющей системе. Обычно ЛОВ типа М используются в диапазоне частот от 200 МГц до 20 ГГц с диапазоном электронной перестройки частоты до 40 %.

Крутизна электронной перестройки частоты

В отличие от ЛОВ типа О в ЛОВ типа М скорость электронов в ЛОВМ прямо пропорциональна U_0 (напряжению на замедляющей системе). Поэтому в ЛОВ типа М для достижения одинакового с ЛОВ типа О перекрытия частотного диапазона требуется меньшее изменение U_0.

Выходная мощность

Современные генераторы на ЛОВ типа М 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 ЛОВ типа М обладают высокой стабильностью частоты и низким уровнем шумов, что позволяет их использование в системах связи с частотной модуляцией.

КПД

Коэффициент полезного действия достигает в ЛОВ типа М 40—50 %.

Применение ЛОВ

ЛОВ применяются в широкодиапазонных сигнал- и свип-генераторах для радиотехнических измерений и радиоспектроскопии, в основном для генерации терагерцового излучения, в гетеродинах быстро перестраиваемых приёмников, в задающих генераторах передатчиков с быстрой перестройкой частоты и т. д.


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Лампа обратной волны" в других словарях:

  • Лампа - получить на Академике рабочий купон на скидку Технопарк или выгодно лампа купить с бесплатной доставкой на распродаже в Технопарк

  • ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ — вакуумный электронный прибор, предназначенный для генерации эл. магн. колебаний СВЧ. По принципу действия Л. о. в. сходна с лампой бегущей волны, но эл ны в ней движутся в направлении, противоположном направлению распространения бегущей эл. магн …   Физическая энциклопедия

  • ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ — электровакуумный сверхвысокочастотный прибор, действие которого основано на взаимодействии электронного потока и замедленной электромагнитной волны, распространяющейся в направлении, противоположном направлению движения электронов. Лампа обратной …   Большой Энциклопедический словарь

  • лампа обратной волны — ЛОБ — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы ЛОБ EN backward wave tube …   Справочник технического переводчика

  • лампа обратной волны — электровакуумный СВЧ прибор, действие которого основано на взаимодействии электронного потока и замедленной электромагнитной волны, распространяющейся в направлении, противоположном направлению движения электронов. Лампа обратной волны… …   Энциклопедический словарь

  • лампа обратной волны — atgalinės bangos lempa statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. backward wave tube; carcinotron vok. Karzinotron, m; Krebsröhre, f; Rückwärtswellenröhre, f rus. карцинотрон, m; лампа обратной волны, f; лампа с обратной волной, f pranc.… …   Fizikos terminų žodynas

  • Лампа обратной волны — (ЛОВ)         лампа с обратной волной, электровакуумный прибор (См. Электровакуумные приборы), в котором для генерирования электромагнитных колебаний СВЧ используется взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной, бегущей по… …   Большая советская энциклопедия

  • ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ — (ЛОВ) электровакуумный СВЧ прибор, работа к рого осн. на взаимодействии электронного потока и замедленной электромагн. волны, распространяющейся в направлении, противоположном направлению движения электронов. В ЛОВ обычно используется встречно… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • лампа обратной волны — Электронная лампа с концентрированным в форме луча или пучка лучей электронным потоком, применяемая для генерирования или усиления сверхвысоких частот, использующая передачу энергии электронов полю бегущей электромагнитной волны,… …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ — электровакуумный СВЧ прибор, действие к poro основано на взаимодействии электронного потока и замедленной эл. магн. волны, распространяющейся в направлении, противоположном направлению движения электронов. Л. о. в. используется в осн. для… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • лампа обратной волны ЛОВ — Прибор О типа, в котором электронный поток взаимодействует с обратной замедленной бегущей волной, при этом направление скорости электромагнитной волны противоположно направлению скорости электронов. [ГОСТ 23769 79] Тематики приборы и устройства… …   Справочник технического переводчика


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.