Изучение лампы обратной волны типа – О (ЛОВО)

 

 

 

Лабораторная работа №3

 

ИЗУЧЕНИЕ ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА – О (ЛОВО)

 

Цель работы: изучить физические принципы действия лампы обратной волны типа – О, ее устройство, параметры и характеристики.

Подготовка к работе: занести в рабочую тетрадь название и цель лабораторной работы, основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы.

 

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Лампа обратной волны (ЛОВ) является широкодиапазонным генератором СВЧ, обладающим электронной перестройкой частоты в пределах 50% и более.

Перестройка частоты генерируемых колебаний ЛОВ осуществляется изменением напряжения на замедляющей системе. Безинерционность перестройки частоты ЛОВ позволяет на их базе конструировать различные схемы автоматизированных измерений СВЧ, схемы радиозащиты и радиопомех.

Генерация в ЛОВ возникает в результате взаимодействия электронного потока с замедленной электромагнитной волной, распространяющейся с фазовой скоростью Vф  в направлении движения электронов.

Как во всяком генераторе, в ЛОВ необходимо выполнение трёх условий:

• наличие положительной обратной связи;
• баланс амплитуд;
• баланс фаз.

 

Используемый в ЛОВО принцип работы оказался очень эффективным для освоения огромного диапазона частот от 1 до 630ГГц. Рекламируемые ЛОВО работают на частотах от 1 до 350ГГц с минимальной выходной мощностью от 10мВт до 10Вт и на частотах 480 – 630ГГц с минимальной выходной мощностью 3мВт.

 

 

2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

 

2.1 Конструкция

На рисунке 1 приведено схематическое изображение конструкции ЛОВ типа – О.

 

2.2 Пространственные гармоники

При возбуждении волны в ЗС в ней возникает бесчисленное множество плоских монохроматических волн, так называемых пространственных гармоник, которые имеют одинаковую частоту ω и групповую скорость Vгр, но разные фазовые скорости Vфр и волновые числа βр. Они возбуждаются одновременно и могут существовать только вместе, так как только при этом удовлетворяются граничные условия. Эти гармоники, суммируясь, образуют электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси Z:

,                                                                (1)

где βр= βо + 2πр/L (р=0, ±1, ±2, …);

Еzp – продольная составляющая напряженности электрического поля р-й гармоники;  

р – номер пространственной гармоники;

βо – волновое число для основной гармоники, при р = 0;

L – период замедляющей системы.

Каждой пространственной гармонике соответствует своя фазовая скорость

,              (2)

где φ0= βоL – фазовый сдвиг основной гармоники на период системы L;

– фазовая скорость основной пространственной гармоники.

Работа прибора на выбранной пространственнолй гармонике осуществляется обеспечением условия синхронизма .

Всем пространственным гармоникам соответствует одна и та же групповая скорость

                                                                             (3)

Гармоники,  для  которых  βр>0,  имеют   фазовую  скорость, одинаково направленную с групповой скоростью Vгр; эти гармоники получили название прямых пространственных гармоник (положительных).

Если βр<0, то гармоника называется обратной (отрицательной), так как ее фазовая скорость направлена противоположно групповой скорости.

2.3 Дисперсия

В замедляющей системе, как и в любой линии передачи, фазовая и групповая скорости зависят от частоты. Эти зависимости называются дисперсионными характеристиками (ДХ) системы или дисперсией.

На практике удобно представлять ДХ в виде зависимости замедления от длины волны в свободном пространстве:

                                                                                                       (4)

                                                                                   (5)

Следовательно, зная зависимость фазового угла от длины волны φ = φ(λ), можно легко построить ДХ для любой пространственной гармоники. ДХ позволяют определить полосу пропускания системы и зависимости фазовых скоростей пространственных гармоник от частоты, а следовательно, согласно принципу синхронизма, необходимые для работы прибора ускоряющие напряжения.

 

 

На рисунке 2 приведены типичные ДХ, построенные в координатах . Из графиков видно, что для всех пространственных гармоник групповая скорость одинакова.                                                                           

Дисперсию называют нормальной, если абсолютное значение фазовой скорости уменьшается с ростом длинны волны, т.е. . При  дисперсия фазовой скорости аномальная. Дисперсия отрицательных пространственных гармоник (р<0) (обратных) всегда аномальная, а положительных (р>0) (прямых) может быть аномальной и нормальной. Характер дисперсии нулевой гармоники (р=0) зависит от того, прямая она или обратная. Если нулевая гармоника обратная, то независимо от типа ЗС дисперсия аномальная.

Так как , то чем больше номер пространственной гармоники, тем меньше фазовая скорость. Максимальная скорость Vфр будет при р=0.

В приборах СВЧ ограничиваются взаимодействием электронного потока с полем пространственной гармоники при р=0, ±1, так как амплитуда поля низших гармоник максимальна.

 

2.4 Взаимодействие

Для пояснения принципа действия ЛОВ предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему (ЗС) ЛОВ введен СВЧ сигнал. Вдоль ЗС справа налево движется волна с групповой скоростью Vгр. Так как ЗС имеет периодическую структуру, то имеющееся в ней электромагнитное поле можно рассматривать как сумму бесконечного множества волн – пространственных гармоник с волновым числом βр, зависящим от номера гармоники р. Фазовые скорости этих гармоник направлены как в сторону движения энергии (прямые гармоники), так и в противоположную сторону (обратные гармоники). В ЛОВ направление движения электронов совпадает с направлением фазовой скорости обратных пространственных гармоник.

Амплитуда поля пространственных гармоник резко уменьшается с увеличением номера гармоники, поэтому в ЛОВ используются обычно такие замедляющие системы, в которых обратная пространственная гармоника является основной гармоникой, либо минус первой. Пусть в ЛОВ электронный поток взаимодействует с полем минус первой пространственной гармоникой, фазовая скорость которой совпадает с направлением движения электронов и равна

                                                                                      (6)

Для эффективного взаимодействия электронного потока и бегущей волны необходимо выполнение условия синхронизма:

                                                                                         (7)

Электроны группируются в сгустки, которые расположены в области тормозящего поля, и отдают при торможении часть кинетической энергии электромагнитной волне. При этом энергия в ЗС в соответствии с направлением групповой скорости распространяется навстречу электронному потоку, т.е. от коллектора к

пушке, поэтому амплитуда поля обратной волны Еzm возрастает в этом же направлении, а амплитуда конвекционного тока Im конв в противоположном (рисунок 3), увеличивая друг друга. Это эквивалентно положительной обратной связи.

Так как   а условие синхронизма для р=-1

может быть записано:

                                                                                 (8)

где U0 – ускоряющее напряжение.

Важной особенностью этого взаимодействия является внутренняя положительная обратная связь, которая и приводит к самовозбуждению лампы. Обратная связь создается электронным потоком, который движется от выхода к входу ЛОВ.

Вывод энергии необходимо располагать возле электронной пушки, а поглотитель – у коллектора. Поглотитель в ЛОВ необходим для предотвращения возбуждения на прямой гармонике, а также для устранения влияния отражений от нагрузки. Если ЛОВ на выходе плохо согласована с нагрузкой, то отраженная волна возвращается в пространство взаимодействия синхронизма и является нерегулируемой, паразитной.

3 ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА

 

3.1 Требования, предъявляемые к ЗС

К замедляющим системам, которые используются в ЛОВ, предъявляется ряд различных требований. Наиболее характерны из них следующие:

1. замедляющая система должна иметь по возможности более широкую полосу пропускания;
2. в замедляющей системе обязательно наличие продольной компоненты электрического поля, совпадающей по направлению с электронным потоком. Величина этой компоненты оценивается сопротивлением связи, которое прямо пропорционально квадрату амплитуды продольной составляющей напряженности электрического поля и должно быть по возможности большим;
3. желательно, чтобы ЗС выдерживала достаточно большие тепловые нагрузки;
4. важным требованием является простота конструкции и изготовления, а также достаточная механическая прочность;
5. кроме того, к ЗС предъявляется ряд специальных требований, таких, например, как вибропрочность, ограничение габаритов, жесткость конструкции и др.

Все ЗС, независимо от конструкции (кроме систем с диэлектрическим заполнением), имеют одну характерную особенность: они периодичны в пространстве, по крайней мере, в продольном направлении, в связи с чем

 

ЗС всегда можно разбить на ряд совершенно одинаковых ячеек, поэтому ЗС называют также периодическими структурами.

3.2 Положительная обратная связь

Существенной особенностью, присущей ЛОВ, является наличие в ней положительной обратной связи (ОС), направляющей часть выходной мощности на вход. Положительная ОС является следствием противоположного направления групповой Vгр и фазовой Vф(-1) скоростей при условии совпадения направления скорости электронов V0 и фазовой скорости Vф(-1). Характерно, что положительная ОС осуществляется через электронный поток и действует на любом элементе длины. Поэтому цепь ОС можно рассматривать как распределенную, состоящую из очень большого числа цепей ОС, соответствующих каждому элементу длины, на котором происходит взаимодействие поля замедляющей системы и потока (рисунок 4).

 

3.3 ЛОВ-усилитель

Чтобы глубже понять работу ЛОВ-генератора, рассмотрим кратко особенности однокаскадного ЛОВ-усилителя.

В отличие от ЛБВ в ЛОВ-усилителе сигнал входит в ЗС у коллекторного конца, а выходит у пушечного. В зависимости от глубины обратной связи, определяемой величиной тока I0, ЛОВ работает либо в режиме регенеративного усиления, либо в режиме генерации (рисунок 5).

Регенеративный усилитель – это усилитель, имеющий обратную связь. Усиление колебаний в ЛОВ имеет регенеративный характер, характеризующийся узкополосностью и нестабильностью, что является существенным недостатком усилительного режима.

Коэффициент усиления и полоса усиливаемых частот у регенеративных усилителей связаны соотношением:

Ку · ∆f = const                                                                                       (9)

и зависят от коэффициента обратной связи (в нашем случае, по существу, от тока I0). С увеличением обратной связи усиление возрастает (см. рисунок 6), а полоса частот уменьшается.

В усилительном режиме ЛОВ узкополосна и не имеет других заметных преимуществ по сравнению с ЛБВ, не может конкурировать с последней, поэтому в усилительном режиме она не используется.

3.4 Амплитудное условие самовозбуждения

В ЛОВ, как и в любом автогенераторе, для возникновения колебаний должно выполняться амплитудное условие. Амплитудное условие самовозбуждения ЛОВ связано со значением постоянного тока электронного пучка I0. Усиление колебаний в ЛОВ имеет место, пока ток пучка не превышает некоторого порогового значения, после которого начинается генерация. По мере увеличения тока I0 коэффициент регенеративного усиления возрастает (см. рисунок 6) и достигает бесконечности при I = Iпуск, после чего ЛОВ возбуждается без подачи входного сигнала (Рвх = 0), превращаясь в генератор. Пусковой ток Iпуск – это минимальный ток пучка I0, при котором начинается устойчивая генерация. Выходная мощность, являющаяся мощностью генерации Рген в соответствии с рисунком 6, продолжает возрастать по мере увеличения тока I0. При этом мощность возбуждаемых колебаний в ЛОВ превышает потери мощности в ЗС (условие баланса амплитуд):

Р = I0 U0 ≥ Рген+Рпот ,                                                                                         (10)

где Р – мощность, подводимая от источника питания;

Рген – выходная мощность ЛОВ;

Рпот – потери мощности в ЗС.

3.5 Фазовое условие самовозбуждения

Фазовое условие самовозбуждения колебаний свяжем с условием наилучшей передачи энергии от электронного потока СВЧ полю. Это условие состоит в том, что образовавшийся сгусток электронов не должен выходить из тормозящего поля электромагнитной волны на длине замедляющей системы. Другими словами, необходимо, чтобы относительный сдвиг фаз ∆φ волны и сгустка не превышал π, т.е.