1. Устройство и принцип работы ЛБВ

В ЛБВ имеется модуляция скорости электронов и плотности электронного потока. Длительное взаимодействие электронов с полем бегущей волны позволяет получить необходимое группирование электронов при сравнительно слабом входном сигнале. Очевидно, что обмен энергией между электронами и полем происходит в результате взаимодействия электронов с составляющей напряженности поля, совпадающей по направлению со скоростью электронов, Назовем эту составляющую продольной.

Представим продольную составляющую поля E_z в виде бегущей волны

Е_z = Е₀ ехр j(щt - вz),

где в -- коэффициент фазы (волновое число),

в = щ/х_ф ,

а х_ф -- фазовая скорость волны.

Нетрудно предвидеть, что длительное взаимодействие электронов с бегущей волной эффективно только при синхронном движении волны и электронов, когда начальная скорость электронов х₀ и фазовая скорость полны х_ф совпадают по направлению и мало различаются по величине. При этих условиях взаимодействие удобнее наблюдать в системе координат, движущейся вместе с волной. Поэтому произведем преобразование z = z + х_фt , где z -- координата электрона в подвижной системе. Наблюдателю, находящемуся в этой системе, сама волна представляется неподвижной, так как составляющая напряженности поля Е_z является лишь синусоидальной функцией z. В процессе взаимодействия электрона и поля волны скорость электрона должна изменяться, т. е. наблюдатель будет замечать изменение координаты электрона z. Однако вследствие гармонической зависимости Е_z от z удобно вместо z использовать фазовый угол ц = щz/х_ф , который определяет положение электрона относительно волны, т. е. наглядно характеризует взаимодействие. Угол ц принято называть фазой электрона. Фазу электрона ц₀, соответствующую его влету в СВЧ-поле (z = 0), называют начальной. Выбранному значению ц₀ соответствует определенная начальная координата z₀ в подвижной системе координат. Электроны, влетающие в СВЧ-поле равномерно в течение периода Т=2р/щ , занимают интервал начальных фаз ц₀ = 0ч2р и равномерно располагаются вдоль оси координат z на отрезке, равном одной длине волны.

Взаимодействие электрона с полем зависит от начальной фазы, поэтому координата z и фаза ц (или пропорциональная ей координата z) функции как времени t, так и начальной фазы ц₀: z(t, ц₀) и ц(t, ц₀). Эти функции нельзя представить в аналитическом виде. Ограничимся приближенным графическим изображением связи, которая существует между z и ц (или z) при некоторых заданных значениях ц₀). Эту связь называется пространственно-временной диаграммой, так как она позволяет судить об изменении взаимного расположения электронов с течением времени.

лампа бегущая волна

На рис. 1,а изображена пространственно-временная диаграмма для случая, когда начальная скорость электронов х₀ равна фазовой скорости бегущей волны х_ф (х₀ = х_ф). Вследствие периодичности изменения поля достаточно рассмотреть движение электронов, начальные фазы которых заключены в интервале от 0 до 2р. Чтобы не усложнять диаграмму, приведенную на рис. 1, взяты пять электронов с начальными фазами через р/2. Электрон 5 аналогичен электрону 1, но отличается от последнего тем, что входит в СВЧ-поле раньше на целый период. При отсутствии взаимодействия скорость электронов остается неизменной и равной начальному значению х₀. Так как в рассматриваемом случае х₀ = х_ф, то положение электронов относительно волны не изменяется.

Таким образом, фазы электронов при отсутствии взаимодействия (нет поля) остаются равными начальным значениям фазы и пространственно-временную диаграмму изображают пунктирными прямыми, параллельными оси z. Найдутся электроны, которые не будут взаимодействовать с полем, когда оно включено: это электроны 1, 3, 5, начавшие движение при нулевом

Рис. 1 значении СВЧ-поля. Пространст-венно-временная диаграмма для этих электронов совпадает с пунктирными прямыми. Остальные электроны взаимодействуют с СВЧ-полем и, следовательно, изменяют скорость. Скорость электрона 2, начавшего движение в ускоряющем поле волны, увеличивается, поэтому он опережает волну. Фаза ц этого электрона возрастает и с течением времени стремится к значению фазы электрона 3. Пространственно-временные диаграммы электронов 2 и 3 с увеличением времени, т. е. с ростом z, сближаются. Очевидно также, что должно происходить уменьшение скорости электрона 4, взаимодействующего с тормозящим СВЧ-полем. Этот электрон начинает отставать от волны, и его пространственно-временная диаграмма отклоняется влево от пунктирной прямой и приближается с увеличением z к диаграмме электрона 3.

Следовательно, при выполнении условия х₀ = х_ф происходит группирование электронов, влетевших в СВЧ-поле в пределах периода, около электрона 3, начавшего движение в нулевом поле, соответствующем переходу от ускоряющей к тормозящей полуволне. Если группирующиеся электроны располагаются симметрично относительно электрона 3, то электроны, находящиеся в ускоряющем поле, отбирают от СВЧ-поля столько же энергии, сколько энергии отдают полю электроны, находящиеся в тормозящем поле. В этом случае энергия поля не изменяется, т. е. отсутствует усиление.

На рис. 1.б представлены пространственно-временные диаграммы для случая, когда начальная скорость электронов немного меньше фазовой скорости волны х₀ < х_ф. Очевидно, что вследствие такого различия скоростей пунктирные линии, соответствующие отсутствию взаимодействия, должны быть наклонены влево (электроны отставали бы от волны). Влияние взаимодействия проявляется в том, что ускоряющее поле стремится уменьшить отставание электронов, а тормозящее -- увеличить. Поэтому диаграммы для электронов 2, 3 отклоняются вправо, а для электрона 1, 4, 5 --влево от соответствующих пунктирных прямых.

Таким образом, при выполнении условия х₀ < х_ф также происходит группирование электронов, однако основная часть рассматриваемых электронов оказывается в ускоряющем поле волны. В этом случае энергия, отбираемая ускоряемыми электронами от волны, превышает энергию, отдаваемую волне остальными электронами, т. е. происходит уменьшение амплитуды волны.

Пространственно-временная диаграмма, приведенная нарис. 1,в, соответствует случаю, когда начальная скорость элек-тронов немного превышает фазовую скорость волны (х₀ > х_ф).Очевидно, что пунктирные линии, характеризующие отсутствие взаимодействия, наклонены вправо (электроны опережали бы волну) . Взаимодействие электронов с ускоряющим полем увеличиваетразность скоростей и усиливает опережение, а взаимодействиес тормозящим полем -- уменьшает разность скоростей и ослабляетопережение. Диаграммы для электронов 1, 2, 5 отклоняются вправоот пунктирных прямых, а для электронов 3, 4 -- влево. Происходитгруппирование основной части электронов в тормозящем поле волны. Таким образом, при х₀ > х_ф энергия, отдаваемая основнойчастью потока электронов полю волны, превышает энергию, отбираемую от поля остальными электронами, и возможно усиление СВЧ-поля.

Эффективная передача энергии от электронов бегущей волне происходит при условии

х₀ > х_ф ,

которое называется условием фазового (примерного) синхронизма.

Фазовая скорость волны в обычных линиях передачи равна скорости света или превышает ее. Так как электронам нельзя сообщить такую скорость, то при обычных линиях передачи невозможно выполнить условие синхронизма. В электронных СВЧ-приборах с бегущей волной применяют специальные линии передачи -- замедляющие системы, обеспечивающие понижение фазовой скорости волны до величины значительно меньшей скорости света.

6

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2

Тогда подбором ускоряющего напряжения можно получить требуемую для выполнения условия примерного синхронизма скорость электронов.

На рис. 2 приведена схема устройства типовой маломощной ЛБВ. Электронная пушка (прожектор) образована катодом 1, управляющим электродом 2, первым анодом 3 и вторым анодом 4. Эта система электродов обеспечивает необходимую начальную фокусировку пучка и регулировку его тока. Последняя производится изменением потенциала управляющего электрода или первого анода. Второй анод 4 через трубку 6 («антеннку») соединен со спиральной замедляющей системой 7. Трубка является элементом связи замедляющей системы с входным волноводом 5, к которому подводится усиливаемый сигнал. Такая же антеннка используется для связи с выходным волноводом 9. Для согласования входного и выходного волноводов с замедляющей системой предусмотрены подстроецные элементы 11. Положение спирали задается кварцевыми стержнями или трубками. На поверхность этих держателей наносят слой поглотителя 8 для предотвращения самовозбуждения ЛБВ. Электронный поток проходит внутри спирали, взаимодействует с СВЧ-полем спирали и затем попадает на коллектор10, который имеет форму стакана или конуса. Фокусирующая система (соленоид) 12 обеспечивает фокусировку электронного пучкана всей длине прибора.