Современные лампы бегущей волны их конструкции физические принципы работы и параметры (стр. 2 из 4)
Из работы [3] известно, что:
, (14)где Q – количество теплоты, передаваемое телом за время
; S, 
– соответственно площадь поперечного сечения и длина тела; q– коэффициент теплопроводности тела; t2 – t1 – разность температур на концах тела.Можно рассчитывать, что выходная мощность ЛБВ на ЦСР будет составлять несколько десятков киловатт (например, до 140 кВт). Однако полоса усиливаемых частот может достигать 10…13 %. Таким образом, если провести сравнение спиральных ЛБВ и ЛБВ на ЦСР, получим следующие результаты (табл. 1).
Таблица 1
| Тип прибора | Полоса рабочих частот, % | Выходная непрерывная или средняя мощность, кВт | Коэффициент усиления ,дБ |
| Спиральные ЛБВ | ≈ 100 | ≤ 2 | 30…50 |
| ЛБВ на ЦСР | ≤ 10¼ 13 | > 10 | 45…60 |
Несколько слов можно сказать о различиях между ЗС «цепочка связанных резонаторов» (ЦСР) и ЗС «встречно-штыревой системы» (ВШ).
В длинноволновой части см-диапазона для одного и того же рабочего диапазона диаметр рабочей области ЗС типа ВШ в 2,5 раза меньше, чем диаметр рабочей области ЗС типа ЦСР. Это позволяет обеспечить значительно меньшие массогабаритные характеристики ЛБВ на ВШ, чем ЛБВ на ЦСР (например, масса прибора с 17 кг уменьшилась до 8 кг). В коротковолновой части это преимущество не столь существенно. Иногда предпочтительнее формировать ЗС на ЦСР.
В табл. 2 приведены для сравнения результаты измерения спиральных ЛБВ и ЛБВ на ЦСР по уровню средней и импульсной мощностей.
Таблица 2
| Уровни выходной мощности | Тип применяемых ЛБВ |
| До 300 Вт | Область применения преимущественно спиральных ламп |
| От 300 до 2000 Вт | Конкурентная область спиральных ЛБВ и ЛБВ на ЦСР |
| Более 2 000 Вт | Преимущественно ЛБВ на ЦСР |
Электронно-оптическая система
В задачи электронно-оптической системы (ЭОС) входит формирование электронного луча с наименьшим токооседанием при его прохождении через пространство взаимодействия (замедляющую систему) и аккумулирование электронного луча на коллекторе. Поэтому к ЭОС относятся: электронная пушка, ЗС с фокусирующей магнитной системой и коллектор (рис. 6).
Системой формирования электронного луча называется совокупность электрических и магнитных полей, а также образующих их электродов и магнитных цепей, необходимых для создания электронных потоков нужной конфигурации [4].
Важнейшим параметром ЭОС является первеанс Р (А/В3/2):
(15)  |
Рис. 6. Схема электронно-оптической системы:
I-область электронной пушки; II-переходная область; III-область регулярной части (область взаимодействия электронного луча с электромагнитным полем); IV-область коллектора
Несмотря на простоту формулы, куда входят только величины тока эмиссии с катода (Iк) и ускоряющее напряжение (Uо), первеанс – это чисто конструктивный параметр любого электровакуумного прибора. Его величина определяется конфигурацией электродов в области электронной пушки и расстоянием между катодом и замедляющей системой. От первеанса зависит выбор пролетных каналов, фокусирующих магнитные поля, конфигурация коллектора и т. д.
Значения первеансов для однолучевых ЛБВ находятся в широких пределах: от 0,1·10-6 до 1,6·10-6А/В3/2.
При малых значениях первеанса снижается эффективность взаимодействия электронного луча с электромагнитным полем (из-за недостаточного количества взаимодействующих электронов). Это, в свою очередь, приводит к снижению КПД, увеличению геометрической длины для обеспечения заданного коэффициента усиления и к некоторым другим неприятным явлениям, например к более значительному влиянию разброса скоростей электронов на выходные параметры ЛБВ.
Несмотря на это, уменьшение первеанса необходимо только в случаях очень малых сечений пролетных каналов, в частности в миллиметровом диапазоне длин волн, или невозможности обеспечения заданного фокусирующего магнитного поля.
Получение больших значений первеанса связано с необходимостью большого фокусирующего магнитного поля и маленьких межэлектродных промежутков (увеличивается вероятность межэлектродных пробоев). При увеличении первеанса усложняется обеспечение эффективности взаимодействия электронного луча с электромагнитным полем из-за влияния пространственного заряда (возрастает расталкивание электронов в луче).
В то же время большие значения первеанса в однолучевых приборах требуются при необходимости получения больших мощностей, преимущественно в длинноволновых рабочих диапазонах.
Средние значения первеансов ЛБВ находятся в интервалах (0, 3…0,8)·10-6А/В3/2.
Электронная пушка
Электронная пушка формирует, как правило, сходящийся по диаметру электронный луч. Дело в том, что в подавляющем числе ЛБВ диаметр пролетного канала меньше, чем диаметр эмитирующей части катода. Это связано с необходимостью обеспечения более эффективного взаимодействия при достаточно больших количествах электронов. Стремление использовать катоды достаточно большого диаметра связано с желанием уменьшить плотность тока с катода и увеличить межэлектродное расстояние для снижения вероятности пробоев. Важной характеристикой электронных пушек является плотность тока с катода (А/см2). Увеличение плотности тока с катода, кроме чисто технологических сложностей, связано с более быстрым расходованием эмитирующего материала катода, следовательно, с уменьшением срока службы всего прибора.
Средняя плотность тока с катода большинства однолучевых ЛБВ не превышает 3…5 А/см2. Эти значения обеспечивают несколько десятков тысяч часов безотказной работы прибора на современных катодах. На основании разницы диаметров пролетных каналов и катодов для обеспечения хорошей сходимости луча поверхность катодов большинства ЛБВ делаются сферической формы. В литературе сходимость луча определяется как (Rк/Rn)2, где Rк– радиус катода, Rл– эффективный радиус луча. На практике средняя сходимость луча равна примерно 50, в редких случаях она превышает 100. Иногда проводились эксперименты по достижению сходимости в пределах от 100 до 500.
В зависимости от режима работы ЛБВ выбирается конструкция электронной пушки. При непрерывном режиме работы типичная конфигурация электронной пушки показана на рис. 6. Часто электрод под названием «анод» используется как управляющий электрод. Подробнее это будет рассмотрено ниже.
В импульсном режиме работы лампы должен быть предусмотрен способ модуляции электронного потока, т. е. полное его запирание в паузе между импульсами и обеспечение нормального электронного луча с хорошим токопрохождением во время импульса. Существуют следующие способы модуляции электронного потока: катодная модуляция; модуляция по управляющему электроду (аноду); модуляция с помощью электрода «штырь-кольцо»; сеточная модуляция.
Катодная модуляция
Фактически модулируется отрицательное ускоряющее напряжение, подаваемое на катод (ЗС заземлена). Модуляция катодного напряжения приводит к модуляции электронного потока. Этот способ модуляции применяется редко, так как во-первых, в этом случае модулятор должен изготавливаться на полное напряжение при полной токовой нагрузке, что приводит к необходимости иметь модулятор большой мощности и отводить от него рассеиваемое тепло. Во-вторых, при катодной модуляции на подъеме и спаде импульсов (на фронтах импульсов) может возникнуть паразитная генерация, которая портит спектр усиливаемого сигнала.
Модуляция по аноду
В этом случае также для запирания электронного луча необходимо подавать почти полное запирающее напряжение. Однако в отличие от предыдущего случая режим модуляции является бестоковым, что позволяет несколько снизить тепловые нагрузки в модуляторе. Тем не менее, одной из основных целей модуляции электронного потока является снижение абсолютной величины модулирующего напряжения.
Не следует забывать, что энергия источника переменного напряжения, подаваемого на обкладки конденсатора,
ɛ
, (16)где C – емкость конденсатора; U – переменное напряжение на обкладках.
Снижение величины модулирующего напряжения достигается при следующих двух видах модуляции.
Модуляция с помощью электрода «штырь-кольцо»
На рис. 7 схематически показан катод со «штырем». Модулирующий штырь находится под одним и тем же потенциалом с фокусирующим электродом, а модулирующее напряжение подается между катодом и электродом «штырь-кольцо».
