Современные лампы бегущей волны их конструкции физические принципы работы и параметры (стр. 1 из 4)
СОВРЕМЕННЫЕ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, ИХ КОНСТРУКЦИИ, ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ПАРАМЕТРЫ
Г.В. Рувинский
1. Введение
Лампы бегущей волны (ЛБВ) относятся к вакуумным приборам сверхвысоких частот (СВЧ), которые осуществляют преобразование кинетической энергии движущихся в вакууме электронов в энергию электромагнитного поля путем взаимодействия электронов с электромагнитной волной. Как и клистроны ЛБВ относятся к приборам О-типа – направление напряженности постоянного электрического поля совпадает с направлением напряженности формирующего магнитного поля [1]. В приборах М-типа (магнетронные приборы) происходит преобразование потенциальной энергии электронов в энергию электромагнитного поля под действием «скрещенных» (взаимно перпендикулярных) электрического и магнитного полей.
2. Основные принципы работы ЛБВ
ЛБВ относятся к нерезонансным приборам с длительным взаимодействием, в которых соблюдается синхронизм
υе ≈ υф, (1)
где υе =
– скорость электронов, м/с, (2)υф – фазовая скорость электромагнитной волны;
– отношение заряда электрона к его массе; 
– ускоряющее напряжение, В.Подставляя значение
в (2), получаем расчетное уравнение:υ ≈ 5,95 ∙ 105
. (3)Если попытаться осуществить принцип синхронизма в линиях передачи, в которых электромагнитная волна распространяется с фазовой скоростью, близкой к скорости света, потребуется ускоряющее напряжение примерно 250 000 В. Делать такие приборы нецелесообразно (кроме крайне высокого напряжения – огромная масса и необеспеченность электропрочности, вредные γ-излучения и т. д.)
Поэтому в ЛБВ применяют специальные линии замедления – замедляющие системы (ЗС). В качестве примера можно рассмотреть механизм замедления в спирали.
Рис. 1. Механизм замедления электромагнитной волны в спирали
В некотором приближении можно считать, что волна движется по проводнику со скоростью света «с», тогда
u»csinj (4)
Отсюда находим коэффициент замедления электромагнитной волны:
≈ 
(5)Введем основные определения замедляющих систем:
γ »
, (6)где γ – волновое число или постоянная распространения,
– длина замедленной волны в ЗС.Коэффициент замедления можно записать следующим образом:
(7)Если разность фаз на период ЗС можно обозначить как
γd, (8)то
. (9)Дисперсионными характеристиками ЗС называются зависимость коэффициента замедления от длины волны n(
) либо зависимость круговой частоты от постоянной распространения (ω ( 
)).Дисперсия может характеризоваться величиной (
/n) ∙ (∂n/∂ ). При значениях ∂n/∂ < 0 дисперсию называют нормальной, при ∂n/∂ > 0 – аномальной.На рис. 2 показаны случаи нормальной положительной дисперсии (1), аномальной положительной (2) и аномальной отрицательной (3).
Рис. 2. Случаи дисперсии: 1 – нормальная положительная дисперсия; 2 аномальная положительная дисперсия, 3 – аномальная отрицательная дисперсия
Как правило, ЛБВ работает в режиме усиления при нормальной дисперсии или слабоаномальной (аномально положительной). Аномально отрицательная дисперсия соответствует режиму генерации.
Из условий синхронизма (1) и с учетом (2) для каждого значения коэффициента замедления
(10)В соответствии с (5)
(11)Отсюда формируется очень важный вывод: ЛБВ работает в режиме полезного усиления входного сигнала только при определенных значениях ускоряющего напряжения и каждой точке частотного рабочего диапазона ЛБВ соответствует свое значение оптимального ускоряющего напряжения (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость усиления входного сигнала от ускоряющего напряжения
В ЛБВ электроны движутся в тормозящем поле волны (только в этом случае они могут отдать свою кинетическую энергию электромагнитному полю). Для их эффективного взаимодействия с полем необходимы не только близость скоростей электронов υе и волны υф, но и максимальное значение величины сопротивления связи (Ом):
Rсв = |em|2 /2γ2 ·P (12)
где Р – средний по времени поток энергии через любое поперечное сечение ЗС, |em|2 – средний по объему электронного потока квадрат амплитуды составляющей электрического поля, взаимодействующий с электронами, m – указывает номер пространственной гармоники.
Сопротивление связи – чрезвычайно важный параметр, который определяет и коэффициент усиления и коэффициент полезного действия. Часто полоса рабочих частот в ЛБВ ограничивается не полосой пропускания замедляющей системы и ее дисперсионной характеристикой, а большим перепадом сопротивления связи и невозможностью согласовывать вывод энергии с ЗС.
В настоящем сообщении не ставится задача рассмотрения теории и расчета основных характеристик ЛБВ. Это можно изучить по многим научно-техническим работам и учебникам. Целью настоящей статьи является описание принципов построения современных ЛБВ и их основные параметры.
3. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЛБВ
ЛБВ состоит из следующих основных узлов: замедляющая система (ЗС) с вводом и выводом энергии; электронная пушка; коллектор. Дополнительно можно рассматривать электронно-оптическую систему (ЭОС), обеспечивающую формирование электронного луча заданной конфигурации.
Рассмотрим подробнее каждый из узлов ЛБВ и ее ЭОС.
Замедляющая система
Основные типы замедляющих систем изображены на рис. 4. Первые два типа ЗС – «спиральная» (а) и «кольцо-стержень» (б) относятся к спиральным ЗС, третий (в) и четвертый (г) – к цепочкам связанных резонаторов (ЦСР).
Спиральные ЛБВ обеспечивают большую полосу рабочих частот
×100 ≥100% 
, 
где fв – верхняя граница рабочего частотного диапазона, fн – нижняя граница рабочего частотного диапазона. Следует обратить внимание, что 100 % рабочей полосы соответствуют 1,5 октавам (октава соответствует условию, когда
Большим недостатком спиральных ламп является ограничение теплоотвода от спирали. Это связано с тем, что спираль помещена в вакуумную оболочку и изолируется от нее с помощью диэлектрических опор (рис. 5).
Рис. 5. Схема размещения спирали в замедляющей системе
Теплопроводность при комнатной температуре самой теплопроводящей керамики окиси бериллия (ВеО) составляет 150…200 Вт/м×К (у меди 400…450 Вт/м×К). С ростом температуры теплопроводность ВеО падает до 100…130 Вт/м×К.
Иногда рассматривается возможность применения алмазных диэлектрических опор, теплопроводность которых в 4 раза выше, чем у меди. Однако стоимость ламп в этом случае становится несоизмеримо большой. В подавляющем большинстве случаев выпуск их становится нецелесообразным.
По этой причине средняя или непрерывная мощность современных спиральных ламп не превышает 2,5 кВт.
Ограничен выпуск спиральных ЛБВ на большие импульсные мощности при малых средних мощностях
Рср = Римп · К3 , (13)
где
– коэффициент заполнения; 
– длительность импульса; Т – период повторения импульсов.Это связано с тем, что снижается устойчивость работы прибора из-за более высокого токооседания электронов на ЗС в импульсном режиме работы по сравнению с непрерывным и из-за увеличивающейся опасности теплоперегрева в любых нештатных ситуациях (пробоях, изменениях вакуумного состояния и т. д.).
В значительной степени проблема эффективного теплоотвода решается в ЛБВ на ЦСР, так как корпус целиком металлический (как правило, медный) и теплоотводящие элементы можно делать достаточно большого поперечного сечения.