Лампа обратной волны (ЛОВ) - генератор эл--магн. колебаний СВЧ-диапазона, принцип действия к-рого
основан на преобразовании энергии электронных пучков в энергию СВЧ-излучения
в результате длительного синхронного взаимодействия этих пучков с обратными
волнами. ЛОВ во мн. отношениях аналогична лампе бегущей волны (ЛБВ) -
как по формированию электронных пучков, так и по сходности процессов их самосогласованного
взаимодействия с СВЧ-полями. Почти каждому варианту ЛБВ можно поставить в соответствие
аналогичный вариант ЛОВ.
Схематич. изображение одной
из ЛОВ приведено на рис. 1. Статич. электрич. поле в электронной пушке 1
ускоряет пучок электронов 2, движущихся прямолинейно. Часть кинетич.
энергии электронов отдаётся в пространстве взаимодействия обратной эл--магн.
волне, фазовая скорость vф к-рой близка поступат. скорости электронов
ve:
а групповая скорость
имеет противоположное направление
Остаточная энергия пучка рассеивается на коллекторе 5.
Условие фазового синхронизма
(1) обеспечивает длительное, по сравнению с периодом колебаний
(f - частота), синфазное взаимодействие электронов с волной, если она
имеет отличную от нуля продольную компоненту электрич. поля
. Волна с такой структурой поля формируется с помощью замедляющей системы
3 (рис. 1), в качестве к-рой часто используются волноводы с периодически
изменяющимися параметрами. Подбором пространственного периода d волновода
достигается фазовый синхронизм (1) электронов с одной из гармоник обратной волны,
вклад других несинхронных гармоник оказывается незначительным.
Рис. 1. Условная схема
лампы обратной волны типа "О": 1 - электронная пушка; 2 - электронный пучок; з - замедляющая система; 4 - сгусток
электронов; 5 - коллектор; П. В.- пространство взаимодействия.
Взаимодействие электронов
с волной в ЛОВ можно рассмотреть на примере замедляющей системы в форме зигзагообразного
волновода (рис. 2). В секциях А, В, С, D, F электрич. поле направлено
вдоль движения электронов, следовательно, условие
выполнено. Если в секции А какая-то группа электронов попала в тормозящую
фазу поля волны, бегущей по волноводу справа налево, то подбором периода d и длины зигзага волновода можно добиться того, чтобы при подлёте этой же
группы электронов к след. секции В поле волны опять оказалось тормозящим,
и так для всех последующих секций. В результате первоначально стационарный и
однородный пучок модулируется по скорости - электроны, попавшие в ускоряющую
фазу поля, увеличивают свою скорость, а в тормозящую фазу - уменьшают.
Рис. 2. Замедляющая система
в виде зигзагообразного волновода.
В дальнейшем из-за неравномерного
взаимного смещения частицы собираются в периодич. последовательность сгустков
4 (рис. 1), т. е. в пучке возникает ВЧ-ток. Это явление наз. группировкой
или фазировкой частиц. Наведённый ВЧ-ток электронов возбуждает (излучает) ВЧ-поле,
к-рое, складываясь с первонач. волной, приводит к её усилению. Чтобы сгруппиров.
пучок излучал, а не поглощал эл--магн. волны, нач. скорость электронов ve должна слегка превышать фазовую
. По существу эти два взаимосвязанных процесса - частный случай т. н. индуцированного
излучения, составляющего основу большинства генераторов и усилителей с распределёнными
параметрами (как классических, так и квантовых - лазеров ).Элементарным
излучателем в ЛОВ, изображённой на рис. 1, является одиночный электрон (или
сгусток электронов), движущийся равномерно вдоль оси со скоростью
Излучение такого
электрона наз. черепковским (см. Черенкова-Вавилова излучение), а основанные
на нём приборы соответственно относят к классу черенковских. По характеру группировки
их наз. приборами типа "О" ("осевое" движение) или приборами
с инерционной группировкой, поскольку процесс этот может продолжаться и на участках
свободного дрейфа электронов (см. Клистрон).
В ЛОВ постулат. движение
электронов и поток энергии обратной эл--магн. волны направлены навстречу ДРУГ
другу, это приводит к образованию распределённой внутр. обратной связи. Поэтому
при превышении электронным током I нек-рого стартового значения
возникает автоколебат. режим даже при условии полного согласования входа и выхода
замедляющей системы. Частота автоколебаний fа определяется
условием фазового синхронизма (1) и, следовательно, зависит от величины скорости
электронов к-рая,
в свою очередь, определяется ускоряющим напряжением U, подаваемым на
электронную пушку (электронная перестройка частоты). Для иллюстрации перестройки
частоты на диаграмме
(рис. 3; k - волновое число) приведены возможные дисперсионные характеристики
обратной эл--магн. волны (кривая 1)и волн электронного ВЧ-тока в пучке
(линии 2); сплошные и пунктирные линии соответствуют разным U. Так
как частота генерации fа определяется пересечением линий 1 и 2, то при изменении U изменяется и частота. Кривая 1 в области пересечения её с линиями 2 наклонена вниз
поскольку Каждой
линии 2 соответствуют две волны электронного ВЧ-тока, одна из к-рых переносит
"отрицат." энергию (этим понятием пользуются, когда в целом положит.
энергия пучка при возбуждении волны уменьшается). Взаимодействие волн с положит.
и отрицат. энергиями, если одна из них обратная, приводит к возникновению абсолютной
неустойчивости, что и является причиной существования автоколебат. режима
в ЛОВ.
Рис. 3. Дисперсионные характеристики
обратной электромагнитной волны 1 и высокочастотных электронных волн
в пучке 2.
ЛОВ - один из самых широкодиапазонных
СВЧ-автогенераторов с электронной перестройкой частоты. Этим объясняется многообразное
применение их в радиотехнич. и измерит. аппаратуре в качестве свин-генераторов,
гетеродинов, быстроперестраиваемых задающих СВЧ-генераторов и т. д. При токе
электронного пучка, меньшем стартового
ЛОВ работает как узкополосный регенеративный усилитель, перестраиваемый напряжением
U, что широко используется на практике. Если
то в ЛОВ возникает автомодуляц. режим - генерируется периодич. последовательность
радиоимпульсов. Дальнейшее увеличение тока I может привести к генерации
последовательности уже не повторяющихся по форме импульсов.
Кроме ЛОВ типа "О"
известны ЛОВ типа "М", ЛОВ МЦР, ЛОВ-убитрон, ЛОВ на аномальном эффекте
Доплера, ЛОВ с плазменными электродинамич. системами и др. Их объединяет явление
образования распределённой внутренней обратной связи, тогда как механизм индивидуального
излучения электронов, а также их группировка могут различаться. Напр., в ЛОВ
типа "М", как и в магнетроне (отсюда и назв. ЛОВ типа "М"),
электроны движутся в скрещенных электрич. и магн. полях. Под действием синхронного
ВЧ-поля электроны отдают ему свою потенц. энергию, перемещаясь в область с более
высоким потенциалом. Работа ЛОВ МЦР (мазер на циклотронном резонансе в варианте
ЛОВ) и ЛОВ-убитрон основана на тормозном излучении электронов, фазовое условие
(1) при этом заменяется на
где
- частота колебаний электронов в статич. полях.
может принимать и отрицат. значения, если
в этом случае
обратной становится волна ВЧ-тока в пучке, а эл--магн. волна - прямая
но распространяется навстречу пучку hi
80-х гг. были
разработаны ЛОВ типа "О", работающие в диапазоне частот 1-700 ГГц
с мощностью до 10 Вт (в ДВ-части диапазона и монотонно уменьшающейся с увеличением
частоты) и перестройкой частоты, превышающей октаву:
. Освоен выпуск ЛОВ типа "М", работающих в диапазоне частот 0,5-20
ГГц, с выходной мощностью до 1 кВт п перестройкой до
октавы. Кпд ЛОВ типа "О" обычно не превосходит неск. процентов,
а ЛОВ типа "М" может превышать 50%. На лаб. макетах импульсных ЛОВ
типа "О" с пучками релятивистских электронов была достигнута пиковая
мощность выходного излучения
ГВт при кпд 15%.
Первое достаточно полное и подробное оппсание явления генерации электронными пучками обратных волн дал С. Мильман (S. Millman) в 1950; общепринятое назв. для этого класса СВЧ-приборов предложили Р. Компфнер (В. Kompfner) и Н. Уильяме (N. Williams) в 1953. ЛОВ типа "М" и типа "О" с релятивистскими электронными пучками вследствие их конструктивных особенностей наз. иногда карцииотронами (от греч. carcinotron - рак, пятящийся назад).
Н. Ф. Ковалёв