4. Опишите методику измерения дисперсионной характеристики лампы.
5. Расскажите о способах использования дисперсионных характеристик для выбора рабочих режимов ЛБВ.
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
Цель работы: ознакомление с принципом действия и устройством лампы обратной волны (ЛОВ) типа «О» и исследование ее выходных характеристик.
5.1. Основные теоретические положения
5.1.1. Принцип действия ЛОВ
ЛОВ относится к электронным приборам СВЧ с длительным (распределенным) характером взаимодействия электронного потока и медленной электромагнитной волны. Замедление волны достигается применением специальных электродинамических структур, называемых замедляющими системами (ЗС). ЗС, используемые в современных приборах СВЧ, как правило, представляют собой периодические структуры с некоторым пространственным периодом 
. Распространяясь, электромагнитная волна в ЗС создает продольное (вдоль направления дрейфа электронного потока) электрическое поле 
, имеющее фазовый сдвиг 
на расстоянии периода [5]. Важно отметить, что пространственное распределение этого поля вдоль оси 
имеет существенно неоднородный характер. Электронный поток со скоростью 
, попадая в такое пространственно-периодическое поле, будет испытывать на себе воздействие этого поля подобно колебательной системе, на которую воздействуют серией импульсов. Электронный поток «почувствует» только ту пространственную Фурье компоненту (составляющую) поля, которая находится в синхронизме с его собственной скоростью.
Для выделения этой составляющей необходимо разложить в ряд Фурье распределение амплитуды продольной составляющей электрического поля 
по пространственным гармоникам с периодом :
где 
, – амплитуда 
-й гармоники, 
– фазовая постоянная -й пространственной гармоники.
Из (5.1) необходимо выбрать гармоники с фазовой скоростью 
. Учитывая, что на частоте 
фазовая скорость определяется отношением 
из условия синхронизма, получим:
При этом скорость распространения энергии волны (а не ее фазы) для всех гармоник с номером будет одинакова:
Важно отметить, что фазовая и групповая скорости гармоник могут иметь не только разную величину, но и разный знак. Из приведенных рассуждений становится ясно, что выполнение условия (5.2) возможно как при одинаковых знаках 
и 
, так и при разных. В первом случае 
направление распространения энергии волны и скорости потока будут совпадать, во втором 
будут противоположны. Первый случай характерен для взаимодействия волны с потоком в лампах бегущей волны, второй – в лампах обратной волны.
При синхронизме электронного потока с одной из пространственных гармоник происходит явление группировки, т. е. в потоке появляется переменная составляющая конвекционного тока. Естественно, что эта компонента будет возбуждать в электродинамической системе волну, воздействующую на поток. При противоположном направлении скорости электронов и направлении распространения энергии волны электронный поток выступает как своеобразный элемент обратной связи. При некоторых значениях тока луча 
, достаточного для компенсации потерь в системе, возможно возникновение генерации СВЧ-колебаний.
Схема построения прибора, реализующего такую ситуацию, показана на рис. 5.1. Электронный поток 3, создаваемый катодом 1, движется слева направо к коллектору 6. Замедляющая система 4 нагружена на согласующее сопротивление 5 справа, а слева имеет связь с внешней нагрузкой через элемент связи 2. Флуктуации электронного потока с некоторой частотой 
будут нарастать справа налево при выполнении условия (5.2). Изменяя скорость потока за счет изменения ускоряющего напряжения 
, в таком приборе можно получить изменение генерируемой частоты в соответствии с дисперсионной зависимостью 
используемой ЗС. Диапазон такой электронной настройки 
промышленных образцов ЛОВ может составлять октаву и более. По этому параметру ЛОВ не имеет аналогов среди генераторов СВЧ. Однако специфика взаимодействия электромагнитной волны и потока такова, что ЛОВ имеют низкий коэффициент полезного действия 
. Это вызвано тем фактом, что нарастание амплитуды электромагнитной волны происходит справа налево (в соответствии с направлением ), а нарастание переменного конвекционного тока (группировки) – слева направо (в соответствии с направлением ). Максимальное значение КПД, предсказываемое теорией, составляет
где 
– параметр усиления Пирса
Используемая в выражении (5.4) величина 
называется сопротивлением связи. В целях повышения КПД необходимо обеспечить наиболее эффективное взаимодействие обратной волны с электронным потоком. Такая волна должна быть основной, т. е. иметь наибольшую фазовую скорость, т. к. при этом сопротивление связи максимально. Для -й пространственной гармоники эта величина характеризует связь между продольной составляющей поля 
в месте расположения потока и мощностью электромагнитной волны в ЗС – 
:
Из (5.3) – (5.5) видно, что для получения ЛОВ с хорошими энергетическими параметрами необходимо подбирать системы с высоким сопротивлением связи . Учитывая тот факт, что поле экспоненциально убывает с увеличением расстояния от ЗС, необходимо максимально приближать электронный поток к ЗС, а также увеличивать периферию потока, применяя ленточные или полые цилиндрические потоки.
ЛОВ типа «О» отличается от ЛБВ главным образом устройством замедляющей системы и расположением поглотителя, который находится в «коллекторном» конце генераторной ЛОВ в виде согласованной нагрузке 5. Вывод энергии при этом обеспечивается через элемент связи 2 с «катодной» стороны лампы.
В качестве замедляющей системы чаще всего применяют ЗС встречно-штыревого типа или двухзаходные спирали.
5.1.2. Основные характеристики ЛОВ
Как уже указывалось, ЛОВ целесообразно использовать в качестве перестраиваемого генератора СВЧ-колебаний малой и средней мощности. Диапазон перестройки определяется следующим отношением:
,
где 
– максимальная и минимальная частота генерации, 
– средняя (центральная) частота диапазона.
Важным параметром является крутизна электронной настройки
показывающий степень перестройки по частоте.
Изменение тока луча 
несущественно, но все же влияет на частоту генерации. Такое явление, которое можно характеризовать некоторой крутизной, называется электронной подстройкой:
Важнейшим параметром для ЛОВ является КПД
где 
– мощность СВЧ-колебаний.
В эксплуатационных характеристиках указывается также минимальный (пусковой) ток 
, при котором начинается генерация.
На работу ЛОВ в тракте СВЧ оказывает влияние уровень отражений от нагрузки, особенно в тех случаях, когда согласование ЗС на коллекторном конце (рис. 5.1) сделано некачественно. Возникает явление затягивания частоты, что в первую очередь проявляется в неравномерности зависимости выходной мощности от частоты.
5.2. Описание объекта исследования
В работе исследуется ЛОВ типа «О» дециметрового диапазона. На рис. 5.2 показан эскиз прибора без вакуумной оболочки и фокусирующего магнита. Цилиндрический катод 1 и управляющий электрод 2 формируют трубчатый электронный поток 3, двигающийся вдоль ЗС к коллектору 9. Замедляющая система состоит из винта 5, в пазы которого уложена спираль 7. Такая конструкция эквивалентна двухзаходной спирали с периодом = 6,5 мм. Коллекторный конец спирали нагружен на согласующее сопротивление 8. Катодный конец спирали 4 переходит в коаксиальную линию, являющуюся выходом СВЧ-энергии. Для крепления спирали используются керамические стержни 6.
Испытуемая ЛОВ имеет также внешний магнит, обеспечивающий необходимый уровень токопрохождения в приборе.
5.3. Описание измерительной установки
Блок-схема установки показана на рис. 5.3 и включает в себя стабилизированный источник питания Б1-4 на 300…2500 В источник постоянного и переменного тока Б7-3, распределительную коробку РК, лампу обратной волны ЛОВ, направленный ответвитель НО, резонансный волномер РВД, осциллограф C1-54, измеритель мощности M3-1. Принцип работы установки иллюстрируется электрической схемой, представленной на рис. 5.4.
Питание на ЛОВ 1 подается с двух источников: Б7-3 (накал, первый анод) и Б1-4 (катод). Сигнал, генерируемый ЛОВ, поступает через переход 2 в направленный ответвитель 3. Часть мощности падающей волны с помощью детекторной секции 4 поступает на индикатор или вертикальный вход осциллографа 6 (основная доля мощности рассеивается в оконечном аттенюаторе 5), после которого сигнал попадает на волномер 7. (Для формирования частотной метки подается сигнал от волномера на горизонтальный вход осциллографа.)
Порядок включения и выключения установки, а также рекомендации по использованию измерительных приборов выдаются дополнительно преподавателем или лаборантом.