Лампа бегущей волны как это работает

лампа бегущей волны

ebooks

ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (ЛБВ) — вакуумный электронный прибор, в к-ром в результате длительного взаимодействия движущихся электронов с полем бегущей эл—магн. волны происходит усиление этой волны. ЛБВ применяется гл. обр. как широкополосный усилитель СВЧ-колебаний (в диапазоне 1-300 ГГц), иногда (при введении обратной связи) как генератор колебаний.

Осн. элементы ЛБВ: электронная пушка, создающая поток электронов; система фокусировки и формирования электронного потока с помощью статич. магн. и электрич. полей; замедляющая система ,по к-рой распространяется эл—магн. волна, взаимодействующая с электронами в т. н. пространстве взаимодействия; коллектор для отбора прошедших пространство взаимодействия электронов (рпс. 1, а, б). Наиб. распространение получили ЛБВ, в к-рых электроны движутся прямолинейно вдоль оси замедляющей системы (тип О), взаимодействуя с продольным электрич. полем замедленной волны. Электронный поток обычно фокусируется с помощью продольного статич. магн. поля, создаваемого соленоидом, или периодич. статич. магн. поля, создаваемого системой периодически расположенных вдоль оси лампы пост. магнитов (намагниченных колец) разной полярности. Менее распространены ЛБВ типа М, где электронный поток движется в поперечно скрещенных статич. электрич. и магн. полях (как в магнетроне ,откуда и назв.- тип М); в этих лампах электроны взаимодействуют как с продольным, так и с поперечным электрич. полем замедленной волны и, следовательно, происходит двумерное движение электронов.

Принцип действия ЛБВ. Необходимым условием длительного взаимодействия электронов с эл—магн. волной является примерное равенство продольной скорости электронов и фазовой скорости волны (синхронизм ),что обеспечивается применением замедляющей системы, уменьшающей скорость эл—магн. волны от с до В этих условиях каждый электрон лишь медленно перемещается относительно поля бегущей волны, оставаясь преимущественно в тормозящей либо ускоряющей фазе её электрич. поля на большой длине L, достигающей неск. десятков длин замедленной волны в течение длительного времени существенно превышающего период колебаний В результате происходит эфф. обмен энергией между электронами и полем, к-рый проявляется как совокупность двух физ. процессов, лежащих в основе работы ЛБВ и представляющих две стороны взаимодействия: возбуждение эл—магн. поля замедленной волны потоком электронов (конвекционным током)и, наоборот, влияние поля волны на движение электронов, приводящее к образованию периодич. последовательности сгустков электронов (группировке) ик возникновению в электронном потоке конвекционных ВЧ-токов. Вместе эти процессы приводят в ЛБВ к передаче энергии от электронного потока эл—магн. полю.

Рис. 1. Лампа бегущей волны: а — типа О; б — типа М, плоская конструкция; 1 — электронная пушка; 2 — замедляющая система; 3 — фокусирующая система; 4 — коллектор.

Возбуждённое электронным потоком эл—магн. поле замедленной волны является суммой индивидуальных излучений отд. электронов. Индивидуальное излучение каждого электрона, движущегося равномерно в замедляющей системе,- частный случай Черенкова — Вавилова излучения, к-рое при синхронизме электрона и волны направлено вдоль движения электрона. В немодулированном потоке электронов их индивидуальные излучения взаимно уничтожаются; т. е. в таком потоке нет переменных конвекционных токов и поэтому он не возбуждает переменные эл—магн. поля. При подаче на вход ЛБВ эл—магн. колебаний частоты в замедляющей системе возникает волна с фазовой скоростью Её поле модулирует электронный поток, в к-ром образуется волна возмущений — периодич. последовательность электронных сгустков — длиной и со скоростью Излучения электронов, составляющих сгустки, складываются в фазе друг с другом, т. е. эффективно возбуждается дополнительная замедленная волна, к-рая складывается с исходной волной, если сгустки электронов образуются в тормозящей фазе ноля (фазовая группировка или фазовая фокусировка). Т. о., в ЛБВ возникает индуцированное излучение Черенкова — Вавилова и эл—магн. волна при её распространении вдоль замедляющей системы усиливается, причём фазовая скорость волны в системе с электронным потоком оказывается меньше фазовой скорости волны в системе без потока.

Фазовая группировка в ЛБВ типа О получается при нек-ром превышении нач. скорости электронов над фазовой скоростью волны . В системе координат, связанной с волной, электроны, первоначально равномерно расположенные в тормозящем и ускоряющем продольном поле волны, захватываются ею и постепенно смещаются под действием поля к точке (рис. 2). Относит. скорость смещения тормозящихся электронов меньше, чем ускоряющихся, поэтому сгущение электронов происходит в тормозящей фазе поля и энергия в среднем передаётся от электронов полю. Если же то сгущение образуется симметрично около точки Е_Z=0 и обмен энергией между пучком и полем в среднем отсутствует: конвекционный ток частоты образованный в пучке под действием поля, сдвинут по фазе на по отношению к полю.

Рис. 2. Распределение продольного электрического поля замедленной волны , конвенционного тока I и его основной гармоники при усилении сигнала в ЛБВ типа О; х — центр сгущения электронов.

В ЛБВ типа М фазовая группировка получается в результате дрейфа электронов в скрещенных электрич. и магн. полях (см. Дрейф заряженных частиц ).Поперечное электрич. поле замедленной волны приводит к продольному дрейфу и образованию сгустков около нулевых точек этого поля, где продольное электрич. поле волны имеет макс. значение и тормозит электроны. В результате сгустки отдают свою потенц. энергию волне и одновременно дрейфуют к замедляющей системе (рис. 1,б); т. о., кинетич. энергия электронов меняется мало, а усиление волны происходит за счёт изменения потенциальной энергии электронов в статич. электрич. поле.

Электронные волны в ЛБВ типа О. Модуляция электронного потока эл—магн. волной и, в свою очередь, возбуждение этой волны электронами приводит к образованию электронно-эл—магн. волн, наз. иногда также электронными волнами. Их комплексные волновые числа определяются в линейной теории ЛБВ, справедливой при достаточно малой мощности усиливаемого сигнала, когда возмущения плотности и скорости электронов пучка малы по сравнению с их постоянными составляющими. Совместное решение ур-ний Максвелла и линеаризованных ур-ний движения электронов приводит к кубич. ур-нию для k, три корня к-рого соответствуют трём электронным волнам. При синхронизме электронного пучка и замедленной волны амплитуда одной из этих волн нарастает вдоль лампы: её постоянная нарастания определяет усиление сигнала на ед. длины в ЛБВ (в дБ), а постоянная распространения — фазовую скорость Усиление существует в нек-рой области относит. изменения скоростей — в т. н. зоне усиления (рис. 3).

Величина и положение зоны усиления существенно зависят от параметров, определяющих свойства ЛБВ,- параметра усиления (обозначаемого также С)и параметра пространственного заряда (обозначаемого также где — плазменная частота с учётом поперечных размеров пучка и влияния замедляющей системы. Параметр усиления характеризует взаимное влияние, связь электронного потока и поля замедленной волны: где I е — ток пучка, U e — ускоряющее напряжение, К св — сопротивление связи замедляющей системы, определяемое продольным электрич. полем волны, действующим на электроны. В типичных ЛБВ e=0,05-0,15; с ростом усиление возрастает, зона усиления расширяется.

Параметр пространственного заряда, пропорциональный плотности заряда в пучке, характеризует влияние кулоновских сил расталкивания электронов, препятствующих образованию сгустков и тем самым, как правило, уменьшающих величину усиления (рис. 3). Силы расталкивания электронов и величина параметра пространственного заряда существенно зависят от соотношения длины замедленной волны, поперечных размеров электронного пучка и пространства взаимодействия замедляющей системы: в тонких пучках силы расталкивания малы, а в нек-рых случаях даже способствуют группированию электронов, приводя к увеличению усиления. Усиление ЛЕВ уменьшается также под действием др. факторов: потерь в замедляющей системе, разброса скоростей неидеальности группировки и т. д. Роль этих факторов возрастает с увеличением частоты сигнала, особенно при переходе в миллиметровый диапазон волн.

Фазовая скорость нарастающей электронной волны отличается от скорости замедленной эл—магн. волны и во всей зоне усиления оказывается меньше скорости электронов это обеспечивает правильную фазовую группировку образующихся сгустков электронов в тормозящей фазе поля и передачу энергии от электронного потока полю. Вне зоны усиления синхронизм электронов и эл—магн. волны существенно нарушается, взаимодействие между ними становится слабым и три электронные волны превращаются в одну эл—магн. волну замедляющей системы и две волны пространственного заряда электронного потока.

Нелинейные явления в ЛБВ типа О. Увеличение амплитуды усиливаемой волны при её распространении вдоль замедляющей системы приводит к значит. возмущениям в движении электронов, сильной модуляции электронного пучка, в результате чего возникает ряд нелинейных явлений: уменьшение ср. скорости электронов; обгон одних электронов другими, деформация сгустков и движение относительно поля синхронной волны; появление высших гармоник конвекционного тока и поля пространственного заряда на частотах . . ., возбуждение поля замедленной эл—магн. волны на этих гармониках; расслоение электронного пучка в результате неравномерной модуляции пучка по сечению, вызванной неравномерным распределением напряжённости поля замедленной волны и поля пространственного заряда по сечению; остановка и поворот электронов; поперечные движения электронов под действием СВЧ-полей замедляющей системы и поля пространственного заряда. Наиб. важны первые три явления, принципиально связанные с механизмом группировки и существенные уже при умеренных мощностях и небольших кпд. При усилении на нач. участке лампы электроны сгущаются в тормозящей фазе поля (рис. 2). Дальнейшая эволюция пучка определяется отставанием сгустка от водны и нелинейностью модуляции, приводящей к распаду сгустка. Если различие нач. скорости электронов и фазовой скорости волны невелико и соответствует центру зоны усиления (рис. 3), то образуется сгусток из электронов с примерно одинаковыми скоростями. Под влиянием тормозящего поля он перемещается (сначала медленно, потом всё быстрее) к нулю поля, отставая от волны. Пока сгусток остаётся в тормозящем поле, он отдаёт энергию волне, а в том сечении лампы, где сгусток переходит в ускоряющее поле, мощность волны достигает максимума, определяющего кпд ЛБВ. Если же разность достаточно велика и соответствует правому краю зоны усиления, то в первоначально образующийся сгусток приходит много электронов из ускоряющей фазы поля, имеющих повышенную скорость, и поэтому сгусток быстро разваливается на два. Оба этих сгустка находятся сначала в тормозящем поле и отдают энергию волне. Затем, постепенно отставая от волны, один из них переходит в ускоряющее поле и начинает забирать энергию у волны; в том сечении лампы, где энергия, забираемая этим сгустком, равна энергии, отдаваемой другим сгустком, получается макс. мощность усиливаемой волны. Нелинейные явления определяют ряд важных характеристик ЛБВ средней и большой мощности: кпд, выходную мощность, нелинейные искажения сигнала и др.

Рис. 3. Зоны усиления ЛБВ типа О при различных параметрах пространственного заряда.

Характеристики ЛБВ типа О. Наибольшие полосы усиливаемых частот — до 2,5 октав — достигаются в ЛБВ с замедляющей системой в виде металлич. спирали, закреплённой диэлектрич. опорами, к-рые, однако, ухудшают теплоотвод от спирали, ограничивая выходную мощность сотнями Вт в непрерывном режиме работы. В ЛБВ с замедляющими системами типа цепочек связанных резонаторов полосы усиливаемых частот меньше но зато выходные мощности достигают десятков кВт в непрерывном и единиц МВт в импульсном режимах работы. Типичные значения кпд для его увеличения снижают потенциал коллектора с целью торможения электронов и возврата части их энергии источнику (рекуперация); используют также уменьшение фазовой скорости волны к концу замедляющей системы для обеспечения синхронизма с тормозящимися электронами, скачки фазы поля вдоль системы и др. приёмы. Коэф. усиления составляет G= =30-60 дБ (А вых , А вх -амплитуда сигнала на выходе и входе), причём для предотвращения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений от концов замедляющей системы на одном или двух участках системы помещают поглотитель энергии СВЧ-колебаний. Маломощные ЛБВ с выходной мощностью менее 2 Вт используют в качестве малошумящих входных усилителей с коэф. шума =4-20 дБ.

Лит.: Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2изд., т. 2, М., 1972; Кукарин С. В., Электронные СВЧ приборы, 2 изд., М., 1981; Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А., Лекции по сверхвысокочастотной электронике, М., 1973; Цейтлин М. Б., Фурсаев М. А., Бецкий О. В., Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями, М., 1978. В. А. Солнцев.

Лампа бегущей волны (ЛБВ)

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — вакуумный электронный прибор, в к-ром в результате длительного взаимодействия движущихся электронов с полем бегущей эл—магн. волны происходит усиление этой волны. ЛБВ применяется гл. обр. как широкополосный усилитель СВЧ-колебаний (в диапазоне 1-300 ГГц), иногда (при введении обратной связи) как генератор колебаний.

Рис. 1. Лампа бегущей волны: а — типа О; б — типа М, плоская конструкция; 1 — электронная пушка; 2 — замедляющая система; 3 — фокусирующая система; 4 — коллектор.

Величина и положение зоны усиления существенно зависят от параметров, определяющих свойства ЛБВ,- параметра усиления (обозначаемого также С)и параметра пространственного заряда (обозначаемого также где — плазменная частота с учётом поперечных размеров пучка и влияния замедляющей системы. Параметр усиления характеризует взаимное влияние, связь электронного потока и поля замедленной волны: где I_е — ток пучка, U_e — ускоряющее напряжение, К_св — сопротивление связи замедляющей системы, определяемое продольным электрич. полем волны, действующим на электроны. В типичных ЛБВ e=0,05-0,15; с ростом усиление возрастает, зона усиления расширяется.

Рис. 3. Зоны усиления ЛБВ типа О при различных параметрах пространственного заряда.

Характеристики ЛБВ типа О. Наибольшие полосы усиливаемых частот — до 2,5 октав — достигаются в ЛБВ с замедляющей системой в виде металлич. спирали, закреплённой диэлектрич. опорами, к-рые, однако, ухудшают теплоотвод от спирали, ограничивая выходную мощность сотнями Вт в непрерывном режиме работы. В ЛБВ с замедляющими системами типа цепочек связанных резонаторов полосы усиливаемых частот меньше но зато выходные мощности достигают десятков кВт в непрерывном и единиц МВт в импульсном режимах работы. Типичные значения кпд для его увеличения снижают потенциал коллектора с целью торможения электронов и возврата части их энергии источнику (рекуперация); используют также уменьшение фазовой скорости волны к концу замедляющей системы для обеспечения синхронизма с тормозящимися электронами, скачки фазы поля вдоль системы и др. приёмы. Коэф. усиления составляет G= =30-60 дБ (А_вых, А_вх-амплитуда сигнала на выходе и входе), причём для предотвращения самовозбуждения ЛБВ из-за отражений от концов замедляющей системы на одном или двух участках системы помещают поглотитель энергии СВЧ-колебаний. Маломощные ЛБВ с выходной мощностью менее 2 Вт используют в качестве малошумящих входных усилителей с коэф. шума =4-20 дБ.

Литература по лампам бегущей волны (ЛБВ)

Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2изд., т. 2, М., 1972;
Кукарин С. В., Электронные СВЧ приборы, 2 изд., М., 1981;
Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А., Лекции по сверхвысокочастотной электронике, М., 1973;
Цейтлин М. Б., Фурсаев М. А., Бецкий О. В., Сверхвысокочастотные усилители со скрещенными полями, М., 1978.

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона — Морли — действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
— Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке — 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Лампа бегущей волны: как это работает

Со времени изобретения СВЧ-усилительного прибора лампы бегущей волны (ЛБВ) прошло 75 лет. За эти годы она стала одним из самых распространенных СВЧ-приборов и легла в основу десятков новых изобретений.

У нас в стране первая лампа бегущей волны была создана в 1951 году специалистами фрязинского НПП «Исток». Сегодня в России в сфере производства ЛБВ лидирует холдинг «Росэлектроника». Входящее в его состав АО «НПП «Алмаз» совсем недавно представило свою новинку – первую российскую бортовую лампу бегущей волны с охлаждением за счет излучения в открытый космос. Эта разработка сделает спутники связи значительно легче и надежнее.

О том, как появилось на свет это изделие, на чем основаны принципы его работы, а также о сферах его применения – в нашем материале.

Техника сверхвысоких частот: от военной радиолокации до Wi-Fi

Техника сверхвысоких частот (СВЧ) – область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от 300 Мгц до 300 Ггц. Это частотный диапазон электромагнитного излучения еще называется микроволновым диапазоном, так как длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, составляющими несколько сотен метров.

К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство передачи информации, основываясь на тех же принципах. Благодаря более высоким частотам появляется возможность передачи огромных информационных объемов. Например, один СВЧ-канал может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров.

Дециметровый и сантиметровый диапазоны являлись предметом научного интереса до начала Второй мировой войны, когда возникла необходимость в новом и эффективном электронном средстве раннего обнаружения. Начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации. Сходство свойств СВЧ-излучения со световыми лучами и высокая плотность переносимой информации оказались очень полезны не только для радиолокационной техники, но и позже нашли свое применение в других областях.

В СВЧ-диапазоне достаточно быстро развиваются телекоммуникации. Сегодня это всеми любимый Wi-Fi, спутниковое телевидение, спутниковая телефония. СВЧ-электроника находит все более широкое применение в связи с развитием таких направлений, как интернет вещей, интеллектуальные производства, системы связи для беспилотников и многое другое.

Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Один из последних проектов в этой сфере – обсерватория «Миллиметрон» для исследования различных объектов Вселенной в миллиметровом и инфракрасном диапазонах на длинах волн от 0,02 до 17 мм. СВЧ-усилитель для этой космической обсерватории – лампу бегущей волны (ЛБВ) – создает НПП «Алмаз» (входит в «Росэлектронику» Госкорпорации Ростех). Уже испытаны первые экспериментальные образцы, которые позволяют усилить мощность радиосигналов в сотни тысяч раз: разместить обсерваторию планируется на расстоянии 1,5 млн км от Земли.

Развитие техники сверхвысоких частот стало возможным благодаря появлению специальных электровакуумных приборов для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона. К ним относится не только вышеупомянутая лампа бегущей волны, но и другие мощные электровакуумные приборы, такие как клистроны, магнетроны.

К примеру, магнетрон можно найти практически в любом доме. Каждая микроволновая печь содержит магнетрон мощностью около 800 Вт, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электрическое поле частотой 2,45 ГГц. Кстати, выпуск первых в мире СВЧ-печей начался в 1947 году, всего четыре года спустя была придумана лампа бегущей волны.

ЛБВ, хоть и не применяются в микроволновых печах, стали одними из самых распространенных вакуумных СВЧ-приборов. Они широко используются в различной радиоэлектронной аппаратуре: радиолокации, связи, системах радио-противодействия.

Лампа с бегущей волной: устройство и принцип действия

С момента изобретения лампы бегущей волны прошло уже более 75 лет. С тех пор ее конструкция практически не изменилась. Но, несмотря на кажущуюся простоту, все основные части ЛБВ являются достаточно сложными устройствами, усовершенствование которых длится до сих пор. В мире всего лишь в некоторых странах разрабатывают и выпускают ЛБВ. Кроме предприятий в России, это компании из нескольких европейских стран, а также США, Японии, Индии, Китая и Южной Кореи.

Итак, начнем с определения. Лампа бегущей волны – вакуумный электронный прибор, в котором в результате длительного взаимодействия движущихся электронов с полем бегущей электромагнитной волны происходит усиление этой волны.

От полупроводниковых и газоразрядных приборов лампу отличает наличие в ней вакуума. ЛБВ представляет собой вакуумную трубку, вставленную в фокусирующую магнитную систему.

Так как лампа работает с электронами, нужен катод – электрод, из которого извлекаются электроны. Соблюдая закон сохранения заряда, извлеченные электроны нужно вернуть, для чего потребуется анод – электрод, который притягивает к себе летящие электроны, испущенные катодом. Итак, поток электронов, сфокусированный в узкий луч, движется к коллектору. Для окончательной фокусировки луча используется магнитное поле катушки.

В качестве замедляющей системы в усилительных ЛБВ чаще всего используется спираль. Электронный луч проходит вдоль оси спирали, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне.

Вначале это кажется нереальным: ведь волна бежит со скоростью света, а электроны движутся почти в десять раз медленнее. Но поскольку СВЧ-сигнал идет по спирали, он достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию. На выходе лампы амплитуда волны намного превышает амплитуду сигнала на входе.

Этот процесс образно и весьма интересно в своей статье описал российский физик Леонид Ашкинази: «Представьте себе, что лифт движется чуть быстрее человека и из него подталкивают бегущего по винтовой лестнице человека – быстрее, быстрее! Согласно третьему закону Ньютона, на лифт будет действовать сила, направленная против движения, он будет тормозиться и отдавать свою энергию человеку, бегущему по лестнице. В итоге их скорости уравняются. Не обвивайся лестница вокруг шахты лифта, ничего бы не получилось – человек движется по прямой лестнице быстрее лифта. А если она обвивается, длина ее увеличивается. Можно подобрать угол наклона витков спирали («лестницы») и скорость электронов («лифта») так, чтобы электромагнитная волна, бегущая по спирали, имела ту же скорость перемещения вдоль оси спирали, что и электроны».

Как появилась ЛБВ: создана архитектором, а не физиком

Синхронизировать бегущую волну с электронами в лампе со спиралью впервые смог австрийский архитектор Рудольф Компфнер в конце 1943 года в лаборатории СВЧ-приборов Бирмингемского университета. Он и считается автором лампы бегущей волны – по-английски Traveling-Wave Tube (TWT).

Невероятно, но Компфнер действительно был архитектором по образованию. Эмигрировав в Англию в конце 1930-х, он продолжил работу архитектором в Лондоне. Но в 1939 году началась Вторая мировая война, и он, как подданный Германии, оказался на острове Мэн вместе с другими выходцами из «враждебных» государств. Компфнер еще в юности очень увлекался физикой, поэтому на острове Мэн только обрадовался возможности оказаться рядом с находившимися здесь профессорами физики. Подкрепив свои знания, в 1940 году ему удается устроиться на факультет физики Бирмингемского университета, где разрабатывались приборы для радаров.

Фото 1946 г. Слева направо: будущий теоретик ЛБВ Джорж Пирс, изобретатель Рудольф Компфнер и теоретик шумов Гарри Найквист. На доске – спираль ЛБВ и пучок электронов внутри нее. Ниже – конструкция катода, из которого выходит поток электронов. Выше катода – формула шумов Найквиста

РЛС активно совершенствовались: на фоне постоянных бомбежек немецких самолетов инженеры искали способ увеличения дальности радиолокаторов. Изобретенная тогда конструкция многорезонаторного импульсного магнетрона для передатчиков радаров не справлялась с задачей. Спасти положение могло бы увеличение чувствительности приемной станции. Но для этого нужен был малошумящий усилитель СВЧ, а его не было. Усилительный (прямопролетный) клистрон с входным и выходным резонатором тоже не помог.

Руди Компфнер, как архитектор, предложил полностью изменить конструкцию электровакуумного прибора. Вместо входного резонатора электромагнитная волна должна бежать по проволочной цилиндрической спирали и взаимодействовать с пучком электронов, летящих внутри длинной спирали. Считалось, что если волна будет долгое время взаимодействовать с пучком, то снизится и доля электронного шума в сигнале.

Чтобы удержать электроны внутри длинной спирали, необходимо магнитное поле соленоида. Так лампа бегущей волны обрела свой привычный вид. Интересен тот факт, что позже ученые поняли – причиной снижение коэффициента шума, которого так добивался Компфнер, была не спираль, а фокусировка магнитным полем, которое стабилизирует «метанье» электронов.

На протяжении всех последующих десятилетий ЛБВ постоянно совершенствовалась, работы в этой сфере велись непрерывно, в том числе и советскими учеными. Первые лампы бегущей волны были разработаны специалистами фрязинского НИИ-160, ныне это НПП «Исток», входящее в холдинг «Росэлектроника».

У самого «Истока»: где разработали первую отечественную ЛБВ

В конце 1940-х за рубежом и у нас в стране появились первые публикации на тему ЛБВ. Статей по теории было много, но на практике даже сами авторы не до конца понимали, как создать конструкцию реально работающей ЛБВ.

На «Истоке» была поставлена задача на правительственном уровне – разработать первый отечественный промышленный образец ЛБВ. В том же 1951 году прибор был принят госкомиссией, а с 1952 года начался серийный выпуск первой отечественной лампы бегущей волны УВ-1. По своему основному параметру – коэффициенту шума – она не имела себе равных за рубежом. Только в 1953 году появились сообщения о создании в США лампы с такими же параметрами, как УВ-1, на тот момент уже выпускаемой серийно.

Впервые усилитель УВ-1 был применен в радиолокационном комплексе Б-200, что позволило намного улучшить характеристики комплекса: повысилась дальность действия, резко возросла устойчивость приемного канала. За несколько лет УВ-1 вошла практически во все новые локационные станции. К 1965 году этот прибор использовался уже в 11 радиолокационных станциях, а выпуск его составлял 11,5 тысяч штук в год.

Началась эпоха непрерывного улучшения параметров ламп бегущей волны: расширялись полосы ее рабочих частот, снижался вес, увеличивалась надежность и долговечность.

Космические старты: ЛБВ для спутников связи и исследований Марса

Одним из основных компонентов спутника связи являются передатчики именно на лампах бегущей волны. В 1960-е годы началась разработка малошумящих ЛБВ для спутниковых систем связи. Эти ЛБВ успешно работали на первых отечественных спутниках «Молния» и «Горизонт». Началось создание наземной системы «Орбита», которая к 1967 году позволила охватить аудиторию телезрителей до 30 миллионов человек. Разработанные на «Истоке» ЛБВ использовались и в передатчиках спутников-исследователей Венеры и Марса, а также в других направлениях освоения космоса. Сегодня вокруг Земли вращаются спутники связи с десятками фрязинских ЛБВ.

Сверхчастотные приборы за десятилетия космической эпохи доказали свою сверхвысокую надежность. Но новые космические старты впереди – сегодня «Росэлектроника» продолжает традиции. Холдинг представил на МАКС-2019 первую российскую бортовую лампу бегущей волны с охлаждением за счет инфракрасного излучения в открытый космос. Разработка позволяет снизить тепловую нагрузку на систему обеспечения терморегуляции космического аппарата более чем в два раза, что, в свою очередь, увеличивает стабильность работы спутника. Лампа бегущей волны УВ-А2014, разработанная «Росэлектроникой», может использоваться как в гражданских, так и в специальных спутниках связи. Ее выходная мощность составляет до 130 Вт, а коэффициент усиления – 50 дБ.

Новинка позволит отказаться от импортных ЛБВ, в настоящее время все еще используемых в российских космических аппаратах. Оригинальные идеи наших ученых, исследователей и конструкторов, которые уже на протяжении семи десятилетий ведут непрерывную работу в этой сфере, создают конкуренцию ведущим мировым производителям.

Лампа бегущей волны

Технологии

Ла́мпа бегу́щей волны́ (ЛБВ), электровакуумный СВЧ-прибор , работа которого основана на длительном взаимодействии электронного потока и замедленной электромагнитной волны , движущихся в одном направлении. Предназначена главным образом для широкополосного усиления СВЧ-колебаний в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц, а также для преобразования и умножения частоты и других целей. Электровакуумный прибор, в основу работы которого положен принцип взаимодействия электронного потока и бегущей волны , впервые предложил и запатентовал американский инженер А. Гаев в 1936 г. Первая ЛБВ создана американским учёным Р. Компфнером в 1943 г. (по другим сведениям, в 1944); теоретическое описание ЛБВ впервые опубликовано американским физиком Дж. Пирсом в 1947 г.

Различают ЛБВ О-типа (наиболее распространены), в которых в энергию СВЧ-поля преобразуется кинетическая энергия электронов в результате их торможения электромагнитным полем (при этом постоянное магнитное поле направлено вдоль электронного пучка и служит для фокусировки электронов), и ЛБВ М-типа, в которых преобразование энергии, полученной электронами от внешнего электрического поля , в СВЧ-энергию происходит в пространстве взаимодействия, где постоянные электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу и направлению фазовой скорости замедленной СВЧ-волны (подробнее см. в статье Магнетрон ).

Термин «лампа бегущей волны» обычно относят к ЛБВ О-типа; они широко применяются в передающих и приёмных устройствах радиолокационных станций , систем связи через искусственные спутники Земли и радиорелейных линий связи . Сочетание высокого коэффициента усиления, низкого уровня собственных шумов, относительно небольших габаритных размеров и массы с широкой полосой усиливаемых частот, позволяющей передавать большой объём информации, делает ЛБВ одним из наиболее удобных источников СВЧ-энергии для бортовых РЛС, устанавливаемых на самолётах, кораблях и других движущихся установках. ЛБВ М-типа широкого распространения не получили.

Электронная пушка формирует электронный пучок с определёнными сечением и интенсивностью; скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы (периодическая система постоянных магнитов , соленоид и др.), создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка. Замедляющая система (обычно в виде спирали) понижает скорость бегущей волны вдоль оси прибора до скорости, близкой к скорости электронов. Усиливаемый сигнал вводится в замедляющую систему и выводится из неё с помощью устройств ввода и вывода СВЧ-энергии. Коллектор служит для улавливания электронов. Для устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражения электромагнитной волны от концов замедляющей системы применяется поглотитель (например, в виде поглощающего керамического стержня или плёнки).

В ЛБВ ускоренные в электронной пушке электроны влетают в замедляющую систему, где взаимодействуют с электрическим полем усиливаемой волны, подаваемой через ввод СВЧ-энергии. Двигаясь синхронно с волной, электроны в результате взаимодействия тормозятся или ускоряются – в зависимости от фазы электрического поля; при этом происходит модуляция электронного потока по плотности – образование сгустков. В случае равенства скоростей волны и электронов обмена энергией между ними не происходит и усиление отсутствует. Если скорость электронов немного превышает фазовую скорость волны, сгустки электронов, обгоняя волну, попадают в тормозящее поле и отдают свою энергию, усиливая входной сигнал.

Главное достоинство ЛБВ по сравнению с другими усилительными электровакуумными СВЧ-приборами (например, клистронами ) – широкая полоса усиливаемых частот (обычно 1–2 октавы). Выходная мощность ламп в зависимости от назначения составляет от долей МВт (малошумящие ЛБВ во входных усилителях СВЧ приёмных устройств) до десятков кВт (в усилителях выходных СВЧ-сигналов передающих устройств) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном режиме; коэффициент усиления достигает 30–50 дБ и более.

Редакция технологий и техники. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2010.

Опубликовано 5 июня 2023 г. в 09:40 (GMT+3). Последнее обновление 17 июля 2023 г. в 10:39 (GMT+3). Связаться с редакцией