Дослідження лампи зворотньої хвилі типу о

 

Мета роботи - вивчити конструкцію лампи зворотньої хвилі (ЛЗХ), її параметри, характеристики та умови експлуатації. Об'єкт дослідження -пакетована малопотужна ЛЗХ типу О із зустрічно-штиревою сповільнюючою системою.

Короткі відомості про ЛЗХ

Лампа зворотньої хвилі є широко діапазонним генератором НВЧ, який володіє електричним перестроюванням частоти в межах октави та більше. Перестроювання частоти генерованих коливань в ЛЗХ здійсьнюється зміною напруги на сповільнюючій системі. Безінерційність перестроювання частоти ЛЗХ дозволяє на їх базі конструювати різноманітні схеми автоматизованих вимірювань на НВЧ, схеми радіозахисту та радіозавад тощо.

В основі механізму роботи ЛЗХ типу О лежить взаємодія електронного потоку із зворотньою просторовою гармонікою ВЧ поля. Зворотнім просторовим гармонікам відповідає аномальна дисперсія, тому відповідно, групова та фазова швидкості мають протилежні напрямки. Якщо швидкість електронів приблизно рівна фазовій швидкості гармоніки на даній частоті, то відбувається взаємодія електронів із зустрічною хвилею, тому швидкість електронів та фазова швидкість хвилі мають однакові напрямки.

На відміну від лампи біжучої хвилі (ЛБХ), в лампі зворотньої хвилі суттєво змінюється характер наростання амплітуди ВЧ поля та модуляція по щільності електронного потоку (рис. 2.1). В ЛБХ повздовжня компонента напруженості електричного поля та амплітуда змінної складової конвекційного струму експоненціально зростають від вхідного до вихідного кінця сповільнюючої системи. В ЛБХ за рахунок зустрічного руху електронів та потоку енергії величина зростає в напрямку, протилежному зростанню щільності електронних згустків. Енергія збудженого поля передається на вхід електронного потоку, завдяки чому утворюється зворотній зв’язок, який приводить при певних амплітудних та фазових умовах до самозбудження генератора.

Електронне перестроювання частоти генерації ЛБХ забезпечується зміною прискорюючої напруги , яка прикладена між катодом та другим анодом. Крутість електронного настроювання визначається дисперсною характеристикою сповільнюючої системи.

Для зустрічно-штирьової системи в першому наближенні можна скористатись наступним простим виразом фазової швидкості:

 

, (1)

де - швидкість світла; та - розміри сповільнюючої системи, зображені на рис.2.2.; - довжина хвилі в вільному просторі, - номер просторової гармоніки.

За допомогою виразу (1) нескладно визначити коефіцієнт сповільнення та сповільнену довжину хвилі в такій системі, оскільки , а також розрахувати криву електронного перестроювання частоти ЛЗХ, виконуючи умову синхронізму:

 

. (2)

 

Так, для першої від'ємної гармоніки Р = -1, на основі (1) та (2) отримуємо залежність в вигляді:

(3)

 

Вираз може бути використаний для орієнтованого розрахунку електронного перестроювання частоти ЛЗХ зі сповільнюючою системою типу зустрічних штирів.

Таким чином, в силу аномальної дисперсії зустрічно-штиревої сповільнюючої системи частота генерації ЛЗХ збільшується з ростом напруги . Крива електронного перестроювання частоти ЛЗХ має вигляд, який зображений на рис. 2.3.а, звідки видно, що крутість електронного перестроювання збільшується при зменшенні .

Частота генерації ЛЗХ має слабу залежність від напруги першого анода, яка визначає величину променя, та звичайно зменшується із збільшенням струму променя, як зображено на рис.2.3.б.

Зона генерації ЛЗХ, яка зображена пунктиром на рис.2.3.в, має на практиці вигляд різко зрізаної кривої, як вказано суцільною лінією на цьому ж рисунку. Зміна потужності ЛЗХ, тобто глибина зрізаності зони генерації визначається якістю узгодження виводу енергії ЛЗХ із зовнішнім трактом. Тому елементи тракту не повинні вносити відбиття в широкому діапазоні частот.

Представляє інтерес залежність потужності генерації ЛЗХ від струму променя , яка зображена на рис.2.3.г. Самозбудження ЛЗХ відбувається при деякому значенні струму променя, який називають пусковим струмом . Величина пускового струму залежить від напруги сповільнюючої системи та її розмірів. Для оцінки величини пускового струму можна скористатись виразом

,

 

де - опір зв’язку, N - електрична довжина сповільнюючої системи, тобто число сповільнюючих довжин хвиль, які укладаються вздовж сповільнюючої системи. Електрична довжина сповільнюючої системи ЛЗХ не перевищує N=20. Опір зв’язку зустрічно-штиревої сповільнюючої системи в робочому діапазоні =5-15 Ом. Таким чином, пусковий струм, в досліджуваній ЛЗХ змінюється від 5 до 30 мА.

Рис.2.1. Схема пристрою ЛБХ (а) та ЛЗХ (б): 1 – катод та фокусуючий електрод; 2 - перший та другий аноди; 3 - сповільнююча система; 4 - узгоджене навантаження; 5 - поглинач; б - колектор

 

Рис.2.2. Сповільнююча система типу зустрічних штирів з коаксіальним виводом енергії

 

а	б
в	г
Рис.2.3.. Характеристики ЛЗХ: крива електронної перестройки (а), крива електронного змішування частоти (б), зона генерації (в), залежність генеруємої потужності від струму (г)