Lampa se zpětnou vlnou

Lampa se zpětnou vlnou (BWO) je elektrovakuové zařízení , ve kterém se pro generování mikrovlnných elektromagnetických oscilací využívá interakce toku elektronů s elektromagnetickou vlnou , probíhající podél zpomalovacího systému ve směru opačném ke směru pohybu elektronů. elektromagnetické mikrovlnné oscilace (na rozdíl od lampy s postupnou vlnou (TWT) ).

BWO se používají v širokorozsahových generátorech signálu a rozmítání pro radiotechnická měření a rádiovou spektroskopii , zejména pro generování terahertzového záření, v lokálních oscilátorech rychle laditelných přijímačů, v hlavních oscilátorech vysílačů s frekvenční agilitou atd.

Historie

První informace o vývoji VWO se objevily v roce 1948 v SSSR, vývoj provedl M. F. Stelmakh a jeho zaměstnanci v TsNII-108 ; později v roce 1952 - v USA.

Myšlenku vytvoření WWO předložil v roce 1948 sovětský vědec M.F. Stelmakh. Fenomén generování mikrovlnných oscilací jako výsledek interakce elektronového paprsku a zpětné vlny poprvé pozoroval a popsal americký fyzik S. Milman v roce 1950. Termín „WOW“ zavedli američtí vědci R. Kompfner a N Williams v roce 1953, který podal první teoretický popis fungování zařízení.

- Encyklopedický slovník "ELEKTRONIKA". - M .: "Sovětská encyklopedie", 1991

Tvůrce prvního sovětského TWT A. V. Ievsky , který spolupracoval desítky let se Stelmakh, připomněl, že k myšlence BWT v roce 1948 přistoupil svérázným způsobem, aniž by použil dnes obecně přijímané koncepty BWT jako zařízení s distribuovanou zpětnou vazbou resp. zařízení s absolutní nestabilitou:

Při diskusi o každodenních úkolech vývoje mikrovlnných zařízení se zaměstnanci se Mitrofan Fedorovich opakovaně dotkl tématu použití nízkovlnných struktur ve formě systému protipólů k vytvoření zesilovacích a generátorových TWT se zvýšeným výkonem. U konvenčního spirálového TWT je potřeba zpětná vazba k jeho převedení do režimu generátoru . Ten často vzniká sám o sobě v důsledku odrazu mikrovlnného pole] z některých nehomogenit, například ve spirálové zpomalovací linii nebo v oblasti kolektoru, a v tomto případě je pro zajištění stabilního zesilovacího režimu použit rozprašovatelný absorbér. aplikovaný na část vnitřního povrchu TWT baňky .
M. F. Stelmakh v procesu práce na TWT s kolíkovým pomalovlnným systémem upozornil na skutečnost, že kolíkový systém se liší od spirálového systému přítomností mnohem větších nehomogenit, takže kolíky mohou poskytovat znatelný zpětný odraz. mikrovlnného pole, které je nezbytné pro generování. Experiment plně potvrdil tyto úvahy - generace byla získána hned v prvních experimentech. O něco později si M. F. Stelmakh a jeho spolupracovníci uvědomili, že nejde jen o tradiční odraz od nehomogenit, ale o odraz rozložený po celé délce pomalovlnné struktury lampy, což okamžitě vyvolalo otázku prostorové synchronizace odrazové vlny. a vlna zesíleného nebo generovaného pole. Začaly teoretické výpočty, které ukázaly, že jedinou možnou (synchronizovanou s odrazovou vlnou) vlnou pole může být zpětná prostorová (minus první) harmonická pole, tedy v čisté podobě vlna zpětná.

Žárovky se zpětnou vlnou se dělí do dvou tříd: BWO typ O a BWO typ M. U zařízení typu O se kinetická energie elektronů přeměňuje na energii mikrovlnného pole v důsledku zpomalení elektronu tímto polem. U zařízení typu M přechází potenciální energie elektronů posouvajících se v důsledku opakovaného zpomalování a zrychlování od katody k anodě do energie mikrovlnného pole . Průměrná kinetická energie zůstává konstantní.

Trubka se zpětnou vlnou typu „M“ je někdy označována jako karcinotron (nebo karcinotron ) [1] . Častěji lze toto jméno nalézt v zahraniční literatuře.

LOV typ O

Zařízení a princip činnosti

Elektronové dělo vytváří paprsek elektronů pohybujících se směrem ke kolektoru. Daný průřez paprsku je udržován konstantní pomocí zaostřovacího systému. Předpokládejme, že ze strany kolektoru je do retardačního systému BWT zaveden mikrovlnný signál, to znamená, že vlna se pohybuje podél retardačního systému zprava doleva se skupinovou rychlostí vgr .

Pokud by byl zpomalovací systém homogenní a jeho pole neobsahovalo prostorové nehomogenity, pak by fázová rychlost vlny směřovala stejně jako grupová rychlost, tedy k pohybu elektronů. Mezi mikrovlnnou vlnou a elektronovým paprskem by neměla docházet k výměně energie.

Pokud má však zpomalovací systém periodickou strukturu, pak elektromagnetické pole v něm lze považovat za součet nekonečné množiny kmitů (módů) s různými frekvencemi. Fázové rychlosti těchto módů mohou být směrovány jak ve směru pohybu energie (dopředné vlny), tak i v opačném směru ( zpětné vlny ). Urychlovací napětí ( ) pro elektronový paprsek je možné zvolit tak, aby byla zajištěna synchronizace mezi elektrony a jednou z pomalých zpětných vln ( V e ≅ V f ). $U_{0}$

V_{{\phi }}={\sqrt {{\frac {2e}{m}}U_{0}}}

Poté elektrony, jeden po druhém procházející nehomogenitami, narazí na retardační elektrické pole ( fáze ) vysokofrekvenčního kmitání, což vede k tomu, že část kinetické energie paprsku se přenese do mikrovlnného pole retardačního pole. Systém. V tomto případě je tok elektronů modulován podle rychlostí elektronů, což vede k modulaci hustoty objemového náboje toku elektronů (rychlé elektrony předbíhají pomalé). Tento modulovaný tok, pohybující se směrem ke kolektoru, indukuje vysokofrekvenční proud na zpožďovacím systému. Ale energie vlny, se kterou elektrony interagují, se pohybuje směrem k toku elektronů. V důsledku toho se na výstupu zpomalovacího systému v blízkosti elektronového děla vytvoří pole, které převyšuje počáteční signál. Lampa získává vlastnosti autogenerátoru .

Elektronový paprsek tedy hraje v BWO dvojí roli – jako zdroj energie a jako spojení, přes které dochází k pozitivní zpětné vazbě. Toto spojení je vlastní samotnému principu BWO a je v podstatě neodstranitelné, na rozdíl od jiných mikrovlnných generátorů.

Když se změní frekvence BWO, může se mikrovlnná vlna odrazit od zátěže a přivést zpět do systému s pomalými vlnami. Tato odražená vlna může interagovat s tokem elektronů, což povede ke změně výstupního výkonu . Pro eliminaci těchto vlivů je na konci pomalovlnného systému obráceném ke kolektoru zapnuta samočinná zátěž (absorbér).

Parametry a charakteristiky

Frekvenční rozsah

Frekvence oscilací BWO závisí na napětí aplikovaném mezi moderačním systémem a katodou. Moderní (2005) BWT pokrývají frekvenční rozsah od jednotek GHz do jednotek THz. $U_{0}$

Šířka rozsahu elektronického ladění frekvence je charakterizována buď poměrem překrytí rozsahu

$\delta _{c}={\frac {f_{{max}}}{f_{{min}}}}$

nebo relativní hodnota vyjádřená v procentech

$\delta _{0}=2{\frac {f_{{max}}-f_{{min}}}{f_{{max}}+f_{{min}}}}100$

kde a jsou maximální a minimální frekvence rozsahu elektronického ladění. $f_{{max}}$ $f_{{min}}$

Typické hodnoty jsou 1,5 ÷ 2. $\delta_{c}$

Sklon elektronického ladění frekvence

Závislost frekvence záření na napětí na moderačním systému BWO má nelineární charakter. To je způsobeno skutečností, že rychlost elektronů v toku je úměrná druhé odmocnině napětí napříč zpomalujícím systémem. $v_{e}$

Pro dané geometrické rozměry zpomalovacího systému je frekvence generovaných kmitů jednoznačně určena velikostí napětí na zpomalovacím systému:

$f={\frac {{\sqrt {U_{0)))){\alpha +\beta {\sqrt {U_{0))))}$ , kde α a β závisí pouze na geometrických parametrech.

Strmost elektronického frekvenčního ladění BWO se zvyšuje s klesajícím napětím na zpožďovacím systému. Se stejnými limity kolísání napětí na zpožďovacím systému mají vysokofrekvenční BWO větší strmost ladění. Sklon ladění pro BWO s milimetrovou vlnovou délkou je desítky megahertzů na volt , pro BWO s centimetrovým rozsahem je to několik megahertzů na volt.

Výkon

Výstupní výkon oscilací BWO je přibližně úměrný napětí na moderovacím systému a rozdílu mezi provozní a počáteční hodnotou proudu elektronového paprsku :

$P_{out}=kU_{0}(I-I_{0})$ , kde je koeficient úměrnosti, je proud elektronového paprsku, je startovací proud je minimální hodnota proudu elektronového paprsku, při které dochází ke generování. $k$ $já$ $I_0$

Typicky je výstupní výkon VWO od několika miliwattů do několika wattů.

Závislost výkonu záření na napětí na pomalovlnném systému je na obrázku. Výstupní výkon VWT se zvyšuje v důsledku zvýšení vstupního výkonu . Po určité hodnotě však výstupní výkon klesá v důsledku snížení rozdílu mezi provozní a počáteční hodnotou proudu elektronového paprsku . $U_{0}I$ $U_{0}$ $(já-já_{0})$

Teoretická závislost výstupního výkonu na napětí na zpomalovacím systému je na obrázku znázorněna tečkovanou čarou. Skutečná závislost na výkonu (plná čára) je však mnohem drsnější. Hlavním důvodem je odraz mikrovlnného záření od absorbéru pomalovlnného systému a zařízení pro výstup energie.

Stupeň nestejnoměrnosti křivky výstupního výkonu WWO se obvykle odhaduje podle velikosti rozdílu tohoto výkonu v rozsahu elektronického ladění:

$\delta _{P}=10\lg({\frac {P_{{max}}}{P_{{min}}}})$

Spektrum fluktuací

Oscilace BWO, stejně jako u jiných typů mikrovlnných generátorů, nejsou monochromatické . Rozpínání spektrální čáry je způsobeno náhodnou modulací, která je důsledkem diskrétní povahy proudu elektronového paprsku, vlivu rozložení proudu paprsku mezi jednotlivé elektrody a prvky zpomalovacího systému, efektu blikání katody a dalších důvodů.

Avšak v BWO s magnetickým zaostřováním, stejně jako v jiných mikrovlnných zařízeních typu O, je také pozorována významná periodická modulace amplitudy a frekvence oscilací. Jedním z důvodů takové modulace jsou relaxační oscilace, které vznikají v toku elektronů v oblasti elektronového děla.

Příčinou modulace může být také nestabilita zdroje energie VWO. Protože výkon BWO může být velmi závislý na napětí v systému moderování, i nepatrná změna napětí může vést k velké modulaci výstupního výkonu BWO.

Účinnost

Maximální účinnost nepřesahuje u WT typu O několik procent.

LOV typ M

Rozdíl od VOV typu O

U typu O BWO předávají elektrony svou přebytečnou kinetickou energii poli, což odpovídá rozdílu rychlostí elektronů a vlny. Účinnost je omezena přípustným rozdílem mezi uvedenými rychlostmi. Naopak u BWO typu M se kinetická energie elektronů nemění, ale mění se potenciální energie, která se přeměňuje na energii mikrovlnného pole.

Navíc k nejpříznivější interakci mezi tokem elektronů a mikrovlnným polem ve WWO typu M dochází, když průměrná rychlost elektronů a fázová rychlost vlny jsou přesně stejné ( V e = V f ), zatímco přenos energie v WWO typu O vyžaduje, aby se elektrony pohybovaly o něco rychleji než vlna.

Zařízení a princip činnosti

Injekční zařízení vytváří proud elektronů pohybujících se směrem ke kolektoru. Proud elektronů vytváří v retardačním systému indukovaný proud a elektromagnetické pole prostorových harmonických. Pokud je proud paprsku (tok elektronů) dostatečně velký (větší než startovací), na jedné z prostorových harmonických, pro kterou je splněna podmínka fázové shody ( V e = V f ), dojde k interakci toku elektronů. s vlnovým polem začíná, ve kterém ve zpomalovacích půlcyklech elektrického pole harmonické dojde ke zvýšení jeho energie v důsledku poklesu potenciální energie elektronů. Tok elektronů v BWO typu M interaguje s inverzními prostorovými harmonickými, pro které jsou směry fázových a skupinových rychlostí opačné, takže elektrony se pohybují směrem ke kolektoru a vlnová energie směrem k nim směrem k výstupu vlnovodu zařízení. . V důsledku toho vzniká mezi vlnovým polem a tokem elektronů kladná zpětná vazba, při níž vlna, odevzdávající část své energie seskupení elektronů, jí získává více v důsledku poklesu potenciální energie seskupených elektronů.

Kvůli obtížím širokopásmového přizpůsobení výstupu vlnovodu CWTM s pomaluvlnným systémem v CWTM jsou možné odrazy od zátěže. Pro eliminaci tohoto efektu se u WWO typu M používá absorbér, stejně jako u WWO typu O.

Parametry a charakteristiky

Frekvenční rozsah

Stejně jako u typu O BWO závisí frekvence záření na napětí na systému s pomalými vlnami. Typicky se BWO typu M používají ve frekvenčním rozsahu od 200 MHz do 20 GHz s elektronickým rozsahem ladění frekvence až 40 %.

Sklon elektronického ladění frekvence

Na rozdíl od BWO typu O je u BWO typu M rychlost elektronů v BWO přímo úměrná (napětí na retardačním systému). Proto je u BWO typu M pro dosažení stejného frekvenčního pokrytí jako u BWO typu O zapotřebí menší změna . $U_{0}$ $U_{0}$

Výkon

Moderní generátory založené na LWO typu M jsou schopny poskytovat výstupní výkon v kontinuálním režimu řádově desítky kilowattů v rozsahu decimetrů a jednotek kilowattů v rozsahu centimetrů. V současnosti se jedná o nejvýkonnější generátory mikrovlnných kmitů s elektronickým frekvenčním laděním.

Synchronizované oscilátory na bázi BWO typu M mají vysokou frekvenční stabilitu a nízkou hladinu šumu, což umožňuje jejich použití v komunikačních systémech s frekvenční modulací.

Účinnost

U LWO typu M dosahuje účinnost 40-60 %.

Viz také

Reverzní vlny

Poznámky

↑ Lampa se zpětnou vlnou // Fyzický encyklopedický slovník. - ed. A. M. Prokhorova - M., Velká ruská encyklopedie, 2003. - ISBN 5-85270-306-0 . – Náklad 10 000 výtisků. - S. 344

Literatura

Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. a další Generování kmitů a vytváření rádiových signálů. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

Vakuová elektronická zařízení (kromě katodového paprsku )
Generátor a zesilovací lampy	Trioda tetroda paprsková tetroda Pentoda hexaod sedmičlenná Pentagrid oktod Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klystron Cestující vlnová lampa Lampa se zpětnou vlnou Gyrotron
jiný	Elektrovakuová dioda Kenotron rentgenová trubice Vakuový fluorescenční indikátor Magické oko Vakuová fotobuňka trubice zesilovače obrazu Fotonásobič Násobič sekundárních elektronů Selectron mechatron
Druhy výkonů	Osmičková Prst Tyč Nuvistor žalud Mayachkovaya Metal-keramické Kombinovaný
Konstrukční prvky	Anoda Katoda přímá záře Nepřímá záře polní emise Fotokatoda Dinod Ohřívač Mřížka manažer Antidynatron Stínění katodické Getter podstavec