Короткі теоретичні відомості. ЛБХ - електронний надвисокочастотний прилад з довгою взаємодією між електронним пучком та електромагнітною хвилею

ЛБХ - електронний надвисокочастотний прилад з довгою взаємодією між електронним пучком та електромагнітною хвилею, яка рухається синхронно з пучком (рис.4.1).

Рис.4.1. Схема пристрою ЛБХ О-типу: 1 - катод; 2 - керуючий електрод; 3,4 - відповідно перший та другий анод; 5 - вхід; б - сповільнююча система; 7 - поглинач; 8 - вихід; 9 - елементи зв'язку спіралі з входом та виходом; 10 - колектор; 11 - підстроювальні елементи; 12 - скляна вакуумна оболонка;13 - фокусуюча система (соленоїд); 14 - електронний пучок

Електромагнітна хвиля, яка поступає на вхід лампи, поширюється вздовж сповільнюючої структури, яка забезпечує пониження фазової швидкості до значення, яке близьке до швидкості електронного потоку. При поширенні хвилі вздовж сповільнюючої системи (СС) повздовжня складова електричного поля модулює по швидкості пучок електронів, попередньо прискорених постійною напругою, яка прикладена між катодом електронної гармати та СС. В результаті модуляцій по швидкості при подальшому русі електронний потік отримує модуляцію по щільності, яка зумовлює появу змінної складової конвекційного струму пучка. Електронні ущільненні утворюються безпосередньо позаду областей, де повздовжнє поле вказується гальмуючим. Якщо середня швидкість електронного пучка на небагато перевищує фазову швидкість хвилі, то електронний згусток, який повільно обганяє хвилю, буде весь час знаходитися в області гальмуючого поля, віддаючи йому частину своєї енергії. Тому інтенсивність поширеної хвилі по мірі її руху синхронно з електронним потоком вздовж СС зростає, що, в свою чергу, підвищує ефективність їх взаємодії. Потужність ВЧ-хвилі на виході лампи може в сотні та тисячі раз перевищувати потужність вхідного сигналу.

Для того щоб в СС існував режим бігучої хвилі, степінь узгодження СС з навантаженням та джерелом сигналу має бути дуже високою в усьому робочому діапазоні частот. Присутність навіть слабого неузгодження приводить в результаті до подвійного відбиття хвилі — від кінця та від початку СС - до появи позитивного зворотнього зв’язку, який порушує стійку роботу ЛБХ. Для підвищення стійкості лампи штучно збільшують затухання СС шляхом введення ділянок з підвищеним поглинанням - "поглинаючих вставок", які розміщуються зазвичай десь посередині СС (ближче до входу ЛБХ).

Хвиля, яка поширюється в СС, в загальному випадку являє собою нескінченну суму просторових гармонік, які мають однакові частоти , але різні фазові постійні , відповідно, і різні фазові швидкості . Електронний пучок в ЛБХ взаємодіє лише з тією просторовою гармонікою, фазова швидкість якої достатньо близька до швидкості електронів та співпадає з нею по напрямку. При цьому перевищення початкової швидкості електронів, яке потрібне для нормальної роботи лампи, над фазовою швидкістю хвилі не повинно бути надто великим, для того, щоб за час руху вздовж СС електронний згусток не вийшов за межі гальмуючого поля. Тому режим ЛБХ О-типу різко залежить від прискорюючої напруги (рис.4.2).

Характерна особливість ЛБХ О-типу - нелінійність її амплітудної характеристики (рис.4.3). При малих рівнях вхідного сигналу спостерігається нелінійна залежність , тобто коефіцієнт підсилення залишається постійним.

При подальшому збільшенні вихідна потужність продовжує рости, але коефіцієнт підсилення падає, що зв’язано з впливом нелінійних ефектів, основними з яких є:

a) перегрупування електронів в згустку, в результаті якого утворюється два згустки електронів: один в гальмуючому електричному полі, другий - в прискорюючому, причому взаємодія високочастотної хвилі з другим згустком стає переважаючою, тобто в середньому за період електрони забирають енергію з поля;

b) порушення умови синхронізму при зменшенні кінетичної енергії електронів внаслідок гальмування електронних згустків.

Рис.4.2. Залежність вихідної потужності ЛБХ від прискорюючої напруги на фіксованій частоті	Рис.4.3. Залежність вихідної потужності і коефіцієнта підсилення ЛБХ від потужності вхідного сигналу на фіксованій частоті

При деякому значенні вихідна потужність ЛБХ досягає максимуму (насичення). Починаючи з певного рівня вхідного сигналу, вихідна потужність лампи навіть може падати.

Робоча смуга частот ЛБХ визначається багатьма факторами, зокрема дисперсією СС, тобто зміною фазової швидкості сповільненої хвилі від частоти. При фіксованій прискорюючій напрузі швидкість електронів залишається незмінною. Відповідно, чим слабша дисперсія СС, тим ширший діапазон частот, в якому може задовольнятись умова синхронізму електронів та хвилі (, але ).

Найбільшу смугу пропускання мають ЛБХ зі спіральними уповільнюючими системами, які мають дуже похилу дисперсійну характеристику. В цьому випадку смуга частот обмежується в більшій мірі можливістю широкосмугового узгодження вхідного та вихідного пристрою ЛБХ. Реально ЛБХ зі спіралями мають досить широку робочу смугу частот: від 20% по відношенню до середньої частоти до 1 -3 октав та найбільш широку смугу пропускання серед всіх типів підсилювачів НВЧ.