Введение
Лампы бегущей волны (ЛБВ) относятся к вакуумным приборам сверхвысоких частот (СВЧ), которые осуществляют преобразование кинетической энергии движущихся в вакууме электронов в энергию электромагнитного поля путем взаимодействия электронов с электромагнитной волной. Она работает на принципе «бегущей волны», когда поток заряженных частиц ускоряется по спиральной траектории в магнитном поле, в результате чего происходят столкновения, приводящие к излучению световых импульсов.
Лампы бегущей волны имеют огромное значение в современных технологиях благодаря своей способности генерировать узкие импульсы света с высокой интенсивностью и коротким временем длительности. Эти устройства нашли применение в различных областях, включая физику, химию, биологию, медицину, лазерную технику, нанотехнологии и многие другие.
Изучение ламп бегущей волны представляет интерес с точки зрения разработки новых методов исследований и применения в различных областях науки и промышленности. Это также способствует развитию новых технологий и улучшению существующих технических решений. Понимание работы и свойств ламп бегущей волны поможет ученым и инженерам создавать более эффективные и точные приборы для широкого спектра приложений.
Принцип работы лампы бегущей волны
Описание основных компонентов и принципов функционирования
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.
От полупроводниковых и газоразрядных приборов лампу отличает наличие в ней вакуума. ЛБВ представляет собой вакуумную трубку, вставленную в фокусирующую магнитную систему. Состоит из следующих основных узлов: замедляющая система (ЗС) с вводом и выводом энергии; электронная пушка; коллектор. Дополнительно можно рассматривать электронно-оптическую систему (ЭОС), обеспечивающую формирование электронного луча заданной конфигурации.
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. Важной характеристикой электронных пушек является плотность тока с катода (А/см2 ). Увеличение плотности тока с катода, кроме чисто технологических сложностей, связано с более быстрым расходованием имитирующего материала катода, следовательно, с уменьшением срока службы всего прибора. Существуют следующие способы модуляции электронного потока: катодная модуляция; модуляция по управляющему электроду (аноду); модуляция с помощью электрода «штырь-кольцо»; сеточная модуляция.
Замедляющая система (обычно в виде спирали) снижает скорость бегущей волны вдоль оси прибора до скорости, близкой к скорости электронов. Усиливаемый сигнал вводится в замедляющую систему и выводится из нее с помощью устройств ввода и вывода СВЧ-энергии. Важнейшим параметром ЭОС является первеанс Р (А/В3/2 ):
При малых значениях первеанса снижается эффективность взаимодействия электронного луча с электромагнитным полем. Это, в свою очередь, приводит к снижению КПД, увеличению геометрической длины и к некоторым другим неприятным явлениям. В то же время большие значения первеанса в однолучевых приборах требуются при необходимости получения больших мощностей, преимущественно в длинноволновых рабочих диапазонах.
Коллектор служит для улавливания электронов. Также, для устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражения электромагнитной волны от концов замедляющей системы применяется поглотитель (например, в виде поглощающего керамического стержня или плёнки).
Принцип работы
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».
В ЛБВ и ЛОВ М-типа ускоренные в электронной пушке электроны движутся по криволинейной траектории, 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. Все электроды прибора, кроме электронной пушки, находятся под одним высоким электрическим потенциалом. Обычно они заземлены, а на пушку подается высокий отрицательный потенциал.
Электронная пушка 1 создает равномерный поток электронов, который ускоряется приложенным к ней отрицательным потенциалом Е (Рис 2, а). Поток электронов проходит по оси прибора через ускоряющий электрод 2 и замедляющую систему 3, после чего он попадает на коллектор 4. Электронный поток взаимодействует с продольным электрическим полем волны СВЧ сигнала, фазовая скорость которой близка к средней скорости электронов V, определяемой ускоряющим напряжением.
Электроны слоя 1 попадают в замедляющую систему во время полупериода, в котором продольная составляющая электрического поля СВЧ сигнала (Рис. 2, б) является для них ускоряющей. В результате электроны получают приращение скорости. Электроны слоев 2 и 4, попавшие в систему, когда напряженность продольной составляющей поля СВЧ сигнала равна нулю, будут двигаться с прежней скоростью , а электроны слоя 3, оказавшиеся в системе в тормозящем полупериоде поля, замедляются.
Области применения ламп бегущей волны
Лампы бегущей волны продолжают оставаться одним из важнейших комплектующих элементов, ведь обладают превосходными рабочими и эксплуатационными характеристиками: широкой полосой рабочих частот, большим коэффициентом усиления и коэффициент полезного действия (КПД), выходной мощностью от десятков до сотен ватт, высокой устойчивостью к внешним воздействиям, термостабильностью параметров и высокой надежностью при долговечности до 100 тыс. ч и более. Они допускают эксплуатацию в гораздо более жестких режимах, чем твердотельные приборы.
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.
В будущем предполагается полный переход от объемных на планарные печатные элементы, которые изготавливаются технологическим процессом, аналогичным принятым в микроэлектронике для интегральных схем. Пленочная технология обеспечивает высокую точность изготовления мелких структурных замедляющих систем с жесткими допусками, а также сложных замедляющих систем, которые трудно выполнить обычными методами. Миниатюрные ЛБВ на печатных элементах характеризуются малыми размерами, низкой стоимостью и хорошей повторяемостью параметров от лампы, к лампе. Это делает их перспективными для применения в фазированных антенных решетках, где вопросы стоимости и идентичности параметров ламп, выступают на первое место.
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.
Заключение
В заключение, Лампа бегущей волны (ЛБВ) – это электровакуумный СВЧ-прибор, в основу работы которого положен принцип взаимодействия электронного потока и бегущей волны. Впервые предложил и запатентовал данное устройство американский инженер А. Гаев в 1936 г., а первая ЛБВ создана американским учёным Р. Кампфнером в 1943 г. В 1960-е годы началась разработка малошумящих ЛБВ для спутниковых систем связи. Эти ЛБВ успешно работали на первых отечественных спутниках «Молния» и «Горизонт».
Сегодня, спустя 80 лет, эти технологии продолжают аяктивно применяться, совершенствоваться и охватывать все большие отрасли. Оригинальные идеи отечественных ученых, исследователей и конструкторов, которые уже на протяжении семи десятилетий ведут непрерывную работу в этой сфере, создают конкуренцию ведущим мировым производителям.
Очевидно, перспективой развития ЛБВ является создание многолучевых приборов с коэффициентом усиления не менее 50 дБ и низкими питающими напряжениями. Это обеспечивает снижение массогабаритных характеристик передатчиков примерно на 20 % и, что самое главное, значительно повысить электропрочность этих передатчиков. Спрос на такие ЛБВ для РЛС и связи значительно растет.
Список литературы
- Андрушко, Л. М. Электронные и квантовые приборы СВЧ / Л. М. Андрушко, В. М. Бурмистенко Электронные и квантовые приборы СВЧ : Учебник. Москва : изд. Связь, 1974. – 192 с. : сайт. – URL: https://reallib.org/reader?file=438269 Л. М. Андрушко, В. М. Бурмистенко Электронные и квантовые приборы СВЧ. С. 57-64. : сайт. – URL: https://reallib.org/reader?file=438269&pg=29
- Дулин, В. Н. Электронные и квантовые приборы СВЧ / В. Н. Дулин Электронные и квантовые приборы СВЧ : Учебник. Москва : изд. Энергия, 1972. – 224 с. : сайт. – URL: https://reallib.org/reader?file=1504120&pg В. Н. Дулин Электронные и квантовые приборы СВЧ. С. 58-60. : сайт. – URL: https://reallib.org/reader?file=1504120&pg=59
- Труды Московского Государственного Технического Университета Радиотехники, Электроники и Автоматики, Рувинский, Г. В. Современные лампы бегущей волны их конструкции физические принципы работы и параметры; Г. В. Рувинский ; МИРЭА. – Москва : изд. МИРЭА, 2019. – 8 с. : сайт файлового архива учебных материалов. – URL: https://studfile.net/preview/10086272/
- Официальный сайт гос. корпорации РОСТЕХ. – URL: https://rostec.ru/news/lampa-begushchey-volny-kak-eto-rabotaet/ 2019 г.
- Официальный сайт Большой Российской Энциклопедии. – URL: https://bigenc.ru/c/lampa-begushchei-volny-c060fb
Редакция технологий и техники, 2023 г.
