В предыдущих мини-лекциях мы рассматривали приборы СВЧ основанные на КРАТКОВРЕМЕННОМ взаимодействие электронных сгустков с электромагнитным полем СВЧ. Промодулированные электроны по скорости двигаясь в пространстве дрейфа группировались в сгустки. Пролетая через оконечный резонатор и наводя токи в нём, тем самым отдавали свою кинетическую энергию электромагнитному полю. Так ещё взаимодействовали с резонатором (полем) кратковременно! Большим недостатком таких приборов была ограниченная возможность изменения частоты генерации и усиления. В смысле перестройка частот. И всё из-за применения резонансных систем, — резонаторов. Мы же рассмотрим приборы СВЧ несколько другого принципа работы, — с ДЛИТЕЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ электронных сгустков с электромагнитным полем.
Лампы БЕГУЩЕЙ (ЛБВ) и ОБРАТНОЙ (ЛОВ) волны, О-типа.
Вообще-то здесь несколько несуразное понятие... Оба типа ламп и есть бегущей волны, только первая прямой волны, а вторая обратной! Ну, дык. Один кто-то брякнул и все как попугаи за ним?!
Так о чём это я? О том, что приборы О-типа (Обычные) — приборы с нерезонансной колебательной системой. А, поток электронов взаимодействует (постоянно) с БЕГУЩИМ электромагнитным полем создаваемых именно нерезонансными системами, замедляющими, ЗС.
С замедляющими системами мы познакомились в одной из предыдущих мини-лекциях. А, что ещё за прямые и обратные волны? Вообще-то всё это изложено но уже в другой мини-лекции: Под волнами надо понимать направление движения фазовой скорости. В прямой волне она совпадает с движением энергии, с групповой скоростью. Обратная волна, это когда фазовая скорость направленная в противоположную сторону от групповой (энергии). На рис.5 показано, левая половина, — ПРЯМАЯ ВОЛНА, использующаяся в ЛБВ. Правая же половина, — ОБРАТНАЯ ВОЛНА. Обратная волна используется в ЛОВ. Как видите различие между ними лишь в направлении фазовой скорости. Там же рассказывается о так называемых пространственных гармониках и их роли в работе ламп.
Так какой же принцип работы ЛБВ, подробнее? На рис.1 и есть в схематическом разрезе та самая ЛБВ. На рис.2, эконом-вариант! :-)) Итак: рис.1-1 это скромно обозначенная электронная пушка. Та, что о впрыскивает поток электронов. Положительно заряженная замедляющая система (ЗС) рис.1-3 заглатывает поток, придав ему ускорение... В первую, слева секцию ЗС запускают электромагнитное поле (усиливаемый сигнал). Оно, хотя и слабо, но всё же модулирует поток по скорости. От чего поток в испуге начинает группироваться опасаясь чего-нибудь?! А так как сигнал не сидит в первой секции а несётся как сумасшедший вправо, то сгустки поневоле вступают в контакт с движущимся полем, отдавая ему свою энергию. В свою очередь поле в тормозящей фазе отбирает эту самую энергию. Догадываюсь, что для нас с Вами это дело тёмное... В конце-концов усиленное поле достигает конца ЗС отдаётся нагрузке на выходе. А, электроны потерявшие всякую надежду попадают на коллектор рис.1-4 и их (как и на Украине) возвращают и снова на фронт! В смысле опять бороться с сигналом СВЧ.
В случае с ЛБВ просматривается сходство с пролётным клистроном! Разница в том, что в клистроне электронный поток от входа до выхода, двигаясь в пространстве дрейфа не взаимодействует ни с чем. В ЛБВ же взаимодействие с полем происходит непрерывно до самого выхода. За счёт этого и происходит усиление.
На рис.2 та же ЛБВ с присобаченной сеткой-анодом рис.2-2 предварительно разгоняющим поток электронов... На рис.1 нет такого и двойкой обозначен СОЛЕНОИД, то бишь электромагнит служащий только для фокусировки электронного луча (поток сгустков). В реальных лампах его может и не быть. На рис.13 реальная ЛБВ типа УВ-261. Есть и другие и их множество, а то, что УВ-261? Просто более приличного фото других я не нашёл?!
А, чего я Вам утаил? Правильно, зачем же ЗС?! Чтобы худо-бедно создать условие работы ЛБВ. А точнее полезное условие обмена электронов и поля! То, что и показано на рис.3, кофейной формуле так называемого условия СИНХРОНИЗМА... Почти равенства фазовой скорости волны (пространственной гармоники) и пролёта сгустков электронов. Во как?!! :-)) На рис.12 спиральная ЗС чаще встречается в ЛБВ, а на рис.12а ЗС «встречные штыри» в основном в ЛОВ!
А, что нужно конкретно чтобы ЛБВ эффективно работала? На рис.9 разрез ЗС, в виде диафрагмированного волновода. Красная стрелка показывает направление электронного потока. Электромагнитное поле существует только в зазорах между отрезками труб. И только там электроны взаимодействуют с этим полем. Причём, в левом зазоре поле тормозящее (отрицательная полуволна). То есть электроны отдают энергию полю, создавая усиление сигнала. В правом же зазоре наоборот отнимает энергию... В итоге ноль усиления! А, что это нам даёт, в смысле понимания процесса? И щё з этим делать? Правильно! Вот на рис.6 показаны два варианта совместного движения поля и потока электронов. При равенстве скоростей электрон зависает на каком-то этапе, в нашем случае на нуле (между полупериодами) и никак не влияет на усиление. Нам же нужно, чтобы поток имел скорость чуть большую чем фазовая поля. Мало того, чтобы он скользил всё время в тормозящем полем. На рис.6 внизу, где (Ve-Vф)>0 электроны скользят вдоль отрицательной полуволны. Чтобы это происходило непрерывно нужно подобрать скорости Ve и Vф плюс длину ЗС так, чтобы полуволна заканчивалась на выходе из ЗС! И если ЗС как бы железяка не может менять конфигурацию (в данной лампе) то скорость потока можно менять ускоряющем напряжением. На рис.7 показана зависимость Рвых от Uо. Максимум достигает при Uоп. На рис.8 показана зависимость амплитуды поля от начала ЗС к её концу, к выходу сигнала в нагрузку. И ещё! На примере рис.9 можно понять, что электронному потоку по барабану в какую сторону направлена фазовая скорость. Главное, чтобы обмен энергией был в нужное время и нужном месте!
А может ли ЛБВ генерировать чего-нибудь? А-то? Ещё как может! Ну во-первых, сама по себе (сдуру!), и если ещё создать искусственно некие условия: БАЛАНС ФАЗ и АМПЛИТУД! Догадался уж... Вот на рис.4 два «кубика-рубика» зелёного цвета, — усилитель (ЛБВ же усилитель!), и пурпурного, — цепь обратной связи. В смысле часть сигнала с выхода подаётся на вход. К, — коэффициент усиления, а b — передачи. Далее голубой «рубик» К — усиления, а b — отношение напряжения на выходе цепи в напряжению на выходе усилителя. После недолгих математических издевательств приходим к выводу, Кос — коэффициенту усиления всего (с обратной связью). В красном «рубике» условие создания генерации системы! Естественно при bK < 1 генерации не будет! В ЛБВ же для такого принимают особые меры! И вообще нужно учитывать, что всегда в схемах присутствуют как положительные, так и отрицательные обратные связи! Вопрос лишь в том, что насколько они влияют на работу схемы?! Хотя, в старых радиоприёмниках были введены положительные (регулируемые) обратные связи. Это так называемый регенеративный режим, в радиоприёмниках: «Тула», «Киев Б-2», «Рига Б-912». http://proza.ru/2016/03/03/634 Так, что если присутствует положительная обратная связь, уже можно считать присутствие регенеративного усиления. В литературе встречается название таких связей как паразитные! В смысле усилитель может превратиться в генератор! Какой паразит, а??? Вообще-то в СВЧ-технике только для генерации существуют другие приборы О-типа, Лампы Обратной Волны, — ЛОВ!
Да, та самая Лампа Обратной Волны! Та самая, что на рис.14, а схематически на рис.3. Но это уже почти другая история! Ведь основная задача ЛОВ, — генерация СВЧ! Значит всё тот же баланс фаз и амплитуд! На рис.10 я по-своему, как мог попробовал объяснить Вам как образуется та самая обратная связь в ЛОВ как в генераторе?! Первоисточник процесса является ФЛУКТУАЦИЯ. Флуктуация, флюктуация от латинского fluctuation «колебание», отклонение физической величины от среднего значения, вызванного случайными факторами. Для нас с Вами от выпрыгивание из металла электронов от скажем теплового воздействия и вообще... Так, ещё скачки тока. Да Вас током не токнет, Вы и не почувствуете. А вот такие скачки вызывают рождение всплесков электромагнитных колебаний. Они-то и начинают распространяться вдоль ЗС и не просто так, а с пространственными гармониками. И не исключено, что одна из них будет обратной?! То, что нам и нужно! Далее как и в ЛБВ поле начнёт формировать сгустки электронов. Они в свою очередь начнут отдавать энергию полю. Подбором конструкции ЗС создастся условие баланса фаз. И если не будет больших потерь, то и амплитуд! То есть генератор начнёт выдавать на гора СВЧ!
Нам нужно понять одну важную вещь! Все пространственные гармоники связаны друг с другом и не могут существовать отдельно, только все вместе! Отсюда и двигаются они в одну сторону с одной скоростью, групповой, Vгр! А, то, что фазовые могут двигаться как с разной скорость, так и направлением, то это никак не влияет на Vгр! Поэтому на рис.10 хотя и показана такая цепочка как бы Vф состыкуется с Vгр, на самом деле это одна и та же гармоника, но в силу несоответствия (равенства углов фаз) и происходит некое отставание в виде кажущегося движения в противоположную сторону фаз гармоники. Главное электронам попасть в тормозящую фазу!!! А, обратная, положительная связь в ЛОВ просто необходима для работы ламп обратной волны, она принципиально неустранима в отличие от «паразитной» в ЛБВ.
Основным достоинством ЛОВ является большой диапазон электронной перестройки частоты. Ширина диапазона характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона генерации dп = fмакс/fмин, где fмакс, fмин – максимальная и минимальная граничные частоты диапазона. Для ЛОВ с коаксиальным выводом энергии обычно dп = 2, а с волноводным выводом определяется полосой пропускания стандартного волноводного тракта и равен dп = 1,5–1,6.
И под занавес, факультатив! Для двоечников со стажем, факультативный от французско-латинского, facultatif, facultas, facultatis «способность, возможность». Для школяров: возможный, НЕОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ! Есть такое иноземное слово как АППРОКСИМАЦИЯ от латинского approximo «приближаюсь» выражение точных математических величин через приближённые. В радиотехнике этим тоже развлекаются с даже не очень точно-математическими. Это всякие характеристики, скажем ламповые... Какую-нибудь загогулину представляют в виде ломанных прямых линий. По сути пренебрегая тем, что находится на пересечении. В переносном смысле пренебрежение чего либо, тех же самых оврагов (всё мол красиво, зашибись!), но? Вот так и в нашей теме. Всё так красиво получается: электроны сюда, поле туда... А, что с оврагами? Они есть или их нет?! И пока петух жареный не клюнул... То оказалось, что усилительные ЛБВ стали генераторами не с того, ни с сего? А ЛОВ при перестройке частоты вдруг стали терять мощность... Правильно, при аппроксимации в наших головах забыли об бесконечных отражениях волн внутри приборов. В ЛБВ они создали обратные связи и лампы загенерили вдруг, а ЛОВ потеряли мощность! Вот чтобы этого не было стали применять и там и там поглотители этой противной энергии полей (ненужных конечно). На рис.3 это тот самый треугольник справа внутри ЗС. По науке это всё называется согласованной нагрузкой. Если Вы читали мини про линии связи, и прочие линии, то там тоже рассуждают про согласование и степени отражения от несогласованного! У нас та же история... Согласовано, значит вся энергия по линии передачи ушла в нагрузку (в дело!) и уж точно не отразилась обратно. А ведь замедляющая система (ЗС) это и есть та самая линия (слишком ухабистая).
Поглотителем может быть некие материалы именно поглощающие электромагнитные волны. Помните как талдычили про самолёты (корабли) невидимки?! А, то, что в виде своего рода клина, объясняется тем, что в таком виде тепло распределяется более равномерно! Материалом для таких клиньев может служить: полижелезо, ферроэпоксид, керографит или асбестоцемент. Но в нашем случае мы не можем ставить защиту в виде монолитного булыжника... А, электроны-то как полетят к коллектору, а? В таких случаях всё делается в виде слоёв рис.7 с каналами для пролёта электронов (красные стрелочки). На рис.9 показан отрезок замкнутого с одного конца волновода. Но там ставятся другие цели, нужно именно всё поглотить и точка! Электроны-то отсутствуют. Честно признаюсь, как уж там всё это (в ЛОВ) поглощение реализуется я не знаю?!