.

Лампа бегущей волны.

ЛБВ - электронно-вакуумный прибор СВЧ диапазона, работа которого основана на длительном взаимодействии электронного потока поля усиливаемого сигнала, движущихся вдоль однородной замедляющей системы.

Классификация ЛБВ

По способу усиления СВЧ сигнала:

  • ЛБВ типа =О=  используется для усиления сигнала кинетическая энергия электронного пучка (в пространстве взаимодействия).
  • ЛБВ типа =М=  используется потенциальная энергия электронного пучка.

По уровню выходной мощности:

  • маломощные - до 1 Вт;
  • средней мощности - от 1 Вт до 100 Вт;
  • большой мощности от 100 Вт до 100 кВт;
  • сверхмощные - свыше 100 кВт.

По режиму работы:

  • импульсного действия (радиолокация);
  • непрерывного действия (связь).

Применение ЛБВ ЛБВ применяется в качестве усилителей колебаний СВЧ диапазона. Используется в качестве:

  • малошумящих усилителей приема (маломощные);
  • промежуточных усилителей мощности передатчика.

Составные части ЛБВ 

  • 1 - длинная стеклянная колба
  • 2 - фокусирующая система
  • 3 - электронный инжектор
  • 4 - анод
  • 5 - замедляющая система
  • 6 - цилиндры связи
  • 7 - коротко замкнутые поршни
  • 8 - локальный поглотитель 
  • 9 - входной и выходной волновод
  • 10 - коллектор.

Назначение составных частей ЛБВ

  • Электронный инжектор(3) предназначен для создания направленного пучка электронов.
  • Анод(4) - представляет собой электростатическую линзу, выполненную в виде диска с отверстиями, и предназначен для дополнительной фокусировки электронного пучка.
  • Фокусирующая система(2) с помощью своего магнитного поля окончательно фокусирует электронный луч. Замедляющая система(5) представляет собой металлическую спираль и предназначена для уменьшения скорости распространения ЭМВ.
  • Цилиндры связи(6) совместно с
  • коротко замкнутыми поршнями (7) являются трансформирующим устройством, которое предназначено, для согласования входных и выходных волноводов с замедляющей системой.
  • Локальный поглотитель(8) предназначен для поглощения отраженной волны, образованной в результате рассогласованности замедляющей системы и выходного волновода.
  • Коллектор(10) поглощает поток электронов, прошедший через замедляющую систему.

Принцип действия ЛБВ

Электронный поток, инжектируемый в пространство внутри спирали, взаимодействует с осевой компонентой электромагнитного поля СВЧ волны и при определенных условиях отдает ей часть своей кинетической энергии, обеспечивая тем самым усиление СВЧ сигнала. Для простоты понятия принципа работы рассмотрим усиление сигнала на одной частоте  Рассмотрим движение наиболее характерных электронов, летящих с инжектора со скоростью Uо и взаимодействующих с сигналом А Данные электроны попадают в ускоряющее и тормозящее (область II) поле и находятся в одинаковых количествах. При условии, если Uо» Uф то электроны, попадающие в ускоряющее и тормозящее поле, смещаются в направлении электрона 5 постепенно образуя сгусток электронов в центре с электроном 5 , на который ВЧ электрическое поле не действует, т.к. в месте расположения этого электрона напряженность поля равна нулю. Образующийся сгусток возбуждает в свою очередь ЭМВ, отстающую от модулирующей волны на 90° и складывается с первоначальной волной А - результирующая кривая В  Это возможно при точном равенстве Uо=Uф. Если скорость электронов (Uо) несколько увеличить, то образующиеся сгустки опережают первоначальную волну и возбуждаемые ими поле оказывается ближе по фазе к бегущей волне, а амплитуда результирующего поля возрастает. Если же еще увеличить Uо, то образование сгустков будет затруднено, т.к. электроны будут попадать последовательно то в ускоряющее, то в тормозящее поле и отбор энергии от них становится невозможным. На практике максимальное усиление достигается при скорости электронов Uо, на единицы процентов превышающей Uф замедленной ЭМВ. Т.о. принцип усиления сигнала в ЛБВ происходит следующим образом: входной СВЧ сигнал поступает на вход замедляющей системы, через которую двигается поток электронов вылетевших с электронного инжектора, в результате взаимодействия СВЧ сигнала (модулирующего) с потоком электронов образуются "сгустки", которые возбуждают наведенный ток, протекание которого по замедляющей системе вызывает появление ВЧ напряженности электрического поля; поля в направлении продольной оси ЗС. Однако напряженность поля вдоль ЗС оказывается небольшой, поэтому достаточно  ффективное торможение сгустков электронов, а следовательно, и отбор энергии от модулированного по плотности электронного пучка удается осуществить сложением возбуждаемого на каждом участке ЗС ВЧ поля с полем волны, бегущей вдоль замедляющей системы(длительное взаимодействие электронного потока и поля усиливающего сигнала). Амплитуда бегущей волны нарастает экспоненциально, т.к. усиливаемая волна в свою очередь воздействует на электронный поток, увеличивая его модуляцию.

Параметры ЛБВ

Качественные показатели ЛБВ оцениваются с помощью совокупности параметров и характеристик. Основными из них являются:

  • рабочая полоса частот;
  • тип замедляющей системы;
  • напряжение и ток коллектора;
  • напряжение и ток анода;
  • напряжение и ток ЗС;
  • коэффициент усиления;
  • выходная мощность;
  • коэффициент полезного действия.

   3.3. Устройства распределения мощности СВЧ сигнала.

В ВЧ трактах станции спутниковой связи (ССС) используются элементы СВЧ предназначенные для распределения мощности СВЧ сигналов. К ним относятся:

  • ферритовые циркуляторы;
  • направленные ответвители;
  • СВЧ – мосты.

Ферритовый циркулятор (ФЦ) ФЦ- представляет собой коаксиальный или волноводный тройник, внутри которого располагается ферритовый вкладыш, находящийся в постоянном магнитном поле.

В зависимости от диапазона частот используются:

  • коаксиальные циркуляторы (ФЦК) - 1.5-2.1 ГГц;
  • волноводные циркуляторы (ФЦВ) - 3.4-11.7 ГГц.

Циркуляторы, имеющие три плеча, называют Y-циркуляторами  Основным свойством циркулятора является то, что СВЧ сигнал, поступающий в плечо I, выходит через плечо II. Сигнал, поступающий в плечо II, выходит через плечо III, а поступающий в плечо III, выходит через плечо I. Действие ферритового циркулятора основывается на явлении поперечного магнитного резонанса, или эффекта смещения поля в ферритах. Ферриты представляют собой материал с кристаллической структурой, получаемой спеканием окиси железа с окислами никеля, цинка, магния, хрома меди и других металлов. По внешним признакам ферриты имеют сходство с керамикой и обладают большой твердостью. На СВЧ при отсутствии постоянного магнитного поля начальная магнитная проницаемость феррита близка к единице. Анизотропные свойства феррита проявляются при внесении в его поле постоянного магнита.

Устройство коаксиального циркулятора

Постоянной магнитное поле создается двумя магнитами, расположенными снаружи по обе стороны полоскового тройника. Путем подбора геометрических размеров и параметров вкладыша, а также регулировкой напряженности магнитного поля получают необходимые электрические параметры циркулятора в заданной полосе частот. Поступая на вход циркулятора волна дифрагирует на ферритовом вкладыше и возбуждает равные по амплитуде поверхностные волны, огибающие феррит в противоположных направлениях. При этом фазовые скорости поверхностных волн оказываются разными. Подбирая диаметр феррита и величину напряженности поля постоянного магнита можно при сложении поверхностных волн обеспечить расположение пучности напряженности электрического поля в центре одного плеча, а узла напряженности в центре другого плеча. Этим обеспечивается, что энергия из первого плеча передается во второе и не поступает в третье.

Применение циркуляторов

Циркуляторы применяются в качестве: устройства обеспечивающего разделение принимаемого и передаваемого СВЧ сигналов.15 устройства отводящего отраженный сигнал в поглощающую нагрузку  устройства согласования между элементами тракта СВЧ.

Параметры циркуляторов

К основным электрическим параметрам циркуляторов относятся:

  • рабочий диапазон частот;
  • значение КСВН;
  • развязка между плечами;
  • затухание сигнала.

Ответвители направленные

Ответвители предназначены для распределения мощности СВЧ сигнала на насколько направлений с заданным ослаблением на каждом из них. Наибольшее применение нашли ответвители на 2 и 3 направления (одно основное). Ослабление сигнала в каждом ответвлении может быть регулируемым и нерегулируемым. Обычно ответвители реализуются на четверть волновых полосковых линиях с воздушным заполнением  Ширина полосков и расстояние между ними в области связи подобрать таким образом, что при поступлении СВЧ мощности в плечо Ш1 сигнал в Ш2 распространяется без ослабления, а в Ш3 поступает с заданным ослаблением. Во второе плечо вторичной линии (II) Ш4 мощность практически не поступает, и на него ставится согласованная нагрузка в виде резистора. Если в ответвителе предусмотреть возможность изменения расстояния между первичной (I) и вторичной (II) линиями, то такой ответвитель будет регулируемым.

Применение НО

  • для контроля передаваемой мощности;
  • для контроля качества согласования;
  • измерение ослаблений;
  • измерение КСВ или коэффициента отражения.