Лампа зворотної хвилі

Електронна гармата створює пучок електронів, що рухається до колектора. Заданий поперечний переріз пучка зберігається постійним за допомогою фокусуючої системи. Припустимо, що з боку колектора в уповільнену систему ЛЗХ введений НВЧ сигнал, тобто вздовж уповільненої системи справа наліво рухається хвиля з груповою швидкістю v_гр.

Якби уповільнена система була однорідною, і поле її не містило би просторових неоднорідностей, то фазова швидкість хвилі була б спрямована так само, як і групова, тобто назустріч руху електронів. Обмін енергією між НВЧ-хвилею і пучком електронів мав би бути відсутнім.

Якщо уповільнена система має періодичну структуру, то електромагнітне поле в ній можна розглядати як суму нескінченної кількості коливань (мод) з різними частотами. Фазові швидкості цих мод можуть бути спрямовані як в сторону руху енергії (прямі хвилі), так і в протилежну сторону (зворотні хвилі). Можна підібрати прискорену напругу (${\displaystyle U_{0}}$) для пучка електронів так, щоб забезпечити синхронізм між електронами і однією з уповільнених зворотних хвиль '(V _e ≅ V_ф).

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

Тоді електрони, по черзі проходячи повз неоднорідності, зустрічають гальмуюче електричне поле (фазу) високочастотного коливання, що призводить до того, що частина кінетичної енергії пучка передається НВЧ-полю уповільнюючої системи. При цьому електронний потік модулюється за швидкостями електронів, що призводить до модуляції густини об'ємного заряду електронного потоку (швидкі електрони наздоганяють повільні). Цей модульований потік, рухаючись у напрямку до колектора, наводить в уповільнюючій системі високочастотний струм. Але енергія хвилі, з якою взаємодіють електрони, рухається назустріч електронному потоку. В результаті на виході уповільненої системи поблизу електронної гармати утворюється поле, яке перевищує початковий сигнал. Лампа набуває властивостей автогенератора .

Таким чином, електронний пучок грає в ЛЗХ подвійну роль — як джерело енергії і як ланка, по якій здійснюється позитивний зворотний зв'язок. Цей зв'язок властивий самому принципу ЛЗХ і принципово неможливо усунути, на відміну від інших генераторів НВЧ.

При зміні частоти ЛЗХ НВЧ-хвиля може відбиватися від навантаження і йти назад в уповільнену систему. Ця відбита хвиля може взаємодіяти з електронним потоком, що буде призводити до зміни вихідної потужності. Для усунення цих ефектів на кінці уповільненої системи, зверненому до колектора включають самоузгоджене навантаження (поглинач).

Частота коливань ЛЗХ залежить від напруги ${\displaystyle U_{0}}$, прикладеної між уповільнюючою системою і катодом. Сучасні (2005 рік) ЛЗХ покривають діапазон частот від одиниць ГГц до одиниць ТГц.

Ширина діапазону електронної перебудови частот характеризується або коефіцієнтом перекриття діапазону

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

або відносною величиною, вираженою в відсотках

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

де ${\displaystyle f_{max}}$ і ${\displaystyle f_{min}}$ — максимальна і мінімальна частоти діапазону електронної перебудови.

типові значення ${\displaystyle \delta _{c}}$ — 1,5 ÷ 2.

Залежність частоти випромінювання від напруги в уповільнюючій системі ЛЗХ має нелінійний характер. Це пов'язано з тим, що швидкість електронів в потоці ${\displaystyle v_{e}}$ пропорційна квадратному кореню напруги в уповільнюючій системі.

При заданих геометричних розмірах уповільнюючої системи частота генеруючих коливань однозначно визначається величиною напруги в уповільнюючій системі:

${\displaystyle f={\frac {\sqrt {U_{0}}}{\alpha +\beta {\sqrt {U_{0}}}}}}$, де α і β залежать тільки від геометричних параметрів.

Крутизна електронної перебудови частоти ЛЗХ збільшується при зменшенні напруги в уповільнюючій системі. При однакових межах зміни напруги в уповільнюючій системі більшу крутизну перебудови мають більш високочастотні ЛЗХ. Крутизна перебудови для ЛЗХ міліметрового діапазону становить десятки мегагерц на вольт, для ЛЗХ сантиметрового діапазону — кілька мегагерц на вольт.

Вихідна потужність коливань ЛЗХ приблизно пропорційна величині напруги в уповільненій системі та різниці між робочим і пусковим значеннями струму електронного пучка:

${\displaystyle P_{out}=kU_{0}(I-I_{0})}$, де ${\displaystyle k}$ — коефіцієнт пропорційності, ${\displaystyle I}$ — струм електронного променя, ${\displaystyle I_{0}}$ — пусковий струм — мінімальне значення струму електронного променя, при якому виникає генерація.

Зазвичай вихідна потужність випромінювання ЛЗХ становить від декількох мілліват до декількох ват.

Залежність потужності випромінювання від напруги в уповільнюючій системі показана на малюнку. Вихідна потужність ЛЗХ збільшується за рахунок зростання потужності, що підводиться ${\displaystyle U_{0}I}$. Однак після деякого значення ${\displaystyle U_{0}}$ відбувається зменшення вихідної потужності, пов'язане зі зменшенням різниці між робочим і пусковим значеннями струму електронного пучка ${\displaystyle (I-I_{0})}$ .

Теоретична залежність вихідної потужності від напруги в уповільнюючій системі показана на малюнку пунктирною лінією. Але реальна залежність потужності (суцільна лінія) має набагато більш порізаний характер. Головною причиною цього є

Ступінь нерівномірності кривої вихідної потужності ЛЗХ зазвичай оцінюється величиною перепаду цієї потужності в діапазоні електронної перебудови:

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

Максимальний коефіцієнт корисної дії не перевищує в ЛЗХ типу Про декількох відсотків.

Коливання ЛЗХ, як і інших типів НВЧ генераторів, не є монохроматичним. Розширення спектральної лінії обумовлене випадковою модуляцією, що є наслідком дискретного характеру струму електронного променя, ефекта розподілу струму променя між окремими електродами і елементами сповільнює системи, ефекту мерехтіння катода і інших причин.

Однак в ЛЗХ з магнітним фокусуванням, як і в інших НВЧ приладах типу О, також спостерігається значна періодична модуляція амплітуди і частоти коливань. Однією з причин такої модуляції є релаксаційні коливання, що виникають в електронному потоці в районі електронної гармати.

Також причиною модуляції може бути нестабільність джерела живлення ЛЗХ. Оскільки потужність ЛЗХ може дуже сильно залежати від напруги в уповільненій системі, навіть незначна зміна напруги може призводити до великої модуляції вихідної потужності ЛЗХ.

Максимальний коефіцієнт корисної дії в ЛЗХ типу О не перевищує декількох відсотків.

У ЛЗХ типу О електрони передають полю свою надлишкову кінетичну енергію, яка відповідає різниці швидкостей електронів і хвилі. ККД обмежений допустимою різницею зазначених швидкостей. Навпаки, в ЛЗХ типу М кінетична енергія електронів, не змінюється, а змінюється потенційна енергія і перетворюється на енергію НВЧ поля.

Крім того, в ЛЗХ типу М найбільш сприятлива взаємодія потоку електронів і НВЧ поля відбувається при точній рівності середньої швидкості електронів і фазової швидкості хвилі (V_e = V_ф), в той час як для передачі енергії в ЛЗХ типу О вимагається, щоб електрони рухалися трохи швидше хвилі.

Інжекторний пристрій створює потік електронів, який рухається до колектора. Електронний потік створює в уповільнюючій системі наведений струм і електромагнітне поле просторових гармонік. Якщо струм променя (потоку електронів) досить великий (більше пускового), на одній з просторових гармонік, для якої виконана умова фазового синхронізму (V_e = V_ф), починається взаємодія електронного потоку з полем хвилі, при якому в гальмуючих напівперіодах електричного поля гармоніки буде відбуватися збільшення її енергії за рахунок зменшення потенційної енергії електронів. Електронний потік в ЛЗХ типу М взаємодіє зі зворотніми просторовими гармоніками, для яких напрям фазової і групової швидкостей протилежні, тому електрони рухаються до колектора, а енергія хвилі їм назустріч — до хвильового виходу приладу. В результаті виникає позитивний зворотний зв'язок між полем хвилі і електронним потоком, при якому хвиля, віддає частину своєї енергії на групування електронів, і набуває більшу її кількість за рахунок зменшення потенційної енергії згрупованих електронів.

В ЛЗХ типу О частота випромінювання залежить від напруги в уповільнюючій системі. Зазвичай ЛЗХ типу М використовуються в діапазоні частот від 200 МГц до 20 ГГц з діапазоном електронної перебудови частоти до 40 %.

На відміну від ЛЗХ типу О в ЛЗХ типу М швидкість електронів в прямо пропорційна ${\displaystyle U_{0}}$ (напрузі в уповільнюючій системі). Тому в ЛЗХ типу М для досягнення однакового з ЛЗХ типу О перекриття частотного діапазону потрібна менша зміна ${\displaystyle U_{0}}$.

Сучасні генератори на ЛЗХ типу М здатні забезпечувати вихідну потужність у безперервному режимі порядку десятків кіловат в дециметровому і одиниць кіловат в сантиметровому діапазонах. В даний час вони є найпотужнішими генераторами НВЧ коливань з електронною перебудовою частоти.

Синхронізовані генератори на ЛЗХ типу М мають високу стабільність частоти і низьким рівнем шумів, що дозволяє їх використання в системах зв'язку з частотною модуляцією.

Коефіцієнт корисної дії в ЛЗХ типу М становить 40-60 %.