ФАЗОСТАБИЛЬНАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
PHASE STABLE TRAVELLING-WAVE TUBE

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к лампам бегущей волны (ЛБВ) О-типа.
Одним из главных недостатков СВЧ приборов с длительным взаимодействием, в том числе и ЛБВ, является высокая чувствительность фазы их выходного сигнала к изменению питающих напряжений и, прежде всего, напряжения пучка. Это обусловливает жесткие требования к стабильности источников питания большинства радиоэлектронных устройств, в состав которых входит ЛБВ.
e
ф
ф
e
ф
e
Известны конструкции ЛБВ [1], во входных секциях которых реализуются так называемые несинхронные режимы работы, находящиеся за пределами интервала значений расстройки между скоростью электронов пучка v и фазовой скоростью волны v, соответствующего экспоненциальному усилению сигнала. При v>v реализуется режим подавления сигнала, при v<<v - крестатронный режим. Оба эти режима характеризуются аномальной (противоположной по знаку) зависимостью фазы выходного сигнала от напряжения пучка по отношению к поведению фазы в усилительном режиме.
При последующем взаимодействии пучка с волной в усилительной секции происходит компенсация аномальности фазовых характеристик, в результате чего фаза выходного сигнала ЛБВ при изменении напряжения пучка в некотором интервале остается практически постоянной. Однако в [1] отсутствуют сведения об оптимальности выбора параметров несинхронного участка, а все расчеты выполнены для приборов без поглощающей вставки, которая, как известно [2], существенно влияет на фазовую чувствительность ЛБВ.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является ЛБВ [3] (Пат. РФ 2046442, опубл. 20.10.1995. Бюл. №29), параметры входной секции которой на определенной длине, начиная от входа, соответствуют режиму подавления сигнала, а затем - усилительному режиму. Главным недостатком такой ЛБВ является большая критичность основных характеристик прибора к изменению параметров участка подавления сигнала. Такая критичность обусловлена тем, что амплитуда поля в режиме подавления убывает по экспоненциальному закону с большой крутизной, снижаясь, на определенной длине, до чрезвычайно малых значений (Kompfiier-dip-condition [4]). Это уменьшает процент выхода годных изделий (снижает серийнопригодность конструкции).
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в уменьшении чувствительности фазы выходного сигнала к изменению напряжения пучка, что приводит к повышению процента выхода годных изделий. Этот результат достигается тем, что во входной части ЛЕВ предлагается использовать не режим подавления сигнала, а крестатронный режим, в котором фазовая скорость волны существенно меньше скорости электронов и который намного менее критичен к параметрам секции, где он реализуется. За ним, как и в [3], должен следовать усилительный режим. На крестатронном участке создается аномальная зависимость фазы выходного сигнала от напряжения пучка (фаза с ростом напряжения убывает). На следующем за ним втором, усилительном участке реализуется обычная зависимость фазы от напряжения - с ростом него фаза возрастает. Это компенсирует убывание фазы на первом участке, в результате чего возникает интервал напряжений пучка, в котором фаза остается практически постоянной, а ее изменение близко к нулю. Назовем такую конфигурацию пространства взаимодействия секцией компенсации.
1
2
ф1
ф2
ф1
1
Таким образом, секция компенсации состоит из двух участков с длинами L, L и различными фазовыми скоростями на этих участках V, V. Величины V и L определяются следующими соотношениями, полученными путем аппроксимации результатов расчета по линейной теории ЛБВ [2]:
где  - скорость электронов пучка;
е, m - заряд электрона и его масса;
0
U - напряжение пучка;
ф
V - фазовая скорость волны;
- параметр усиления;
К - сопротивление связи замедляющей системы;
0
I - ток пучка;
q - параметр пространственного заряда;
ω - круговая частота сигнала.
2
Параметры второго участка, на котором реализуется усилительный режим, определяются из условия существенного улучшения группировки электронного потока на нем. Длина второго участка L определяется из условия достижения таких значений сгруппированного тока и ВЧ поля, при которых обеспечивается экспоненциальное нарастание амплитуды ВЧ поля [2]:
ф2
Фазовая скорость волны в замедляющей системе на втором участке V выбирается из условия получения максимального значения первой гармоники тока и ориентировочно равна
Изменение фазовой скорости между первым и вторым участками может быть осуществлено как плавно, так и скачкообразно.
Выбор параметров традиционных участков ЛБВ (поглотителя, выходной секции и т.д.) ничем не отличается от приемов конструирования обычного прибора.
На фиг. 1 схематически изображены варианты конструкции пространства взаимодействия ЛБВ с крестатронным участком (1) и с участком подавления (2) на входе. Они были спроектированы путем модификации конструкции серийно выпускаемой спиральной ЛБВ УВИ-77. Длина приборов и конфигурация выходной секции их были одинаковыми, а шаги спирали в начале входной секции реализовывали вышеупомянутые несинхронные режимы работы (режим подавления или крестатронный режим), обеспечивающие малую чувствительность фазы выходного сигнала к изменению напряжения пучка.
На фиг. 2 приведена рассчитанная зависимость фазы выходного сигнала (φ) от напряжения пучка (U) для приборов с крестатронным участком (1), с участком подавления (2) и обычной ЛБВ с коэффициентом усиления G≈30 дБ (3).
1
На фиг. 3 представлены рассчитанные зависимости фазовой чувствительности (Δφ/ΔU) и коэффициента усиления (G) от изменения длины ΔL участка режима подавления (1) и участка крестатронного режима (2)·
Из данных, приведенных на фиг. 2 и фиг. 3, следует, что при практически одинаковой и близкой к нулевой фазовой чувствительности в обоих режимах она более критична к изменению длины входного участка, если он работает в режиме подавления. Так, в ЛБВ с участком подавления изменение его длины на ±1 мм приводит к изменению фазовой чувствительности на -4 и +20 град/%, а коэффициента усиления - на 5 дБ, в то время как в ЛБВ с крестатронным участком изменение его длины меняет фазовую чувствительность всего на ±2 град/%, а коэффициент усиления - на 1 дБ.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить процент выхода годных ЛБВ за счет значительного снижения требований к точности изготовления участка несинхронного режима при реализации его в виде крестатронного участка, а не участка подавления.
Источники информации
1. Кац A.M., Кудряшов В.П., Суслин П.И. Фазовые характеристики ЛБВ в несинхронных режимах // «Электронная техника». Сер. 1. Электроника СВЧ. 1971. №5. С. 83-91.
2. Кац A.M., Кудряшов В.П., Трубецков Д.И. «Сигнал в лампах с бегущей волной. Часть I. Лампа с бегущей волной О-типа». Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1984. 144 с.
6
3. Пат. №2046442 РФ, МПК H0U 25/34. Лампа бегущей волны / В.П. Кудряшов, Б.К Сивяков, КБ. Яковлева. Заявл. 21.05.1992; опубл. 20.10.1995. Бюл. №29.
4. Johnson H.R. Kompfner-dip conditions. Proc. IRE. 1955. V. 43. №7. P. 874.