Backwave lampe

Bagudbølgelampe (BWO) er en elektrovakuumanordning, hvori, for at generere elektromagnetiske mikrobølgeoscillationer , vekselvirkningen af en elektronstrøm med en elektromagnetisk bølge , der løber langs et bremsesystem i retning modsat retningen af elektronens bevægelse, bruges til at generere elektromagnetiske mikrobølgeoscillationer (i modsætning til en vandrende bølgelampe (TWT) ).

BWO'er bruges i brede signal- og sweep-generatorer til radiotekniske målinger og radiospektroskopi , hovedsageligt til generering af terahertz - stråling, i lokaloscillatorerne på hurtigt afstembare modtagere, i masteroscillatorerne til sendere med frekvensagilitet osv.

Historie

Den første information om udviklingen af VWO dukkede op i 1948 i USSR, udviklingen blev udført af M. F. Stelmakh og hans stab ved TsNII-108 ; senere i 1952 - i USA.

Ideen om at skabe en WWO blev fremsat i 1948 af den sovjetiske videnskabsmand M.F. Stelmakh. Fænomenet med at generere mikrobølgesvingninger som et resultat af samspillet mellem en elektronstråle og en bagudgående bølge blev først observeret og beskrevet af den amerikanske fysiker S. Milman i 1950. Udtrykket "WOW" blev introduceret af de amerikanske videnskabsmænd R. Kompfner og N Williams i 1953, som gav den første teoretiske beskrivelse af enhedens funktion.

- Encyklopædisk ordbog "ELEKTRONIK". - M . : "Sovjetisk encyklopædi", 1991

Skaberen af den første sovjetiske TWT A. V. Ievsky , som arbejdede i årtier med Stelmakh, mindede om, at han nærmede sig ideen om en BWT i 1948 på en ejendommelig måde uden at bruge de BWT-koncepter, der generelt accepteres i dag som en enhed med distribueret feedback eller en enhed med absolut ustabilitet:

Mitrofan Fedorovich diskuterede daglige opgaver med at udvikle mikrobølgeenheder med medarbejdere, og berørte gentagne gange emnet med at bruge langsomme bølgestrukturer i form af et system af modstifter til at skabe forstærkende og generator TWT'er med øget effekt. I en konventionel spiral TWT er feedback nødvendig for at overføre den til generatortilstanden . Sidstnævnte opstår ofte af sig selv på grund af refleksionen af mikrobølgefeltet] fra nogle inhomogeniteter, for eksempel i en spiral langsommere linje, eller i kollektorområdet, og i dette tilfælde, for at sikre en stabil forstærkningstilstand, er en sprøjtebar absorber påføres en del af den indvendige overflade af TWT-kolben.
I processen med at arbejde på en TWT med et stift slow-wave system gjorde M. F. Stelmakh opmærksom på, at stiftsystemet adskiller sig fra spiralsystemet ved tilstedeværelsen af meget større inhomogeniteter, således at stifterne kan give en mærkbar tilbagereflektion af mikrobølgefeltet, som er nødvendigt for generering. Eksperimentet bekræftede fuldt ud disse overvejelser - generation blev opnået i de allerførste eksperimenter. Noget senere indså M.F. Stelmakh og hans samarbejdspartnere, at dette ikke kun handlede om traditionel refleksion fra inhomogeniteter, men om refleksion fordelt over hele længden af lampens langsomme bølgestruktur, hvilket straks rejste spørgsmålet om rumlig synkronisering af reflektionsbølgen. og bølgen af det forstærkede eller genererede felt. Teoretiske beregninger begyndte, som viste, at den eneste mulige (synkroniseret med refleksionsbølgen) feltbølge kan være den omvendte rumlige (minus den første) harmoniske af feltet, dvs. i sin rene form, en bagudgående bølge.

Bagudbølgede lamper er opdelt i to klasser: BWO type O og BWO type M. I type O-enheder omdannes elektronernes kinetiske energi til energien i et mikrobølgefelt som et resultat af elektrondeceleration af dette felt. I type M-enheder går den potentielle energi af elektroner, der skifter som følge af gentagen deceleration og acceleration fra katoden til anoden , over i mikrobølgefeltets energi . Den gennemsnitlige kinetiske energi forbliver konstant.

"M" type bagudbølgerør omtales nogle gange som en carcinotron (eller carcinotron ) [1] . Oftere kan dette navn findes i udenlandsk litteratur.

LOV type O

Enhed og funktionsprincip

Elektronkanonen skaber en stråle af elektroner, der bevæger sig mod opsamleren. Det givne stråletværsnit holdes konstant ved hjælp af et fokuseringssystem. Lad os antage, at et mikrobølgesignal indføres fra siden af solfangeren ind i BWT'ens retarderingssystem, det vil sige, at en bølge bevæger sig langs det retarderende system fra højre mod venstre med en gruppehastighed v gr .

Hvis bremsesystemet var homogent, og dets felt ikke indeholdt rumlige inhomogeniteter, ville bølgens fasehastighed være rettet på samme måde som gruppehastigheden, det vil sige mod elektronernes bevægelse. Der bør ikke være nogen energiudveksling mellem mikrobølgebølgen og elektronstrålen.

Men hvis bremsesystemet har en periodisk struktur, kan det elektromagnetiske felt i det betragtes som summen af et uendeligt sæt af svingninger (tilstande) med forskellige frekvenser. Fasehastighederne for disse tilstande kan rettes både i retning af energibevægelse (fremadgående bølger) og i den modsatte retning ( omvendte bølger ). Det er muligt at vælge accelerationsspændingen ( ) for elektronstrålen på en sådan måde, at der sikres synkronisering mellem elektronerne og en af de langsomme bagudgående bølger ( V e ≅ V f ). $U_{0}$

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

Så møder elektronerne, en efter en, der passerer inhomogeniteterne, det retarderende elektriske felt ( fase ) af den højfrekvente oscillation, hvilket fører til, at en del af strålens kinetiske energi overføres til den retarderendes mikrobølgefelt. system. I dette tilfælde moduleres elektronstrømmen i henhold til elektronhastighederne, hvilket fører til modulering af volumenladningstætheden af elektronstrømmen (hurtige elektroner overhaler langsomme). Dette modulerede flow, der bevæger sig mod kollektoren, inducerer en højfrekvent strøm på retarderingssystemet. Men energien af den bølge, som elektronerne interagerer med, bevæger sig mod elektronstrømmen. Som et resultat, ved udgangen af bremsesystemet nær elektronkanonen, skabes et felt, der overstiger startsignalet. Lampen får egenskaberne som en autogenerator .

Elektronstrålen spiller således en dobbelt rolle i BWO - som en energikilde og som et led, hvorigennem positiv feedback opstår. Denne forbindelse er iboende i selve princippet i BWO og er grundlæggende uaftagelig, i modsætning til andre mikrobølgegeneratorer.

Når frekvensen af BWO ændres, kan mikrobølgebølgen reflekteres fra belastningen og føres tilbage til slow-wave systemet. Denne reflekterede bølge kan interagere med elektronstrømmen, hvilket vil føre til en ændring i udgangseffekten . For at eliminere disse effekter tændes en selvkonsistent belastning (absorber) for enden af det langsomme bølgesystem, der vender mod solfangeren.

Parametre og karakteristika

Frekvensområde

Oscillationsfrekvensen af BWO afhænger af den spænding , der påføres mellem modereringssystemet og katoden. Moderne (2005) BWT'er dækker frekvensområdet fra enheder af GHz til enheder af THz. $U_{0}$

Bredden af området for elektronisk frekvenstuning er kendetegnet ved enten rækkeviddeoverlapningsforholdet

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

eller relativ værdi, udtrykt i procent

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

hvor og er de maksimale og minimale frekvenser for det elektroniske tuning-område. $f_{{maks}}$ $f_{{min}}$

Typiske værdier er 1,5 ÷ 2. $\delta_{c}$

Hældningen af elektronisk frekvensindstilling

Afhængigheden af strålingsfrekvensen af spændingen på modereringssystemet i BWO har en ikke-lineær karakter. Dette skyldes det faktum, at elektronernes hastighed i strømmen er proportional med kvadratroden af spændingen over bremsesystemet. $v_{e}$

For givne geometriske dimensioner af bremsesystemet er frekvensen af de genererede svingninger entydigt bestemt af størrelsen af spændingen på bremsesystemet:

$f={\frac {{\sqrt {U_{0)))){\alpha +\beta {\sqrt {U_{0))))}$ , hvor α og β kun afhænger af de geometriske parametre.

Stejlheden af den elektroniske frekvensindstilling af BWO stiger med faldende spænding på retarderingssystemet. Med de samme grænser for spændingsvariation på retarderingssystemet har højere frekvens BWO'er en større tuning stejlhed. Afstemningshældningen for millimeterbølgelængde BWO'er er titusinder megahertz pr. volt , for centimeter-rækkevidde BWO'er er det flere megahertz pr. volt.

Effektudgang

Udgangseffekten af BWO-oscillationer er omtrent proportional med spændingen på modereringssystemet og forskellen mellem drifts- og startværdierne for elektronstrålestrømmen :

$P_{out}=kU_{0}(I-I_{0})$ , hvor er proportionalitetskoefficienten, er strømmen af elektronstrålen, er startstrømmen er minimumsværdien af strømmen af elektronstrålen, ved hvilken generering sker. $k$ $jeg$ $I_0$

Typisk er udgangseffekten af en VWO fra et par milliwatt til et par watt.

Afhængigheden af strålingseffekten af spændingen på slow-wave-systemet er vist i figuren. Udgangseffekten af VWT stiger på grund af stigningen i indgangseffekten . Men efter en vis værdi falder udgangseffekten på grund af et fald i forskellen mellem drifts- og startværdierne for elektronstrålestrømmen . $U_{0}I$ $U_{0}$ $(jeg-jeg_{0})$

Den teoretiske afhængighed af udgangseffekten af spændingen på retarderingssystemet er vist på figuren med en stiplet linje. Den reelle magtafhængighed (heltrukken linje) er dog meget mere robust. Hovedårsagen til dette er reflektionen af mikrobølgestråling fra absorberen af slow-wave-systemet og energiudgangsenheden.

Graden af uensartethed af udgangseffektkurven for en WWO estimeres normalt ved størrelsen af forskellen i denne effekt i området for elektronisk tuning:

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

Spektrum af udsving

Oscillationerne af en BWO er ligesom andre typer mikrobølgegeneratorer ikke monokromatiske . Udvidelsen af spektrallinjen skyldes tilfældig modulation, som er en konsekvens af elektronstrålestrømmens diskrete natur, effekten af strålestrømfordelingen mellem individuelle elektroder og elementer i bremsesystemet, effekten af katodeflimmer og andet grunde.

Men i en BWO med magnetisk fokusering, som i andre O-type mikrobølgeanordninger, observeres også en signifikant periodisk modulation af amplituden og frekvensen af oscillationer. En af grundene til en sådan modulation er de afspændingssvingninger, der opstår i elektronstrømmen i området af elektronkanonen.

Årsagen til modulering kan også være ustabiliteten af strømkilden til VWO. Da BWO'ens effekt kan være meget afhængig af spændingen over modereringssystemet, kan selv en lille ændring i spændingen føre til en stor modulering af BWO'ens udgangseffekt.

Effektivitet

Den maksimale virkningsgrad overstiger ikke et par procent i WT type O.

LOV type M

Forskel fra VOV type O

I en type O BWO overfører elektroner deres overskydende kinetiske energi til feltet, hvilket svarer til forskellen i elektronernes og bølgens hastigheder. Effektiviteten er begrænset af den tilladte forskel mellem de specificerede hastigheder. Tværtimod, i en BWO af typen M ændres elektronernes kinetiske energi ikke, men den potentielle energi ændres, som omdannes til mikrobølgefeltets energi.

Derudover opstår den mest gunstige vekselvirkning mellem elektronstrømmen og mikrobølgefeltet i M-type WWO, når den gennemsnitlige elektronhastighed og bølgens fasehastighed er nøjagtigt ens ( V e = V f ), mens energioverførslen i O-typen WWO kræver, at elektronerne bevæger sig lidt hurtigere end bølgen.

Enhed og funktionsprincip

Injektionsanordningen skaber en strøm af elektroner, der bevæger sig mod opsamleren. Elektronstrømmen skaber en induceret strøm og et elektromagnetisk felt af rumlige harmoniske i det retarderende system. Hvis strømmen af strålen (elektronstrømmen) er stor nok (større end den startende), på en af de rumlige harmoniske, for hvilken fasetilpasningsbetingelsen er opfyldt ( V e = V f ), interaktionen af elektronstrømmen med bølgefeltet begynder, hvor der i de decelererende halvcyklusser af det elektriske felt af den harmoniske vil være en stigning i dens energi på grund af et fald i elektronernes potentielle energi. Elektronstrømmen i en M-type BWO interagerer med inverse rumlige harmoniske, for hvilke retningerne af fase- og gruppehastighederne er modsatte, så elektronerne bevæger sig mod kollektoren, og bølgeenergien mod dem, mod enhedens bølgelederudgang . Som følge heraf opstår der en positiv feedback mellem bølgefeltet og elektronstrømmen, hvor bølgen, der giver en del af sin energi til grupperingen af elektroner, får mere af den på grund af et fald i den potentielle energi af de grupperede elektroner.

På grund af vanskelighederne med bredbåndstilpasning af bølgelederoutputtet fra CWTM med slow-wave-systemet i CWTM, er refleksioner fra belastningen mulige. For at eliminere denne effekt anvendes en absorber i M-type WWO, som i O-type WWO.

Parametre og karakteristika

Frekvensområde

Ligesom i en type O BWO afhænger strålingsfrekvensen af spændingen på det langsomme bølgesystem. Typisk bruges type M BWO'er i frekvensområdet fra 200 MHz til 20 GHz med et elektronisk frekvenstuningområde på op til 40%.

Hældningen af elektronisk frekvensindstilling

I modsætning til BWO af O-typen er hastigheden af elektronerne i BWO i BWO af M-typen direkte proportional med (spændingen på det retarderende system). I en BWO af type M kræves derfor en mindre ændring for at opnå samme frekvensdækning som en BWO af type O. $U_{0}$ $U_{0}$

Effektudgang

Moderne generatorer baseret på M-type LWO'er er i stand til at levere udgangseffekt i den kontinuerlige tilstand af størrelsesordenen titusvis af kilowatt i decimeterområdet og enheder af kilowatt i centimeterområdet. På nuværende tidspunkt er de de mest kraftfulde generatorer af mikrobølgeoscillationer med elektronisk frekvensjustering.

Synkroniserede oscillatorer baseret på BWO type M har høj frekvensstabilitet og lavt støjniveau, hvilket tillader deres anvendelse i kommunikationssystemer med frekvensmodulation.

Effektivitet

Effektiviteten når 40-60% i M-type LWO.

Se også

Omvendte bølger

Noter

↑ Baglæns bølgelampe // Physical Encyclopedic Dictionary. - udg. A. M. Prokhorova - M., Great Russian Encyclopedia, 2003. - ISBN 5-85270-306-0 . – Oplag 10.000 eksemplarer. - Med. 344

Litteratur

Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. Generering af svingninger og dannelse af radiosignaler. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

Vakuum elektroniske enheder (undtagen katodestråle )
Generator og forstærker lamper	Triode tetrode stråle tetrode Pentode hexod heptode Pentagrid okt Nonod Magnetron Amplitron Platinotron Virkator Klystron Vandrende bølgelampe Backwave lampe Gyrotron
Andet	Elektrovakuum diode Kenotron røntgenrør Vakuum fluorescerende indikator Magisk øje Vakuum fotocelle billedforstærkerrør Fotomultiplikator Sekundær elektronmultiplikator Selectron mekatron
Typer af ydeevne	Oktal Finger Stang Nuvistor agern Mayachkovaya Metal-keramik Kombineret
Strukturelle elementer	Anode Katode direkte glød Indirekte glød feltemission Fotokatode Dinod Varmeapparat Gitter Manager Antidynatron Afskærmning katodisk Getter sokkel