Лампа бегущей волны

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — это электровакуумный прибор, тип усилительной лампы СВЧ-диапазона, в котором усиление электромагнитных колебаний происходит за счёт взаимодействия бегущей электромагнитной волны с потоком электронов, движущихся синхронно с ней. Относится к классу приборов с длительным взаимодействием электронного потока с полем.

Принцип действия

Основой работы ЛБВ является механизм взаимодействия между электронным пучком и электромагнитной волной, распространяющейся вдоль замедляющей системы. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются электрическим полем и фокусируются в узкий пучок. Этот пучок проходит через замедляющую систему — спираль, гребёнку или цепочку связанных резонаторов. Входной СВЧ-сигнал подаётся на один конец замедляющей системы, создавая бегущую электромагнитную волну. Фазовая скорость волны в замедляющей системе искусственно снижается (обычно до 0,1—0,3 скорости света), чтобы она была близка к скорости электронов.

В результате электроны, движущиеся быстрее волны, попадают в её тормозящую фазу, отдавая свою кинетическую энергию полю волны. Электроны, движущиеся медленнее волны, попадают в ускоряющую фазу и забирают энергию у поля, но их число оказывается меньше, чем число отдающих энергию. Таким образом, происходит перераспределение энергии в пользу волны — её амплитуда возрастает. Выходной сигнал снимается с другого конца замедляющей системы. Для обеспечения синхронизма и эффективного взаимодействия используется магнитное поле, фокусирующее электронный пучок.

История

Первые теоретические работы по взаимодействию электронных потоков с бегущими волнами были выполнены в 1930-х годах. В 1943 году американский физик Рудольф Компфнер, работавший в Великобритании, впервые продемонстрировал работающую лампу бегущей волны. В 1946 году он опубликовал описание прибора, который усиливал сигналы в диапазоне 3—10 ГГц с коэффициентом усиления около 15 дБ. В 1947 году Компфнер переехал в США, где продолжил разработки в Bell Labs.

В СССР работы по ЛБВ начались в конце 1940-х годов под руководством академика Н. Д. Девяткова. В 1950 году была создана первая советская ЛБВ, а в 1951 году — серийный образец для радиолокационных станций. В 1950-е годы ЛБВ активно применялись в системах связи и радиолокации, постепенно вытесняя клистроны в ряде задач благодаря более широкой полосе пропускания.

Устройство и основные компоненты

Конструктивно ЛБВ состоит из следующих основных элементов:

• Электронная пушка — источник электронов, включающий катод (обычно оксидный или металлопористый), фокусирующий электрод и анод. Обеспечивает формирование и ускорение электронного пучка.
• Замедляющая система — ключевой элемент, определяющий частотные свойства. Наиболее распространённый тип — спираль из вольфрамовой или молибденовой проволоки, навитая на керамический стержень. Другие типы: гребёнка, встречно-штыревая система, цепочка связанных резонаторов.
• Коллектор — электрод, принимающий отработанные электроны. Часто выполняется с принудительным охлаждением (воздушным или жидкостным) для отвода тепла.
• Магнитная фокусирующая система — обеспечивает удержание электронного пучка в узком диаметре на всём протяжении замедляющей системы. Используются постоянные магниты (периодическая магнитная фокусировка) или электромагниты (соленоиды).
• Вакуумная оболочка — герметичный корпус из металла или керамики, внутри которого поддерживается высокий вакуум (10⁻⁶ — 10⁻⁷ мм рт. ст.).
• Входной и выходной волноводы — устройства для подвода и отвода СВЧ-сигнала.

Классификация

ЛБВ классифицируются по нескольким признакам:

По типу замедляющей системы

• Спиральные ЛБВ — наиболее распространённый тип, работающий в диапазоне частот от 0,5 до 40 ГГц. Обеспечивают широкую полосу пропускания (до октавы и более).
• ЛБВ с гребёнчатой замедляющей системой — применяются в миллиметровом диапазоне (30—100 ГГц) и выше, где спираль становится слишком малой.
• ЛБВ с цепочкой связанных резонаторов — используются в мощных усилителях (сотни ватт — киловатты) в диапазоне 1—10 ГГц.

По мощности

• Маломощные (до 1 Вт) — применяются в измерительной аппаратуре, гетеродинах.
• Средней мощности (1—100 Вт) — в системах связи, телеметрии.
• Мощные (100 Вт — 10 кВт) — в радиолокации, спутниковой связи, системах радиоэлектронной борьбы.
• Сверхмощные (свыше 10 кВт) — в импульсных радиолокаторах, ускорителях частиц.

По режиму работы

• Непрерывного действия — работают в режиме постоянной генерации или усиления.
• Импульсные — работают короткими импульсами (от наносекунд до миллисекунд) с высокой пиковой мощностью.

Применение

ЛБВ широко используются в различных областях:

• Радиолокация — в передатчиках бортовых и наземных РЛС (например, в системах управления воздушным движением, метеорологических РЛС, военных радарах). Обеспечивают высокую мощность и широкую полосу частот.
• Спутниковая связь — в усилителях мощности передатчиков спутников (транспондерах). ЛБВ позволяют усиливать сигналы в диапазонах C, Ku, Ka с высоким КПД (до 60—70%).
• Телевидение и радиовещание — в усилителях передатчиков эфирного телевидения и радиовещания в дециметровом диапазоне.
• Радиоэлектронная борьба — в передатчиках помех, где требуется широкополосное усиление.
• Научные исследования — в ускорителях частиц (для генерации мощных СВЧ-импульсов), в спектроскопии, в радиоастрономии.
• Медицина — в аппаратах СВЧ-терапии и хирургии.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Широкая полоса пропускания (до нескольких октав) — одно из главных преимуществ перед клистронами.
• Высокий коэффициент усиления (до 50—60 дБ в одном каскаде).
• Возможность работы в широком диапазоне частот (от сотен мегагерц до сотен гигагерц).
• Относительно высокий КПД (до 70% в современных мощных образцах).

Недостатки

• Высокое напряжение питания (от нескольких сотен вольт до десятков киловольт).
• Необходимость в мощной системе охлаждения (особенно для мощных ламп).
• Относительно большие габариты и масса по сравнению с полупроводниковыми усилителями.
• Сложность изготовления и высокая стоимость (особенно для миллиметрового диапазона).
• Ограниченный срок службы (обычно 10 000—50 000 часов) из-за деградации катода.

Современное состояние и перспективы

Несмотря на развитие полупроводниковых усилителей (транзисторов), ЛБВ сохраняют свои позиции в диапазонах сверхвысоких частот (выше 10 ГГц) и при высоких мощностях (сотни ватт — киловатты). В спутниковой связи ЛБВ остаются основным типом усилителей мощности благодаря сочетанию высокого КПД, широкой полосы и надёжности. В России разработкой и производством ЛБВ занимаются, в частности, предприятия Госкорпорации «Росатом» и АО «Росэлектроника».

Основные направления совершенствования ЛБВ:

• Увеличение КПД (до 80% и выше) за счёт оптимизации замедляющих систем и коллекторов.
• Повышение рабочей частоты в миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны (до 300 ГГц и выше).
• Миниатюризация и снижение массы (в том числе за счёт использования керамических материалов и интегральных конструкций).
• Увеличение срока службы (до 100 000 часов и более).

Источники

• Гинзтон Э. Л. Лампы бегущей волны. — М.: Советское радио, 1961.
• Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. — М.: Высшая школа, 1970.
• Коваленко В. Ф. Введение в вакуумную электронику. — М.: МИФИ, 2007.
• Gilmour A. S. Klystrons, Traveling Wave Tubes, Magnetrons, Crossed-Field Amplifiers, and Gyrotrons. — Artech House, 2011.
• Barker R. J., Booske J. H., Luhmann N. C., Nusinovich G. S. Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics. — Wiley-IEEE Press, 2005.