Лампа бегущей волны: принцип работы, история и классификация

Что такое лампа бегущей волны и для чего она нужна?

Лампа бегущей волны (ЛБВ) представляет собой электровакуумный прибор, предназначенный для усиления высокочастотных электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне. Ключевой принцип её работы основан на взаимодействии потока электронов с электромагнитной волной, движущейся с ним в одном направлении. Это взаимодействие приводит к передаче энергии от электронов к волне, что и обеспечивает её усиление. ЛБВ нашли широкое применение в радиоэлектронике: они используются как в передатчиках, так и в приёмниках для усиления, умножения частоты и преобразования сигналов.

История создания

Первые шаги к созданию этого прибора были сделаны в 1936 году американским учёным А. Гаевым, который запатентовал устройство, считающееся предшественником современной ЛБВ. Однако сама лампа бегущей волны в её классическом виде была изобретена и предложена лишь в 1943 году инженером Р. Компфнером. Значительный вклад в теоретическое обоснование и развитие технологии внёс Дж. Пирс, опубликовавший в 1947 году фундаментальную научную работу, посвящённую этому прибору.

Устройство и принцип действия

Конструкция лампы бегущей волны включает в себя несколько ключевых элементов:

• Электронная пушка: создаёт и формирует узконаправленный поток электронов.
• Замедляющая система (часто в виде спирали): снижает фазовую скорость электромагнитной волны, синхронизируя её движение со скоростью электронного потока для эффективного энергообмена.
• Фокусирующая система: создаёт магнитное поле, которое удерживает электронный пучок от рассеивания, сохраняя его форму и плотность.
• Коллектор: улавливает электроны после их взаимодействия с волной.
• Устройства ввода и вывода СВЧ-энергии: обеспечивают подачу слабого сигнала на усиление и съём усиленного сигнала.
• Поглотитель: предотвращает самовозбуждение лампы (паразитную генерацию колебаний), поглощая отражённые от концов замедляющей системы волны.

Вся эта конструкция размещается внутри вакуумного баллона. Фокусирующий соленоид обычно располагается снаружи, а спираль закрепляется на теплоотводящих диэлектрических стержнях.

Основные характеристики и классификация

Лампы бегущей волны обладают рядом выдающихся характеристик:

• Широкая полоса пропускания: у некоторых типов она может превышать октаву, что делает ЛБВ идеальными для широкополосных систем.
• Большой коэффициент усиления: обычно находится в диапазоне от 30 до 60 децибел (дБ).
• Широкий диапазон мощностей: от долей милливатта в малошумящих входных усилителях до десятков киловатт в мощных передающих устройствах.

Существует два основных класса ламп бегущей волны, различающихся физическим принципом взаимодействия:

Лампы класса О

В этих приборах энергия СВЧ-поля увеличивается за счёт кинетической энергии электронов. Электромагнитное поле тормозит электроны, забирая у них избыточную энергию. Магнитное поле для фокусировки пучка направлено вдоль его движения. В зависимости от мощности, ЛБВ класса О применяются на разных каскадах усиления: маломощные — во входных, средней мощности — в промежуточных, а мощные — в выходных усилителях.

Лампы класса М

В лампах этого типа в энергию СВЧ-поля преобразуется потенциальная (а не кинетическая) энергия электронов. Электроны в них движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях (магнитное поле перпендикулярно пучку), постоянно тормозясь и разгоняясь. Конструктивно такая лампа состоит из инжектора, создающего ленточный электронный поток, и области взаимодействия, где происходит обмен энергией с СВЧ-полем.

Оба класса ламп являются широкополосными усилителями, а для предотвращения самовозбуждения в них используется поглотитель отражённых волн.