Рассмотрим действие на электронный поток электрического поля замедленной волны, движущейся со скоростью дрейфа электронов. Там, где поперечное электрическое поле  замедленное, волны складывается с постоянным электрическим полем анода , оно ускоряет дрейф электронов и подгоняет их в зону, где продольное электрическое поле замедленной волны  отнимает у них энергию. Там, где  вычитается из постоянного электрического поля , скорость дрейфа электронов уменьшается, и они оттягиваются из зоны, где  отдает им энергию бегущей замедленной волны. Средняя скорость дрейфа при этом сохраняется, синхронизм не нарушается, и электроны, сгруппированные в зоне торможения, дрейфуют приближаясь к аноду по показанным на рисунке линиям, перпендикулярным суммарному электрическому и постоянному магнитному полю. Работа, совершаемая над электронами постоянным анодным электрическим полем, на каждом витке трохоиды отдается в энергию бегущей электромагнитной волны. Таким образом, поперечное поле волны  обеспечивает группировку, а продольное  забирает лишнюю кинетическую энергию. В результате, электроны (в среднем) теряют только всю потенциальную энергию относительно потенциала анода, и из этих соображений не трудно оценить КПД ЛБВ-М, зная всю сообщаемую электронам энергию, и долю, отдаваемую ими СВЧ полю: .

На входе в замедляющую систему электроны имеют сумму кинетической и потенциальной энергии . Кинетическая энергия, связанная со скоростью дрейфа, в среднем не меняется, и при ударе электрона в анод теряется в виде тепла. Электрон расходует на раскачку СВЧ поля свою потенциальную энергию , где  - потенциал в точке влета - при достижении анода он становится равным нулю. Поскольку эммитирующий электроны катод, и отрицательный электрод замедляющей системы находятся под одинаковым потенциалом, кинетическая энергия, приобретенная электроном в системе инжекции равна , и электронный . Потенциал в точке влета линейно зависит от координаты y: . Поэтому , а координата высоты точки влета  . Таким образом, КПД тем больше, чем ближе к катоду и отрицательному электроду ввод электронов в замедляющую систему, то есть чем сильнее магнитное поле. Но, при приближении ленточного пучка к гладкому отрицательному электроду, уменьшается до нуля продольная составляющая электрического поля замедленной волны, и соответственно, уменьшается сопротивление связи, а с ним и коэффициент усиления. Поэтому на практике КПД у ЛБВ-М и ЛОВ-М имеет величину 30%-50%, - в 2-3 раза выше чем у приборов О-типа. Для примера параметры одной ЛБВ-М: средняя длина волны 3.5 см, мощность 1.5 кВт, , К_у = 24дБ, КПД 30%.

Рассмотрим подробнее некоторые из  СВЧ – приборов  “М типа”.

2 Усилитель бегущей волны типа М

2.1 Отличие от ЛБВ типа О

В ЛБВ типа М, в отличие от ЛБВО, существуют две существенные особенности:

1) наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущей волной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны (. Напротив, для передачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроны двигались чуть быстрее.

2) в ЛБВ-О электроны отдают полю только избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия, передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения U₀. В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов.

2.2 Принципиальная схема ЛБВ типа М, общее описание

         Устройство усилительной лампы бегущей волны (ЛБВ) типа М показано на рис. 3

                                                Рис. 3   ЛБВ типа М

Электронный поток, эмиттируемый катодом, под действием поля управляющего электрода и внешнего магнитного поля, движется по циклоидальной траектории и затем вводится в пространство взаимодействия, образованное замедляющей системой и основанием. В дальнейшем траектория пучка близка к прямолинейной. Высокочастотный сигнал поступает через согласованный вход  СВЧ и распространяется вдоль замедляющей системы. Если скорость дрейфа электронов подобрана равной фазовой скорости волны в системе, то пучок отдает потенциальную энергию волне, и последняя увеличивает свою амплитуду. Через согласованный выход СВЧ, мощность поступает в нагрузку. В процессе взаимодействия электроны отдают свою энергию ВЧ полю и поднимаются к аноду (замедляющая система). Та часть электронов, которая не попала на замедляющую систему, выводиться на коллектор. Для предотвращения самовозбуждения усилителя, вход и выход замедляющей системы развязаны локальным поглотителем.

         Схема распределения напряжений такова. Катод находится под нулевым потенциалом, основание имеет отрицательный или нулевой потенциал, управляющий электрод и замедляющая система находятся под различными положительными потенциалами, относительно катода. Коллектор имеет положительный потенциал.

2.3 Усиление ЛБВ типа М

В линейной теории, при пренебрежении пространственным зарядом, в условиях холодного синхронизма () , показано [1], что поле вдоль оси лампы меняется следующим образом:

                                     (10)

Поле представляет  собой сумму двух парциальных горячих волн (одна с растущей амплитудой, другая с падающей амплитудой), распространяющихся в прямом направлении вдоль оси z.

Где  - фазовая постоянная, - параметр усиления, - ток,  - половина напряжения на замедляющей системе,  - циклотронная частота,   - волновое сопротивление замедляющей системы, - скорость невозмущенных электронов,  - фазовая скорость волны в “холодной” системе. Учитывая, что   и вводя электрическую длину лампы , получим:

                                        (11)

Или в децибелах

                                (12)

В [1] показано, что при больших длинах лампы, коэффициент усиления можно записать так:

                                            (13)

В общем случае, при наличии рассинхронизма 

                                               (14)

где А – начальные потери на образование нарастающей (горячей) волны. В режиме холодного синхронизма, входной сигнал расщепляется на два одинаковых парциальных сигнала и усиливается фактически лишь половина входного сигнала.  - фактор усиления.

 SHAPE  * MERGEFORMAT

 SHAPE  * MERGEFORMAT

Рассмотренное в [1] линейное приближение применимо для малых уровней входного сигнала. Но в приборах со скрещенными полями усиление малых сигналов затруднительно, из-за высокого уровня собственных шумов, вследствие паразитных колебаний в области формирования электронного луча, а также взаимодействия электронов с отраженной волной. В большинстве приборов отношение мощности полезного сигнала к мощности шумов не превышает 40 дБ. Поэтому необходим нелинейный анализ таких устройств.

Приведем основные результаты нелинейной теории ЛБВ типа М, полученные в [2]  для параметра рассинхронизма b=0.

         Вычисление выходной мощности и кпд производится на основе известных выражений:

                                   (15)

Где  - амплитуда СВЧ напряжения на конце замедляющей системы.

                                                 (16)

Где  - вспомогательная амплитудная функция, а  - нормализованная длина. На конце замедляющей системы Тогда из (15) и (16) нетрудно получить:

                                        (17)

Уровень входного сигнала в децибелах, относительно величины  

                                                (18)

На рис. 6  приведены кривые  при изменении q от 0 до 10 для значений D=0.1, b=0, K=-30,  , отношение удвоенной толщины пучка, к расстоянию между замедляющей системой и основанием 0.1,  - параметр расталкивания для электронного пучка бесконечного сечения равный 0 при отсутствии влияния объемного заряда, и 0.5 при значительном его влиянии,  - плотность потокапучка электронов.

 SHAPE  * MERGEFORMAT

В начале амплитуда волны слабо меняется, затем темп изменения амплитуды увеличивается. В этом случае электроны начинают достигать поверхности замедляющей системы и, двигаясь в сильном поле, интенсивно обмениваться энергией с волной, резко увеличивая амплитуду последней. При дальнейшем движении, электроны пучка выходят на анод, и темп изменения амплитуды резко падает. И амплитуда стремиться к постоянной величине.

Как видно из Рис.6, влияние объемного заряда уменьшает влияние нормализованной амплитуды, и требуется дополнительное увеличение нормализованной длины q для получения того же значения величины нормализованной амплитуды.

         Объемный заряд, также влияет  на коэффициент усиления G  и на К.П.Д. с увеличением наблюдается небольшое увеличение коэффициента усиления, и значительное падение К.П.Д.

         Особенности механизма насыщения в лучевых приборах М типа, приводят к своеобразной зависимости коэффициента усиления от входного сигнала рис. 7.

 SHAPE  * MERGEFORMAT

При малых входных сигналах пучок группируется слабо, деформации пучка малы, и пучок движется вдали от замедляющей структуры, где мала амплитуда замедленного поля. Поэтому взаимодействие электронов с полем волны слабо и коэффициент усиления невелик. С ростом входного сигнала группировка электронов возрастает, электроны приближаются к замедляющей системе и движутся в области сильного высокочастотного поля, мощность взаимодействия, выходной сигнал и коэффициент усиления возрастают. Рост выходного сигнала длится до тех пор, пока электроны не начнут выходить на анод в конце замедляющей системы. В этом случае осуществляются оптимальные условия взаимодействия пучка и поля, и коэффициент усиления достигает максимального значения. Дальнейший рост входного сигнала не приводит к увеличению выходной мощности, и коэффициент усиления начинает падать.

2.4 Применение ЛБВ типа М

Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы. Высокий уровень собственных шумов исключает возможность применения ЛБВМ для усиления маломощных сигналов. Основное применение эти приборы нашли в качестве мощных импульсных выходных усилителей в дециметровом и сантиметровом диапазоне длин волн. 3 Усилитель обратной волны типа М

3 Лампа обратной волны типа М

3.1 Принципиальная схема ЛОВ типа М, общее описание

Лампа обратной волны типа М представляет собой усилитель, или генератор бегущей волны, в котором электронный пучок взаимодействует с обратной пространственной гармоникой замедляющей системы. При этом, поскольку скорость электронов по величине и направлению совпадает с фазовой скоростью обратной гармоники, групповая скорость направлена навстречу движению пучка, что обеспечивает существование положительной обратной связи.

Рис. 8

Схематическое изображение ЛОВ типа М

Если ток луча (пучка электронов) достаточно велик (больше пускового), система оказывается электрически неустойчивой и склонна к самовозбуждению, на частоте, определяемой скоростью электронов. При изменении ускоряющего напряжения меняется скорость электронов и, следовательно, в соответствии с дисперсионной характеристикой, изменяется и генерируемая частота.

         На рис. 8 схематически изображен генератор обратной волны типа М цилиндрической конструкции. Электронный пучок, эмиттируемый катодом, под действием поля управляющего электрода (анода) и магнитного поля, движется по циклоидальной кривой, и в необходимый момент вводится в пространство взаимодействия, образованное замедляющей системой и основанием. После прохождения пространства взаимодействия, электроны попадают на коллектор. Поскольку в ЛОВ СВЧ мощность распространяется навстречу движению пучка, вывод энергии расположен у катодного конца лампы. На коллекторном конце лампы расположен поглотитель, роль которого заключается в поглощении волны, отраженной от вывода энергии. В противном случае в приборе может установиться дополнительная паразитная обратная связь, что приведет к изменению пусковых условий по диапазону, и как следствие, к неравномерности частотной характеристики. Наличие паразитной обратной связи может вызвать также колебания типа прямой волны. Если вывод энергии и последующий за ним тракт согласованы идеально, поглощающая нагрузка на коллекторном конце не нужна. Если вместо поглощающей нагрузки поместить ввод энергии и работать при токах ниже пускового, лампа превращается в регенеративный усилитель.

         Схемы распределения напряжений в ЛБВ и ЛОВ типов М аналогичны. Группировка электронов и процесс образования переменного тока, а также взаимодействие электронов с СВЧ полем происходит у ЛОВ таким же образом, как и в усилителе прямой волны. Поперечное СВЧ поле осуществляет группировку электронов в тормозящей фазе поля. Энергия электронов преобразуется за счет продольного компонента. Энергия электронов преобразуется за счет продольного компонента СВЧ поля. Электроны, передающие энергию полю, теряют свою потенциальную энергию, и приближаются к замедляющей системе, сохраняя продольную скорость постоянной, и в среднем равной Таким образом, ЛОВ типа М присущи все принципиальные особенности, характерные для приборов со скрещенными полями: взаимодействие при полном синхронизме, передача потенциальной энергии и как следствие высокий КПД. Кроме того ЛОВ типа М обладает важным в практическом отношении свойством, отличающим ее от приборов типа О, - так называемой “линейностью” частотной характеристики. В приборах типа О скорость электронов, а следовательно, и частота пропорциональны т. е. являются нелинейной функцией ускоряющего напряжения. В приборах типа М скорость электронов пропорциональна , т. е. частота, если работать в линейном участке дисперсионной кривой, будет являться линейной функцией ускоряющего напряжения. Во всяком случае, при прочих равных условиях в ЛОВ типа М тот же диапазон электронной перестройки осуществляется значительно меньшим изменением напряжения, что является немаловажным для практического использования. В [1] проводится расчет основных характеристик ЛОВ типа М плоского варианта. Учет цилиндричности конструкции не вносит принципиальных изменений в теорию.

3.2 Пусковые условия в генераторе обратной волны типа М

Если заданы длина лампы и ускоряющее напряжение, то анализ пусковых условий ЛОВ должен дать ответ на два основных вопроса: при каком токе возникнут колебания и какая при этом установиться частота. Линейный анализ, проведенный в [1] дает следующие результаты. В лампе обратной волны может возбудиться только такая “горячая” волна, которой соответствует “холодная” волна с фазовой скоростью, равной скорости пучка, т. е. при полном синхронизме (b=0). При этом генерация возможна не при любых значениях параметров, т. е. появляются зоны генерации:

                               (19)

где n=1, 2, 3, … - номер области возбуждения. Поле в любом сечении, имеет вид:

                                    (20)

где L – длинна лампы, а z – расстояние от выходного конца лампы. Амплитуда поля распределена вдоль лампы по косинусоидальному закону, причем, характер распределения амплитуды поля в лампе, зависит от номера области возбуждения. Но при этом для любого вида колебаний фазовая постоянная распространения полного поля  одинакова для всех зон генерации. Т. е. скорость распространения полного поля при любом виде колебаний одна и та же и равна средней скорости пучка. Таким образом, любому виду колебаний соответствует одна и та же генерируемая частота.

         Рассмотрим, теперь, вопрос о пусковом токе в ЛОВ типа М. Для этого воспользуемся условием (19), подставляя в него выражение .

                                                 (21)

Для первой области

                                           (22)

и для высших областей

                                                (23)

Эти результаты были получены без учета пространственного заряда. Учет этого заряда настолько усложняет картину полного поля в ЛОВ, что исследование пусковых условий в аналитической форме становится невозможным и может быть проведено в частных случаях путем численного расчета.

3.3 Усилитель обратной волны типа М

         Если к коллекторному концу ЛОВ, находящейся в достартовом режиме, подвести небольшой высокочастотный сигнал, ЛОВ превратиться в усилитель обратной волы (УОВ). Такой усилитель обладает рядом ценных свойств:

1)          наличие положительной обратной связи обеспечивает высокий коэффициент усиления;

2)          усилитель достаточно узкополосен, причем ширина полосы усиления может изменяться электронным способом;

3)          усилитель перестраивается электронным способом в широком диапазоне частот, обусловленном полосой пропускания системы.

В [1] показано, что коэффициент усиления однокаскадного УОВ, в децибелах равен:

        (24)

А полоса пропускания усилителя:

                                        (25)

где  - частота, соответствующая синхронизму (b=0). А - изменение параметра синхронизма, в пределах которого G падает на 3.

         Серьезным недостатком однокаскадного усилителя обратной волны является то обстоятельство, что большие коэффициенты усиления могут быть достигнуты при токах луча (потока электронов), близких к пусковому. Это приводит к нестабильной работе УОВ, особенно при попытках перестройки в широком диапазоне частот. Другим отрицательным свойством УОВ является возможность паразитной обратной связи из-за отражения во входном и выходном трактах.

         Недостатки УОВ могут быть в значительной степени ликвидированы при использовании двухкаскадного усилителя обратной волны (КУОВ) рис.9. SHAPE  * MERGEFORMAT

Здесь входной сигнал поступает на вход первого каскада и модулирует электронный пучок. В процессе взаимодействия с пучком сигнал усиливается и рассеивается на локальном поглотителе, расположенном в начале первого каскада. Сгруппированный электронный пучок поступает на вход второго каскада и наводит в нем СВЧ поле . Отношение выходного сигнала  к  представляет собой коэффициент усиления КУОВ. Схема работает при токах меньше пускового, и при снятии входного сигнала выходной сигнал исчезает. Анализ КУОВ дает следующее выражение для коэффициента усиления [1]:

                        (26)

Построим зависимость коэффициента усиления G от  и  в простейшем случае двух одинаковых каскадов:                и для различных значений нормированного тока

 SHAPE  * MERGEFORMAT

3.4 Применение ЛОВ типа М

ЛОВ применяются в широкодиапазонных сигнал - и свип-генераторах для радиотехнических измерений и радиоспектроскопии, в гетеродинах быстро перестраиваемых приёмников, в задающих генераторах передатчиков с быстрой перестройкой частоты. Современные генераторы на ЛОВ типа М способны обеспечивать выходную мощность в непрерывном режиме порядка десятков киловатт в дециметровом и единиц киловатт в сантиметровом диапазонах. В настоящее время они являются самыми мощными генераторами СВЧ колебаний с электронной перестройкой частоты.

Синхронизированные генераторы на ЛОВ типа М обладают высокой стабильностью частоты и низким уровнем шумов, что позволяет их использование в системах связи с частотной модуляцией.

4  Магнетрон

4.1 Устройство магнетрона и принцип работы

Принципиальная схема магнетрона представлена на рис.11

рис.11

Принципиальная схема магнетрона.

1. анодный блок резонаторов, 2. резонатор, 3. катод, 4. связки,

5. вывод энергии, 6. петля связи, 7. ламель.

Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создается внешними магнитами или электромагнитом. Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов, или отверстие из резонатора наружу цилиндра. Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определенных видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой).

Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.

Рассмотрим принцип работы магнетрона. Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещенных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по внутренней поверхности окружности большего радиуса). При достаточно сильном магнитном поле электрон, движущийся по этой кривой не может достичь анода, при этом говорят, что произошло магнитное запирание. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг анода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находится непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие электронов с СВЧ полем и фазовая фокусировка в магнетроне обеспечивают высокий коэффициент полезного действия и возможность получения больших мощностей.

4.2 Применение магнетронов

В радарных устройствах волновод подсоединен к антенне, которая может представлять собой как щелевой волновод, так и конический рупорный облучатель в паре с параболическим отражателем (так называемая «тарелка»). Магнетрон управляется короткими высокоинтенсивными импульсами подаваемого напряжения, в результате чего излучается короткий импульс микроволновой энергии. Небольшая порция этой энергии отражается обратно антенне и волноводу, где она направляется к чувствительному приемнику. После дальнейшей обработки сигнала он, в конце концов, появляется на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) в виде радарной карты. Также магнетроны используются в микроволновых печах

5 Список использованной литературы

1)    Стальмахов В. С. Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями. – М.: Советское радио, 1963.

2)    Кацман Ю. А. Приборы СВЧ М.: Высшая школа, 1983

3)    Пилан А. М. Лекции имени Шехтмана по радиофизике                      (www. ft-2x.nm.ru/Pilan/Pilan.php)