Издательство «Мир*
HIGH-POWER
MICROWAVE TUBES
ed. by
Lawrence L. Clampltt
Raytheon Company
Proceedings of the IKE
v. 61, N 3, pp. 279—381
(March 1973)
New York, USA
Наука для техники
Современная радиоэлектроника
МОЩНЫЕ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
ПРИБОРЫ СВЧ
под редакцией
Л. Клэмпитта
перевод
с английского
предисловие
академика Н. Д. Девяткова
Издательство «Мир»
МОСКВА
1974
УДК 621.385.6

30407 -176
МИ1<Й>-Я пм*
Предисловие к переводу
Предлагаемый читателю сборник содержит переводы обзорных ста-
тей, опубликованных в журнале Proceedings of the IEEE в марте 1973 г.
Статьи посвящены описанию:
медляющими системами;
2)	СВЧ электровакуумных приборов большой мощности с линейным
электронным пучком;
3)	усилителей М-типа с катодами в пространстве взаимодействия;
4)	ламп большой мощности с сеточным управлением.
Статьи отражают путь развития мощных приборов СВЧ и те значи-
тельные успехи, которые получены за последние 1и—15 лет. Нужно от-
метить, что описаны не все мощные приборы СВЧ ^например, многоре-
зонаторные магнетроны и магнетроны коаксиальных конструкций, мощ-
ные генераторы, перестраиваемые изменением напряжения, ЛОВ М-типа
Область применения СВЧ-приборов большой мощности все время
расширяется. Значительно повышаются и требования к их параметрам и
характеристикам в связи с усложнением радиоэлектронной аппаратуры.
Для большинства современной радиоэлектронной аппаратуры теперь
требуется не просто улучшение какого-то одного параметра, а оптималь-
ная комбинация характеристик и параметров (например, большая мощ-
ность в широкой полосе при высоком КПД и большом коэффициенте
ристики, малый уровень собственных шумов вблизи от основной несущей
частоты и т. д. Часто решающее значение наряду со специальными ха-
рактеристиками имеют повышенная надежность, долговечность и КПД.
Особенно это важно для СВЧ-приборов, использующихся в радиоэлек-
тронной космической аппаратуре длительного действия. В предлагаемых
читателю статьях рассматриваются некоторые вопросы теории, указы-
вается ряд конструктивных и технологических проблем построения мощ-
ных приборов, даются рекомендации по правильному выбору элементов
конструкций, определяющих те или иные характеристики прибора. Об-
суждаются различные режимы работы приборов и их особенности для
некоторых применений, например, двухрежимная работа ЛБВ со спи-
ральной замедляющей системой, предназначенной для систем радио-
электронного противодействия. Отмечается сложность проблемы созда-
ния ЛБВ с десятикратным перепадом мощности в импульсном и непре-
рывном режимах. Читателя, безусловно, заинтересуют сведения о при-
борах миллиметрового диапазона. Значительное внимание уделяется
созданию рациональных магнитных фокусирующих систем, особенно маг-
кобальтовых сплавов, а также системам электростатической фокусировки.
Упоминается о целесообразности охлаждения коллекторов мощных при-
боров вапотронными системами и применением «тепловых трубок» (это
дает возможность, например, в телевизионных передатчиках упростить
конструкцию, повысить надежность, устранив водяной насос и систему
трубопроводов). Авторы правильно обращают большое внимание на ус-
ловия правильной эксплуатации и системы защиты приборов СВЧ. При-
водится упрощенная схема включения клистрона непрерывного действия
с источниками питания и устройствами защиты. Интересны данные о сро-
ке службы приборов.
Следует отметить, что ряд эксплуатационных параметров приборов
О-типа, которые в прошлом считались второстепенными, в настоящее
время играют весьма важную роль в применениях и, безусловно, при
выборе перспективных приборов их уже нельзя недооценивать. Сюда
относятся требования по усилению очень малых сигналов, линейности
фазочастотной характеристики, низкой чувствительности к величинам
напряжений и токов, малому уровню шума.
Авторы справедливо считают основными аспектами развития при-
боров М-типа два — технологический и функциональный (режим безмо-
дулярного питания). Для работы в режимах питания с запускающим
СВЧ-импульсом требуются специальные катоды с достаточно большим
коэффициентом вторичной эмиссии, не боящиеся обратной бомбарди-
щиеся в настоящее время катоды полностью удовлетворяют всем тре-
рактеристик при высоких уровнях мощности, а также
конструктивные особенности триодных и тетродных систем мощных
ламп, а также новых направлений в развитии мощных приборов, таких,
как триоды с магнитной фокусировкой, специальные приборы для уси-
лителей с распределенным усилением (УРУ), коакситроны и др.
Изложенный материал представляет большой интерес как для раз-
работчиков приборов СВЧ, так и для специалистов, разрабатывающих
радиоэлектронную аппаратуру. Он будет полезен и для преподавателей
Н. Д. Девятков
Предисловие к тематическому сборнику
Последующая серия заказных статей посвящена мощным СВЧ-лам-
пам, В значительной мере эти статьи написаны с учетом интересов по-
требителей или разработчиков систем. Цель их-ознакомить читателя с
историей развития этих приборов, дать ему некоторое практическое
представление об их устройстве и принципе действия, а также осветить
современное состояние вопроса. Сами по себе СВЧ-лампы являются, как
правило, законченными усилителями или генераторами, однако они под-
вержены сильному влиянию условий, в которых работают и которые
характеристики, как долговечность и надежность. Помятуя об этом, ав-
торы рассмотрели ряд смежных проблем с целью помочь потребителю
Хотя вопросы научных исследований и разработок не являются глав-
Читая эти статьи, можно также заметить, что применительно к СВЧ-лам-
пам основное внимание уделяется качеству выходного сигнала, а не
«лошадиным силам». Эта тенденция подтверждается тем, что в большин-
ходного сигнала, а скорее некоторая комбинация таких характеристик,
как более широкая полоса частот, высокий коэффициент усиления и вы-
стремление упростить модуляцию СВЧ-ламп и приспособить их к работе
в более тяжелых условиях. Чем сложнее и дороже становятся системы,
жны быть сами компоненты.
Эти требования усилили определяющую роль технологии в конструи-
ровании и изготовлении приборов СВЧ. Применение окиси бериллия и
нитрида бора в качестве диэлектрических опор для спирали лампы с бе-
гущей волной (ЛБВ) позволило существенно поднять среднюю мощность
выходного сигнала в полосе частот свыше октавы. Введение новой тех-
равлению мощными электронными потоками в ЛБВ и клистронах. Созда-
ние новых кобальт-редкоэемельных материалов для постоянных магни-
тов, отличающихся высокой коэрцитивной силой и большим значением
максимальной магнитной энергии, обеспечило фокусировку этих пучков
лителей со скрещенными полями обеспечили необычайно высокую дол-
говечность как сверхмощных, так и маломощных приборов. Минувшее
десятилетие характеризуется относительно малым объемом фундамен-
тальных исследований в области вакуумных СВЧ-ламп, однако в течение
этого времени шел непрерывный процесс разработки ламп, предназна-
ченных для специальных применений, а также не прекращалось улучше-
ние и совершенствование этих приборов. По мере приближения к пред-
сказанным теоретически или даже полученным на лабораторных образ-
цах характеристикам прибора усложняется и удорожается инженерная
задача разработки надежного и воспроизводимого изделия. По-преж-
нему серьезной проблемой остается различие между демонстрацией
возможностей и реальными характеристиками надежных компонент.
Стоит отметить, что некоторые важные приборы не получили в этих
статьях подробного освещения. Магнетрон как таковой по-прежнему
имеет большое значение, хотя здесь он выступает только в роли осново-
положника класса усилителей со скрещенными полями. Магнетрон ос-
тается простейшим источником мощности для радиолокационных пере-
датчиков. Коаксиальный магнетрон отличается высоким уровнем ста-
бильности частоты, а высокоскоростные схемы перестройки обеспечи-
вают отслеживание цели и высокую помехоустойчивость. Магнетрон
также прекрасно зарекомендовал себя в качестве источника мощности
для СВЧ-печей, а его стоимость из расчета около трех центов за ватт
мощности является ярким подтверждением того, что он и СВЧ-лампы
могут быть дешевыми, как только появляется возможность серийного
производства. К семейству приборов со скрещенными полями принад-
типа, они продолжаю
ты и высокий КПД, так и на высокий коэффициент усиления и широкую
(при описании ЛБВ на связанных резонаторах), однако в ней обзор лу-
тродов, работающих в УВЧ- и СВЧ-
КЛЭМПИТТ(Ьашгепсе Klampitf)
Редактор-составитель

Лампы бегущей волны со спиралью
и со связанными резонаторами1»
Helix and Coupled-Cavity Traveling-Wave Tubes”
МЕНДЕЛ (John T. Mendel)
УДК 621.385.632.12
обычные лампы с бегущей волной обладают поистине
поразительной емкостью. Сейчас и в обозримом буду-
щем в выходных усилителях спутников связи, кото-
рые со временем станут основным средством передачи
информации на большие расстояния, будут исполь-
зоваться ЛБВ. В военных радиолокаторах и системах
радиопротиводействия необходимость применения
радиопротиводействия необходимость применения
ЛБВ диктуется постоянным увеличением их широко-
полосное™. Одна лампа, вес которой не превышает
ние в 60 dB при полосе более октавы. Качество уси-
ления в отношении основных параметров искажений
более чем удовлетворяет самым жёстким требова-
ниям. Коэффициент преобразования энергии для
наиболее совершенных приборов превышает 50%.
Конструкция ЛБВ со времени изобретения ее
Р. Компфнером в 1944 г. претерпела очень мало из-
менений, хотя почти все параметры этих приборов
были значительно улучшены. Усиление в таком
приборе обеспечивается в результате распространения
электромагнитной волны по замедляющей структуре
в непосредственной близости от электронного пучка
ВВЕДЕНИЕ
Если говорить об историческом значении ЛБВ,
то их нельзя сравнить с транзистором, который,
бесспорно, войдет в историю как выдающееся
вобретение, оказавшее весомое влияние на челове-
шсню. Правда, и ЛБВ — практическое воплощение
^пципа усиления на бегущей волне, по своему изя-
кстау не уступает транзистору, но в историческом
шане ее роль, по-видимому, более скромна. При
шейке возможностей ЛБВ в терминах основных
араметров теории информации оказывается, что
На входе замедляющей структуры уровень высо-
кочастотного сигнала весьма мал, и возникающая
модуляция электронного пучка сходна с модуляцией
во входном резонаторе клистрона. Однако в случае
ЛБВ замедляющая структура не является резонансной
и волна движется по ней с такой же скоростью, что
и электроны пучка. Начальное влияние на пучок
сводится к небольшой модуляции по скорости, вызы-
ваемой слабым электрическим полем бегущей волны.
Так же как и в клистроне, эта модуляция по скорости
переходит затем в модуляцию по току. Модулирован-
ный по току пучок наводит высокочастотный ток в за-
медляющей структуре, что в результате дает усиление
сигнала при условии соблюдения соответствующих
фазовых соотношений. Главное различие между этим
механизмом и механизмом усиления в клистроне со-
стоит в том, что в ЛБВ взаимодействие происходит по
всей длине замедляющей структуры, а не только в за-
зорах нескольких объемных резонаторов. Это непре-
рывное взаимодействие является результатом рас-
пространения волны, в то время как в клистроне бе-
гущая волна отсутствует. Действительно, в клистроне
в общем случае не существует другой связи между
резонаторами, кроме связи, возникающей из-за моду-
ляции электронного потока. Часто задают вопрос,
какая разница между очень узкополосной ЛБВ и ши-
рокополосным клистроном, который может иметь
такую же ширину полосы. Ответ вполне ясен и одно-
значен: в клистроне нет бегущей волны. Каждый объ-
емный резонатор работает совершенно независимо и
полностью изолирован от всех остальных резонаторов.
Из этого правила имеются исключения — речь идет
о гибридных устройствах, в которых применяется
существенно видоизмененный принцип построения
клистрона, но и здесь указанное выше различие между
ЛБВ и клистроном остается в силе.
лее важным достоинством ЛБВ. Хотя ЛБВ и исполь-
зуются в устройствах с весьма узкой полосой, тем
не менее своим непрерывным совершенствованием
они обязаны применениям, в которых ширина полосы
составляет 10 или более процентов средней частоты.
Другое преимущество, свойственное процессу усиле-
ния в ЛБВ, состоит в том,.что эти приборы позволяют
получать исключительно высокое усиление (порядка
60 dB) без существенного уменьшения ширины полосы
и снижения других рабочих показателей ЛБВ. Про-
изведение усиления на ширину полосы для ЛБВ не
является результатом нежелательного компромиссного
выбора, как для других СВЧ-усилителей, и поэтому
в данном случае нет никаких оснований использовать
это произведение как некоторый показатель качества.
Усиление ЛБВ представляет собой экспоненциаль-
ную функцию длины области взаимодействия, так что
приращение длины дает соответствующее экспонен-
циальное приращение усиления. Усиление, измерен-
ное в децибелах, прямо пропорционально длине, что
дает ЛБВ определенное преимущество по отношению
к усилителям со скрещенными полями, в которых
зависимость усиления от длины гораздо сложнее.
Хо1я положительные качества ЛБВ позволили
значительно расширить область применения СВЧ,
тем не менее производство ЛБВ в целом остается
узкоспециализированным и мелкосерийным по срав-
нению, например, с индустрией транзисторов. В на-
стоящее время и в течение ближайших нескольких
лет общий объем продаж ЛБВ составит около 80 млн.
долл., причем основная часть этой суммы будет реали-
зована не за счет крупносерийного производства. Ббль-
шая часть производства ЛБВ сосредоточена в руках
полудюжины фирм, которые занимаются в основном
опытно-конструкторскими разработками и мелкосе-
рийным выпуском ЛБВ. Конечно, экономические
показатели были бы гораздо более благоприятными,
если бы всего несколько стандартных типов ЛБВ
производилось в больших количествах. Однако сис-
темы, для которых предназначены эти универсальные
усилители, обычно весьма сложны и выпускаются в не-
большом количестве. В течение последних 15 лет
наблюдалось непрерывное развитие и совершенство-
10
ванне как ЛБВ, так и систем, в которых они приме-
няются, однако этот процесс не был отмечен важными
открытиями и коренными переходами, такими, на-
пример, как смены поколений электронных вычисли-
тельных машин. По-видимому, и в будущем произ-
водство ЛБВ будет развиваться аналогичным путем.
Обычно в обзорах по ЛБВ принято давать оценку
их современных возможностей в отношении мощности,
частоты, КПД и т. д. От подобных обобщений у чи-
тателя может сложиться неверное представление, что
в течение последних 25 лет все усилия в этой области
были направлены на преодоление существующих
барьеров и установление рекордов. На самом же деле
этого не было и основное внимание уделялось удов-
летворению специфических требований, предъявляе-
мых к различным системам, разработка которых оправ-
дывала необходимые затраты. Небольшое количество
средств вкладывалось в развитие техники ЛБВ с од-
ной-единственной целью — «продвижение вперед в
данной области», без учета эффективности капитало-
вложений. Техника ЛБВ представляет собой сложив-
шуюся область, направление развития которой опре-
деляется экономикой СВЧ-индустрии, а не стремлени-
ем к созданию принципиально новых приборов.
Естественно, что при подобном подходе оправданно
создание только таких приборов, которые могут найти
немедленное применение. Если не существует ЛБВ
на 30 GHz с выходной мощностью в непрерывном
режиме 10 kW, это вовсе не значит, что при сущест-
вующем уровне техники такой прибор нельзя
создать,— просто нет областей применения, которые
могли бы оправдать затраты на создание подобного
прибора.
Вместо графика, демонстрирующего малопокаэа-
тельные рекордные цифры, достигнутые в процессе
совершенствования ЛБВ, гораздо полезнее привести
диаграмму зависимости типичных эксплуатационных
показателей ЛБВ от частоты и других ключевых пара-
метров. За последние годы были разработаны сотни .
ЛБВ специального назначения, при этом почти не
обращалось внимания на существование аналогичных, з
типов ламп, которые могли бы удовлетворить данному J
применению. Если построить диаграмму, учитываю-
щую все существующие ЛБВ, то она окажется слишком 1
громоздкой и будет состоять из трудноподдающегося >
восприятию множества точек, которые не отражают • 
рошо отработанную конструкцию, тогда как многие
другие находятся в стадии предварительной разра-
ботки и для их доводки требуется еще много усилий.
Несколько типов ламп производятся в значительных
количествах, в то время как большая часть ЛБВ вы-
пускается всего в нескольких экземплярах. Не менее
важно классифицировать ЛБВ в соответствии с усло-
виями их работы, например по назначению: радио- .
локаторы, системы радиопротиводействия, устройства
для космоса, радиоприборы и т. д. Другим критерием
классификации ЛБВ является тип конструкции: со
спиралью, со связанными резонаторами, с гибридной
структурой и т. д. Условия эксплуатации ЛБВ -
являются определяющим фактором при выборе конст-
руктивных особенностей, и, следовательно, от них
зависят окончательные параметры прибора. Например, 
ЛБВ с соленоидом совершенно непригодны для уст- '
ройств, работающих в космосе,— здесь следует ис-
пользовать ЛБВ с периодической магнитной фокусй- :з
ровкой. Эго ограничение устанавливает предел для
средней мощности, который оказывается существен- но ниже, чем у приборов, применяемых в самолетных ; системах, даже если в обоих случаях используются одинаковые замедляющие структуры. С риском силь- ного упрощения и неполного отражения современного состояния техники-ЛБВ мы приведем ряд графиков, • которые дадут читателю ясное представление о не- • которых классах ЛБВ. Эта информация не предназна- чается для выбора конкретного типа прибора для определенной системы, поскольку построить график, который бы удовлетворял этой цели, вообще невоз- можно.	симальное перекрытие. Ни один из типов замедляю- щих структур не может конкурировать со спиралью в отношении широкополосное™, а для большинства этот показатель значительно ниже, чем у спирали. Поведение спирали очень похоже на поведение оди- ночного провода над заземленной плоскостью, по которому распространяется волна типа ТЕМ; такая структура, естественно, является полностью недис- персионной. Так как спираль значительно сложнее одиночного провода над заземленной плоскостью, она не обладает бесконечно большой шириной полосы, и когда длина окружности витка спирали становится точно равной половине длины волны распространяю- щегося колебания, в ней появляются паразитные
ЛБВ со спиралью Первая замедляющая структура, исследованная Р; Компфнером в 1944 г., представляла собой простую спираль, которая и сейчас, 25 лет спустя, исполь- зуется в большинстве выпускаемых ЛБВ, что, не- сомненно, объясняется выдающимися достоинствами этой замедляющей структуры. Вероятно, простота - спиральной замедляющей структуры привлекла Комп- фнера, и он решил воспользоваться ею в своих экспе- 'риментах по широкополосной модуляции, так как по сравнению с современными существовавшие в то время методы изготовления и сборки электровакуум- ных компонентов были весьма примитивными и не обеспечивали нужной точности. Первые исследова- тели этой изящной замедляющей структуры, по-ви- димому, в полной мере не осознавали, что превосход- ство спирали над сотнями других замедляющих струк- тур будет доказано почти всеми теоретическими и экспериментальными исследованиями последующих лет. Теперь, много лет спустя, нетрудно уяснить те основные физические посылки, которые дали спирали возможность занять бесспорно ведущее положение, хотя вначале многие надеялись, что эта самая первая замедляющая структура будет со временем заменена другой, более совершенной структурой. Весьма упрощенное рассмотрение процесса взаи- модействия электронного потока и бегущей электро- магнитной волны показывает, что качество конкрет- ной замедляющей структуры определяется следую-	типы колебаний. Так как в спиральной замедляющей структуре не используется больших расположенных друг против друга металлических поверхностей, запасенная энер- гия при некотором заданном уровне мощности обычно оказывается весьма малой. В любой другой отличной от спиральной замедляющей структуре, как правило, применяются более массивные металлические по- верхноста, наличие которых приводит к увеличению эквивалентной емкости для запасаемой энергии, в ре- зультате чего этот показатель качества структуры понижается. Кроме того, спираль обеспечивает очень удобное распределение электрического поля: внутри структуры поле почти постоянно (хотя в действитель- ности оно изменяется) по поперечному сечению ци- линдрического электронного пучка, который обычно используется в качестве источника энергии. Трудно представить себе какую-либо другую геометрию с та- кой же естественной однородностью электрического поля, и поэтому большинство иных замедляющих структур не обеспечивает такого сильного взаимо- действия между электрическим полем и пучком. Ана- литически этот параметр определяется как импеданс связи, несмотря на то что он задается электрическим полем, взаимодействующим с пучком, и, следователь- но, не полностью аналогичен понятию импеданса, которое используется при исследованиях обычных СВЧ-структур. Кроме того, спираль является почти идеальной структурой и с точки зрения механических свойств.
щими факторами: 1)	минимальная запасенная энергия в бегущей волне; 2)	максимальная напряженность аксиального элек- трического поля в области, занимаемой элект- ронным пучком; 3)	постоянная фазовая скорость (отсутствие дис- персии); 4)	отсутствие паразитных типов колебаний. На последний фактор следует обратить особое внима- ние, так как он сильно зависит от конструктивных особенностей рассматриваемой замедляющей струк- туры. В общем случае различные типы колебаний, вникающие в спирали, хорошо поддаются управ- лению, что выгодно отличает ее от большинства дру- гих видов замедляющих структур. Дисперсионная характеристика спирали, вероятно, является ее наи- бодее важным свойством, благодаря которому она вилла столь широкое применение в широкополосных устройствах. Для систем радиопротиводействия и прокополосного испытательного оборудования тре- буется ЛБВ с шириной полосы более октавы, с тем чпобы с помощью одного усилителя обеспечить мак-	Методы ее изготовления отличаются простотой и вы- сокой точностью; она допускает сборку с высокой точностью и хорошо согласуется с остальными конст- руктивными элементами ЛБВ. Для создания изящ- ных конструкций, при разумно низкой стоимости важна симметричность замедляющей структуры. Первые ЛБВ со спиралью, изготовленные в конце сороковых годов, были весьма хрупкими и имели очень малую тепловую стойкость. Поэтому первона- чально их применение было ограничено устройствами с мощностью сигнала не более нескольких ватт. Из-за недостаточно хорошо отработанной технологии про- изводства и малоудачной конструкции эти приборы были неустойчивы в работе и имели малый срок служ- бы. В настоящее время мощность ЛБВ со спиралью, работающих в диапазонах S и С в непрерывном ре- жиме, достигает нескольких киловатт, а ширина полосы превышает октаву. По сроку службы и надеж- ности многие образцы ЛБВ превосходят большинство других активных СВЧ-приборов. Короче говоря, за 25 лет усилиями высококвалифицированных специа- листов различных фирм рабочие показатели ЛБВ со спиралью были улучшены на несколько порядков. И
СИСТЕМЫ РАДИОПРОТИВОДЕЙСТВИЯ	Приведенные примеры свидетельствуют о весьма существенном улучшении характеристик ламп, осо-
Бесспорно, что быстрому совершенствованию ра- бочих характеристик ЛБВ со спиралью способство- вало в основном широкое применение их в передатчи- ках систем радиопротиводействия. За счет средств, отпускаемых на создание этих систем, финансирова- лась большая часть опытно-конструкторских работ по ЛБВ, что позволило добиться во многих серийных образцах уровней мощности и ширины полосы, близ- ких к теоретическому пределу. Вполне очевидно, что любое увеличение широкополосности, мощности, КПД и уменьшение габаритов давало огромные выгоды для систем радиопротиводействия, поскольку при этом значительно расширялись возможности весьма дорогостоящих самолетных систем вооружения. Вряд ли без этой непрерывной мощной поддержки в про- изводство ЛБВ удалось бы внедрить многие конструк- тивные и производственные методы, поскольку тех- ника ЛБВ является весьма специализированной об- ластью, не имеющей каких-либо других столь зна- чительных по масштабам применений. Количество весьма совершенных систем радио- противодействия, в которых используются ЛБВ с не- обычными характеристиками, работающие в различ- ных частотных диапазонах, достаточно велико, по- этому для полного и детального изложения всех возможностей ЛБВ, применяемых в этих системах, пришлось бы написать целую книгу. Для получения общего представления о состоянии дел в этой области мы приведем несколько примеров, иллюстрирующих, насколько далеко продвинулась техника ЛБВ за несколько последних лет. Фиг. 2—5 относятся к им- пульсным ЛБВ, которые обычно работают при скваж- ности, равной 10 и более. Указанный режим работы отвечает требованиям самолетных систем для создания ложных сигналов. Такие системы должны быть ком- пактными, иметь малый вес и небольшую потребляе- мую мощность. Чтобы удовлетворить этим требова- ниям, в ЛБВ приходится использовать периодическую магнитную фокусировку, поэтому при скважности, равной 10, и уровне мощности в импульсе порядка киловатта почти достигается предел, определяемый допустимой мощностью рассеяния лампы. Система периодической магнитной фокусировки представляет собой электронно-оптическую систему, которая из-за аберраций, возникающих в периодически располо- женных линзах, значительно хуже фокусировки с по- мощью соленоида. Указанные аберрации неизбежны при использовании этого механизма периодической фокусировки, и, следовательно, их нельзя значитель- но снизить путем непрерывного совершенствования системы. Если же при заданном среднем уровне ВЧ- мощности требуется более высокое качество фокуси- ровки, то приходится использовать другую фокуси- рующую систему с более совершенной оптикой. Такой системой обычно является прецизионный соленоид, обеспечивающий однородное магнитное поле по всей длине области взаимодействия. Лампы, рассчитанные на работу в импульсном режиме со скважностью не более 10, при использовании такой фокусирующей системы могут работать в непрерывном режиме; прав- да, при этом нужно уделить достаточное внимание отводу тепла из критических зон внутри лампы. При- менение фокусировки с помощью соленоида позво- ляет создать целый класс ламп, работающих в непре- рывном режиме, что подтверждается фиг. 6 и 7. 12	бенно в сопоставлении с теми показателями, которые планировались всего несколько лет назад. Действи- тельно, приборы этого типа позволили создать новое поколение широкополосных глушителей. Следует от- метить, что эти достижения не только являются следст- вием улучшения фокусировки с помощью соленоида, но в равной мере определяются улучшением тепло- отвода, которое дало возможность свести к минимуму полный перепад температур между наиболее нагре- ваемыми частями спиральной структуры и наружными охлаждающими элементами. Интересно, насколько можно повысить мощность в непрерывном режиме при одновременном увеличе- нии рабочей частоты за счет дальнейшего совершенст- вования этих методов. Серьезных улучшений в этом отношении без значительного снижения срока службы и надежности, по-видимому, ожидать нельзя. Учиты- вая практические ограничения, свойственные сущест- вующим самолетным системам, вряд ли можно наде- яться на существенное повышение теплостойкости обыч- ной спиральной замедляющей системы. При увели- чении средней мощности следует использовать другие, более массивные замедляющие структуры, которые, естественно, будут иметь более узкую полосу; полоса таких замедляющих структур, рассчитанных на зна- чительно более высокую мощность, по-видимому, будет меньше октавы. УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ связи Вероятно, ни одна другая сфера применения ЛБВ не приобрела такой популярности, как спутники связи. Это объясняется той коренной революцией в широко- полосной связи, которую вызвало появление синхрон- ных спутников. Пожалуй, ни в какой другой области применения громадные потенциальные возможности ЛБВ со спиралью не были использованы настолько полно, что это привело к весьма впечатляющему улуч- шению рабочих показателей систем. Применяемые в системах космической связи ЛБВ отличаются хо- , рошей широкополосностью, большим усилением, вы- соким КПД, исключительной компактностью, малой массой и вполне приемлемой долговечностью и надеж-' ностью, значения которых существенно превзошли _ те возможности, о которых говорилось несколько лет назад. Эти приборы работают при сравнительно низ- ких напряжениях (менее 5000 V); их конструкция обладает достаточной жесткостью и способна выдер- живать самые сильные вибрации и ударные нагрузки, возникающие при запуске ракеты. Для большинства применений габариты и масса ЛБВ являются вполне удовлетворительными, но достижимый КПД никогда полностью не удовлетворяет конструкторов космиче- ских аппаратов. И это понятно, поскольку на ЛБВ приходится основная доля мощности, потребляемой бортовой аппаратурой. Фактически все ЛБВ, применяемые сейчас в бор- товых устройствах космических аппаратов, имеют почти одинаковую конструкцию, за исключением небольших модификаций, вносимых для удовлетворе- ния специфических требований и характеристик. Спираль обычно укрепляется с помощью круглых или клинообразных стержней в металлическом цилиндре с коаксиальными окнами на входном и выходном кон-
пряжение 10,0 kV.)
Т0К ПУЧКа 1,75А' уСКОрЯ”щее напРяже‘

Частота, GHz

када передатчика; на каждом спутнике имеется по
24 таких ЛБВ.
Габариты, форма и конструкция этой ЛБВ харак-
терны почти для всех ЛБВ, предназначенных для
космической связи на частотах от 2 до 10 GHz. Не-
смотря на то что разработка данной ЛБВ началась еще
в 1968 г., по своим КПД и линейности (отсутствию ис-
кажений) она до сих пор превосходит лкХЗые другие
современные приборы, отвечающие требованиям,
предъявляемым к космической аппаратуре. Следует
отметить, что выбирать ЛБВ для применения на
спутнике связи нельзя на основании только одного
КПД. Для обеспечения максимальной пропускной
способности канала связи требуется идти на опреде-
ленный компромисс между КПД и уровнем искажений-
Результаты, которые можно получить при тщательном
выборе этого соотношения, иллюстрируются нафиг. 9,
а — с соответствующими характеристиками ЛБВ спут-
ника «Интелсат IV».
Конструктор, разрабатывающий систему, всегда
предпочитает достичь компромисса путем изменения
соотношений между различными параметрами, не
меняя при этом конструкции ЛБВ. Значительного
изменения параметров выходного сигнала ЛБВ можно
добиться, меняя лишь напряжение пучка, уровень
входного сигнала или величину тока пучка. Однако
для обычных систем связи существенно улучшить
рабочие показатели просто за счет изменения соот-
ношений между основными электрическими парамет-
рами ЛБВ невозможно. Информационная емкость
ЛБВ определяется особенностями ее электрической
схемы и степенью прецизионности конструкции лампы.
Внутренние отражения, связанные либо со спиралью,
либо с элементами, обеспечивающими согласование
спирали с выходной коаксиальной линией, вызывают
небольшую регенерацию, которая в свою очередь
приводит к искажениям. Для их устранения требуется
разработать очень точные способы намотки, сборки и
установки спирали в колбе лампы. Другие узлы, та-
кие, как электронная пушка и система фокусировки,
цах. При разработке электронных пушек обычно
стремятся снизить плотность тока с поверхности
катода (с целью увеличения долговечности); в пушках
устанавливается специальная ионная ловушка, пре-
пятствующая бомбардировке поверхности катода иони-
зированными молекулами газа. Для достижения мак-
симальной точности фокусировки пользуются всеми
возможными средствами; для периодической фокуси-
ровки применяются легкие высококачественные маг-
ниты, например на платино-кобальтовой или самарий-
кобальтовой основе. Лампа с фокусирующей системой
помещается в легкий металлический контейнер, ко-
торый придает необходимую механическую прочность
всему прибору и, кроме того, служит для отвода тепла
на корпус космического аппарата.
сИнтелсат IV» является наиболее совершенным
действующим спутником связи, который уже дли-
тельное время находится на орбите, что с достаточной
наглядностью свидетельствует о свойственных ему
надежности и качестве работы. На фиг. 8 показана


2 460 464

личивают уровень искажений. Иногда для ответст-
венных проектов приходится изготавливать по три
хорошие ЛБВ на каждую лампу, используемую в кос-
мическом аппарате, с тем чтобы из них можно было
выбрать ЛБВ с наилучшими средними характеристи-
ками. Если считать, что из-за случайного изменения
критических размеров конструкции характеристики
ламп изменяются в соответствии с кривой Гаусса,
то можно отобрать только те лампы, характеристики
которых соответствуют верхней части нормального
распределения. Конечно, такой подход является весь-
ма дорогостоящим, так как большая часть «хороших»
ламп либо выбрасывается, либо используется в от-
борочных испытаниях и испытаниях на долговечность.
В отличие от программ создания радиолокацион-
ных установок и других военных СВЧ-систем в про-
граммах по осуществлению космической связи для
установки на выводимом на орбиту космическом аппа-
рате отбирается только несколько наиболее совер-
шенных образцов ЛБВ. Учитывая огромную стоимость
средств обеспечения запуска и ракеты-носителя, выше-
описанный подход к отбору ЛБВ, по-видимому, яв-
ляется экономически оправданным. Поэтому число
существующих ламп, о которых стоит упоминать,
всех остальных отношениях техника ЛБВ является
непрерывное совершенствование этих приборов, уда-
лось собрать весьма обширные сведения об их долго-
числены основные космические программы, в которых
использовались ЛБВ, и перечислены рабочие харак-
теристики ЛБВ.
Независимо от рабочей частоты, которая опреде-
ляется назначением системы, предпочтительный уро-
вень выходной мощности в непрерывном режиме лежит
> пределом, определяемым механической проч-
। ЛБВ. При той же основной конструкции мож-
Пожалуй, наиболее важным фактором при выборе
выходной мощности ЛБВ является мощность источ-
ников питания космического аппарата. Кроме того,
при этом приходится учитывать количество рассеивае-
мого тепла, конфигурацию антенны, требуемый уро-
вень эффективной излучаемой мощности и, что осо-
бенно важно, отдавать предпочтение оборудованию,
которое уже использовалось в предшествующих кос-
мических программах. Последнее соображение дик-
туется стремлением обеспечить надежность наиболее
важных компонентов и подсистем, руководствуясь
при их создании аналогией с оборудованием, уже
прошедшим проверку в реальных условиях и доказав-
шим свою надежность. Как показала практика, такой
консервативный подход является залогом успеха
программ по осуществлению космической связи.
Небольшое повышение КПД ЛБВ приводит к зна-
чительному выигрышу для космического аппарата
в целом — уменьшается количество солнечных ба-
тарей, аккумуляторов, габариты источников питания
и упрощается проблема рассеяния тепла. Почти на
всех спутниках связи основным параметром для
ЛБВ, определяющим все другие элементы конструк-
ции, является необходимая мощность питания постоян-
ного тока. Поэтому со времени разработки первого
из спутников связи «Синком» повышению уровня КПД
для ЛБВ, применяемых на спутниках связи, уделя-
лось непрерывное внимание.
Представление о ЛБВ, используемых в настоящее
время на спутниках связи, дает фиг. 10, на которой
показана 10-W ЛБВ S-диапазона с КПД более 50%.'
Ее КПД почти вдвое превышает уровень, которого
можных методов повышения КПД.
К числу таких методов относятся: изменение фазо-
вой скорости замедленной волны по длине лампы,
меняется, так как этот метод может привести к сни-
жению надежности. На основе той же самой конструк-
ции, что и у ЛБВ мощностью 20 W была создана лампа
с выходной мощностью 120 W; при этом КПД остался
почти прежним. Было изготовлено несколько вари-
антов ламп с рабочими частотами вплоть до Х-диапа-
зона, КПД которых снизился всего до 45%. На этих
более высоких частотах увеличиваются потери в за-
медляющей структуре (что и приводит к снижению
КПД), однако более важной проблемой является
повышение сложности и уменьшение точности изго-
товления электронной оптики вследствие уменьшения
размеров замедляющей структуры. Последнее в свою
очередь снижает эффективность рекуперации в кол-
лекторе и, следовательно, уменьшает общий КПД
лампы. По мере дальнейшего увеличения частоты эти
эффекты, без сомнения, будут еще более выраженными.
ДВУХРЕЖИМНЫЕ ЛЕВ
Возможность создания двухрежимного усилителя
иа ЛЕВ постоянно была той задачей, к разрешению
которой неизменно стремились конструкторы систем
радиопротиводействия. Назначение такого прибора
состоит в обеспечении двух различных уровней вы-
ходной мощности без внесения каких-либо существен-
ных изменений при переходе от одного режима к дру-
гому и с хорошим КПД в обоих режимах. Обычно
более высокий уровень выходной мощности требуется
в импульсном режиме со скважностью не более 10,
а более низкий уровень — в непрерывном режиме для
создания заградительных помех. Повышение мощ-
ности в импульсном режиме достигается просто путем
подачи положительного импульсного напряжения на
сетку электронной пушки, что приводит к увеличению
тока пучка и, следовательно, его мощности. Модуля-
цию по сетке можно осуществить с помощью сравни-

I
J
я

мощность во всей рабочей полосе. При изменении
тока пучка в отношении 4 : 1 происходит существен-
18
тельмо простой компактной схемы на полупровод-
никах; это дает возможность, используя всего одну
ЛБВ, создать систему, обладающую определенной
универсальностью в отношении борьбы против раз-
личных радиолокационных сигналов. Для достижения
хорошего КПД следует принять меры, обеспечиваю-
щие такое высокочастотное усиление ЛБВ, при кото-
ром лампа при обоих уровнях мощности будет рабо-
тать в режиме насыщения.
При различных принципах построения двухрежим-
ных систем требуются разные отношения двух уров-
ней выходной мощности, однако величина 10 dB, по-
внднмому, будет приемлемой для большинства при-
менений. К сожалению, не так просто создать хоро-
шую по конструкции ЛБВ с высокими ВЧ-характе-
ристиками при обоих значениях тока пучка, соот-
ветствующих уровням мощности пучка 10 : 1. Эта
задача усугубляется необходимостью использования
традиционной для самолетных систем радиопротиво-
действия периодической магнитной фокусировки. Как
показали первоначальные эксперименты, нетрудно
получить хорошо сфокусированный пучок, не прибе-
гая к какой-либо существенной перестройке, либо
при одном, либо при другом токе пучка, но не для
обоих одновременно. Очевидно, что с точки зрения
пригодности для эксплуатации в аппаратуре можно
лишь допустить перестройку нескольких напряжений
на сетке и управляющих электродах. Отсюда выте-
кает необходимость в создании нового типа электрон-
ной пушки с сетками, которая бы давала хорошо кол-
лимированный пучок со значительной разницей в ве-
личине пространственного заряда При двух различных
уровнях мощности. Этим требованиям достаточно
хорошо удовлетворяет так называемая <тетродная
пушка», в которой работа в двух режимах обеспечи-
вается за счет изменения управляющих напряжений
на двух раздельных сетках. При,одном наборе напря-
жений на сетках получается пучок с малым током,
а другой набор напряжений дает пучок с большим
током, который хорошо фокусируется тем же магнит-
ным полем. Пример такой «тетродной пушки» показан
на фиг. 11, а — с, где также приведены графики изме-
нения относительных напряжений на двух управляю-
щих сетках для двух режимов и токов при работе
этой пушки в широкополосной ЛБВ со спиралью и
Периодической магнитной фокусировкой, имеющей
мощность несколько киловатт. Эта ЛБВ первоначально
была сконструирована для работы только в одном
импульсном режиме и предназначалась для систем
радиопротиводействия, действующих в полосе частот
от 2 до 4 GHz; минимальная выходная мощность со-
ставляла 1 kW.
Условия, показанные на фиг. 11, Ь, соответствуют
режиму большой мощности, в котором ток пучка не-
сколько превосходит 1200 mA и пучок хорошо кол-
лимирован. На фиг. 11, с напряжения оптимизирова-
ны для режима малой мощности, при котором тре-
буемый ток пучка составляет около 350 mA, причем
и в этом случае обеспечивается хорошее прохождение
пучка даже по стандартам одноцелевой пушки.
Хотя «тетродная пушка» и отличается высокими
характеристиками электронного пучка, это еще не
означает, что при этом ЛБВ обязательно будет иметь _________________.	_________________________
хорошие высокочастотные характеристики и что в обо-. возникновения генерации из-за наличия отражений,
их режимах она обеспечит необходимую выходную Поэтому нельзя произвольно увеличивать усиление
п«.. ---------------------------------------—..... в BbIXOflH0ft секции в одном режиме, с тем чтобы до-
биться приемлемого усиления в другом режиме, и
ное изменение пространственного заряда в спирали,
что вызывает значительное изменение параметров
взаимодействия. К счастью, эти изменения можно
учесть и добиться хороших характеристик в обоих
режимах, о чем свидетельствует фиг. 12.
В импульсном режиме, т. е. режиме большой мощ-
ности, выходная мощность ЛБВ превышает 1 kW в по-
лосе частот 2—4 GHz, при этом ток пучка составляет
1280 mA. В непрерывном режиме, т. е. режиме малой
мощности, выходная мощность в той же полосе частот
превышает 250 W. Кроме хороших характеристик
при обоих уровнях мощности, лАмпа отличается очень
широкой полосой частот. Обычно при переходе к не-
прерывному режиму широкополосность ЛБВ зна-
чительно снижается.
Следует отметить, что в данной лампе не удалось
добиться рекомендованного отношения уровней мощ-
ности 10: 1. Очевидно, технические приемы, исполь-
зованные при создании этой лампы, можно усовер-
шенствовать и за счет некоторого снижения электри-
ческих характеристик достичь отношения уровней,
мощности 10:1. Если ухудшение характеристик
оказывается значительным, то целесообразность обес-
печения такого высокого отношения будет для боль-
шинства систем весьма сомнительной. В рассмотрен-
ной ЛБВ использовалась спиральная замедляющая
система, однако аналогичные приемы применимы
также и к ЛБВ с замедляющей системой типа фильт-
ра, причем результаты, по-видимому, будут такими же.
И в этом случае вряд ли можно добиться рекомендуе-
мого отношения мощностей 10 : 1 без существенного
снижения КПД в режиме малой мощности. В режиме
малой мощности наиболее трудно оптимизировать
КПД из-за неблагоприятных условий взаимодействия
в выходной секции замедляющей структуры. Высокий
КПД обычно получается при максимально допусти-
мом усилении в выходной секции ЛБВ, так как при
слишком высоком усилении появляется опасность
необходимо выбирать некоторое компромиссное зна-
чение, при котором КПД в режиме малой модности
получается несколько заниженным.
ДРУГОЙ ВАРИАНТ ДВУХРЕЖИМНОЙ ЛБВ
Некоторого улучшения гибкости и рабочих ха-
рактеристик можно добиться, если вместо одной лампы
использовать две отдельные ЛБВ. При разработке
, выходной лампы стремятся к тому, чтобы она была
[ . «прозрачной» для высокой частоты, т. е. имела бы
при выключенном пучке минимально возможные по-
тери. При включении пучка, которое обычно осу-
ществляется с помощью управляющей сетки, лампа
обеспечивает усиление, несколько превышающее
10 dB; таким образом, выполняется рекомендуемое
отношение мощностей 10 : 1. Задающая лампа, как
правило, работает в непрерывном режиме. Ее выход-
ная мощность должна быть несколько выше, чем
в обычной системе, для компенсации потерь, вносимых
«прозрачным» усилителем. Однако в тщательно про-
- думанной схеме эти потери обычно удается снизить
до величины порядка 1 dB. Общий КПД такой цепной
' схемы можно сделать достаточно хорошим, однако
стоимость и сложность этой схемы из-за наличия До-
полнительной лампы оказываются выше, чем в пре-
дыдущем случае. Для того чтобы более полно оценить
- достоинства двухламповой конструкции, необходимо
рассмотреть рабочие требования, предъявляемые к
рассматриваемой системе.
ЛБВ С ЗАМЕДЛЯЮЩИМИ СТРУКТУРАМИ, СХОДНЫМИ
СО СПИРАЛЬЮ
При обычной конструкции ЛБВ для получения
мощных пучков, требуемых для обеспечения импульс-
ной ВЧ-мощности более 5 kW, ускоряющие напряже-
ния должны превышать 10 kV. Однако при напряже-
ниях пучка свыше 10 kV характеристики обычной
спирали как замедляющей структуры из-за свойст-
венного ей распределения электрического поля зна-
чительно ухудшаются. При создании замедляющих
структур для напряжений свыше 10 kV исследователи
ли двумя различными путями, причем оба оказались
успешными. Первый подход сводился к модификации
простой спиральной структуры путем добавления
второй спирали, идентичной первой, но намотанной
е обратным шагом. Дальнейшим развитием этой идеи
стала замедляющая структура из колец и полос. Эти
два типа замедляющих структур схематически изобра-
жены на фиг. 13.
Используя простые соображения, можно показать,
что фазовая скорость при этих двух типах замедляю-
щих структур значительно выше, чем при простой
спирали, что, естественно, позволяет получить син-
хронные напряжения пучка, значительно превы-
шающее 10 kv. Эго утверждение действительно верно
и подтверждается многими успешно действующими
ЛБВ с такой замедляющей структурой, которые име-
ют выходные мощности 5-—200 kw и работают на
частотах вплоть до /(„-диапазона. По своей конструк-
ции эти ЛБВ почти идентичны обычной ЛБВ со спи-
ралью. Высокочастотная структура этих ламп укреп-
лена на керамических стержнях внутри длинного
цилиндрического баллона. К сожалению, термостой-
кость такой замедляющей структуры мало отличается
от термостойкости простой спирали, поэтому предель-
ные значения средней мощности при заданных частоте
и габаритах в обоих случаях примерно одинаковы.
ЛБВ СО СВЯЗАННЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
Второй принцип построения замедляющих структур
для мощных ЛБВ нашел более широкое применение
благодаря многим явно выраженным преимуществам
и необычной гибкости. Созданные на его основе за-
медляющие структуры полностью отличаются от спи-
ральной как в отношении электрических характерис-
тик, так и в отношении механической конструкции.
Наиболее типичной из таких систем является замед-
ляющая структура для больших мощностей типа
фильтра, имеющая полосовую характеристику. Этот
тип замедляющей структуры с бегущей волной был
предложен еще в период появления самых первых
ЛБВ — в 40-х годах. В ее основу положен периоди-
ческий набор сосредоточенных LC-элементов, обра-
зующий структуру типа фильтра, по которой может
распространяться врлна. Методы синтеза таких схем
хорошо известны. При надлежащем выборе АС-эле-
ментов такая схема позволяет реализовать почти лю-
бую фазовую характеристику. При использовании
этого принципа наиболее сложным этапом является
практическое воплощение выбранных АС-элементов
в виде замедляющей структуры, которая должна
быть изготовлена и собрана в соответствии с принятой
технологией электровакуумных приборов. Первые
попытки решить эту задачу оказались безуспешными.
Их плодом стало несколько весьма интересных..музей-
ных экспонатов, на создание которых, вероятно,
были затрачены тысячи ч^ювеко-часов бесполезного
труда. Из-за сложности и отсутствия симметрии,
которые могли бы их сделать практически приемле-
мыми с точки зрения стоимости и гибкости, от них
пришлось отказаться. Но, вероятно, именно эти не-
удачи и заставили четко сформулировать реальные
Пели разработок и направить основные усилия на
путь, который привел к созданию хорошей универ-
сальной замедляющей структуры типа фильтра, удов-
------летворяющей поставленным требованиям. В резуль-
тате этих первых работ была изобретена и изготов-
лена замедляющая структура со связанными резона-
торами, которая Теперь стала основным составным
узлом весьма важного класса ЛБВ большой мощности.
Широта применения этой замедляющей структуры
19
является веским свидетельством присущих ей не-
оспоримых достоинств, которые перечислены ниже.
1. Отличные электрические характеристики в от-
ношении импеданса, ширины полосы и струК-
Ш>ы типов колебаний.
. остота конструкции; круговая симметрия,
упрощающая машинную обработку и сборку.
3. Коэффициент формы, идеально подходящий для
использования периодической магнитной фоку-
4. Высокая механическая и термическая проч-
s. Высокая универсальность; простота перестрой-
ки рабочей частоты, изменения мощности и
ширины полосы.
Универсальность замедляющей структуры со свя-
занными резонаторами подтверждается их широким
применением на частотах от L-диапазона до милли-
метровых волн, при этом их выходные мощности со-
ставляют от 1 до 500 kW. Из общего числа ЛБВ боль-
шой мощности количество ламп, в которых исполь-
зуется этот тип замедляющих структур, составляет,
вероятно, около 90%..
Использование термина «связанные резонаторы*
применительно к этим лампам объясняется порази-
тельным сходством отдельной ячейки замедляющей
структуры с объемным резонатором обычного клист-
рона. Разумеется, в случае клистрона связь отсутст-
вует, и поэтому каждый резонатор является полностью
замкнутой системой. В замедляющей же структуре
ЛБВ связь осуществляется через длинную щель
в стенке каждого резонатора (фиг. 14).
Эта щель обеспечивает сильную связь магнитной
компоненты поля в соседних резонаторах, причем
осуществляется это таким образом, что ширина полосы
пропускания структуры зависит в основном только
от одной этой переменной. Если размеры щелей,-или
отверстий связи, очень малы, полоса пропускания
получается весьма узкой. Когда же угол 0, стягивае-
мый щелью, несколько превышает 180°, полоса про-
пускания оказывается близкой к своему практиче-
скому пределу. Трубка дрейфа образуется централь-
ными (проходными) отверстиями в резонаторах, точно
так же как и в клистроне. Длина трубки определяется
требованиями к взаимодействию с пучком, однако при
разработке оптимальной конструкции при заданной
полосе частот длина зазора в резонаторе не является
критичным параметром. Для достижения требуемого
компромисса между тепловыми и электрическими ха-
рактеристиками ЛБВ все важнейшие размеры резо-
натора можно менять в довольно широких пределах
без нанесения серьезного ущерба качественным по-
казателям замедляющей структуры. Но после того
как конструкция готова, допуски на размеры замед-
ляющей структуры должны выдерживаться очень
точно. Каждая полусекция резонатора может изго-
товляться в виде тонкой пластинки, что очень удобно
при сборке и пайке. Отдельные детали являются почти
самозакрепляющимися, благодаря чему обеспечива-
ется высокая точность юстировки и расстояний между
резонаторами. Для жидкостного охлаждения замед-
ляющей структуры можно предусмотреть каналы по
периферии, так чтобы охлаждающая жидкость обте-
кала массивные медные стенки отдельных резонато-
ров. В случае исключительно больших тепловых на- j
грузок каналы для охлаждающей жидкости можно
проложить вокруг отрезков трубки дрейфа для не- <
посредственного поглощения тепла, выделяющегося
вследствие перехвата электронного пучка, однако при
этом технология изготовления структуры усложня-
С точки зрения потребителей наиболее важное-
преимущество замедляющей структуры со связанными
резонаторами, пожалуй, состоит в том,, что ее гео-
метрия весьма удобна для использования периодиче-
ской системы магнитной фокусировки, имеющей малый ,
вес. Эго особенно важно для многих самолетных сис-
тем, где из-за больших веса, размеров и потребляемой
мощности нельзя применять фокусирующий соленоид.
В этих случаях приходится отказываться от тех ЛБВ,
которые не допускают упрощения фокусирующей
системы за счет использования периодической маг-
На фиг. 15 показана комбинация фокусирующей .
системы и высокочастотной структуры, с помощью
которой обеспечивается проникновение магнитного
поля в электронный пучок. Стенки резонаторов изго-
товляются из очень чистого железа и затем покры-
ваются пленкой меди с целью уменьшения высокочас-
тотных потерь. По этим железным магнитопроводам
магнитное поле с очень малыми потерями поступает
в область, занимаемую электронным пучком. Если бы ]
замедляющая структура не имела такой геометрии,
то маловероятно, что для осуществления фокусировки 
в типичных мощных ЛБВ можно было бы использовать j
постоянные магниты из существующих магнитных
материалов. Электронные пучки в этих лампах обычно
имеют очень большую плотность, и для их фокусиров-
ки требуется сильное магнитное поле. Размеры тех
частей железных стенок резонаторов, которые высту-
пают за пределы вакуумного баллона, делаются до-
статочно большими, чтобы между ними можно было
разместить ббльшую часть фокусирующих магнитов.
Такая конструкция улучшает точность выравнивания
магнитного поля и, кроме того, придает достаточную
видно, что из-за наличия охлаждающих каналов кру-
говая симметрия несколько ухудшается. При ис-
пользовании железных полюсных наконечников ка-
налы для жидкостного охлаждения обычно рекомен-
дуется располагать в непосредственной близости от
стенок резонаторов, чтобы свести к минимуму перепад
температур между внутренними частями лампы и
внешней средой. Следует отметить, что по сравнению
деленные трудности для использования простых схем
охлаждения. В лампах с невысокой средней мощ-
ностью эти соображения не имеют существенного зна-
чения и в них можно обойтись менее сложными конст-
СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ МОЩНОСТЬЮ И ЧАСТОТОЙ
ДЛЯ ЛБВ СО СВЯЗАННЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
При обсуждении возможностей ЛБВ в отношении
мощности необходимо четко различать импульсную
деляются совершенно различными факторами. Сред-
няя мощность при заданной частоте почти всегда
ограничивается количеством тепла, которое способна
рассеять замедляющая структура. Вследствие не-
деальности фокусировки электронного пучка зна-
чительная доля мощности пучка перехватывается
высокочастотной структурой. В некоторой точке,
жоторую можно определить путем расчета, температура
замедляющей структуры приближается к температуре
плавления меди или — в случае ЛБВ с периодической
магнитной фокусировкой — к температуре Кюри для
железа. В обоих случаях появляется опасность раз-
входитея предельная средняя мощность для данного
прибора. Предельная импульсная ВЧ-мощность силь-
но зависит от напряжения, на которое рассчитана
значениям для мощных клистронов, что объясняется
идентичностью основных соотношений для обоих
приборов. Поскольку мощные клистроны были созда-
ускоряющее пучок. Полная
локаторов с выходной мощностью в несколько мега-
гдч К — первеанс электронной пушки.
В электронных пушках с хорошей оптикой для
сплошного пучка величина первеанса обычно не пре-
вышает 2 X 10"* (в системе МКС), причем в большинст-
ве существующих мощных ЛБВ величина первеанса
практически достижимых значений КПД определяет
величину импульсной ВЧ-мощности, которую может
обеспечить данный прибор. Вышеуказанные предель-
мощных ЛБВ обычно не превышают
не более 80 kV, несмотря на отсутствие принципиаль-
ных ограничений, препятствующих созданию ЛБВ
если в системе нужно использовать уже существующий
прибор, то предпочтение, вероятно, придется отдать
либо клистрону, либо усилителю со скрещенными
полями. Фиг. 16 и 17 дают представление о некоторых
типах ЛБВ; приведенные графики иллюстрируют
разницу между достижимыми уровнями импульсной
и средней мощности и между ЛБВ с периодической
магнитной фокусировкой и фокусировкой с исполь-
зованием соленоида.
Эти кривые следуют общей закономерности, опре-
деляемой соотношением
является прямым следствием того увеличения разме-
ров замедляющей структуры и импульсной мощности
пучка, которое сопутствует увеличению напряжения.
Замедляющая структура больших размеров способна
рассеять большее количество тепла, а повышение
мощности пучка дает возможность увеличить им-
пульсную ВЧ-мощность. Предел повышения импульс-
ной ВЧ-мощности определяется появлением разрядЬВ'
в волноводе и пробоев в области электронной пушки.
Как следует из приведенных здесь кривых, макси-
мальное ускоряющее напряжение достигает значения
65 kV, которое, однако, не является предельным —
оно характерно для большинства ЛБВ, применяемых
в реальных системах.
Кривая для непрерывного режима соответствует
напряжению 20 kV. Эго значение напряжения отра-
жает наиболее удачный компромисс между проблемами
изоляции в источнике питания и размерами замедляю-
щей структуры, при которых получаются приемлемые
тепловые нагрузки. Верхняя граница кривой соот-
ветствует обычным конструкциям и в случае необхо-
димости, например для специальных систем, требую-
щих повышенной средней мощности, может быть удвое-
на. В силу изложенных выше соображений произве-
дение мощности на частоту, как и прежде, считается
постоянным. Приведенная кривая не дает никакого
представления о широкополосности, хотя предельная
величина средней мощности и зависит от этого пара-
метра. В общем случае при очень большой ширине
полосы предельно достижимая средняя мощность
может снизиться почти на 50%.
ПРИМЕРЫ ЛБВ СО СВЯЗАННЫМИ РЕЗОНАТОРАМИ
Ниже приводится несколько специально отобран-
ных примеров наиболее совершенных ЛБВ, по ко-
торым конструкторы систем могут судить о качест-
венных показателях современных ЛБВ, применяемых
в системах. Это значит, что описываемые ЛБВ доста-
точно отработаны, выпускаются по крайней мере
опытными партиями и уже прошли проверку в рабо-
чих условиях. Это не обязательно приборы, оптимизи-
рованные по всем рабочим параметрам, а скорёе при-
меры ламп, которые применяются в существующих
системах и будут использоваться в системах ближай- -
шего будущего. Лампы описываются в порядке повы-
шения их рабочей частоты.
которое отличается от общеизвестной обратно квадра-
тичной зависимости мощности от частоты. Какое же
из этих двух правил верно? Они оба верны, но при их
использовании нужно соблюдать определенную осто-
рожность. Если какая-либо конкретная конструкция, ..................,_______________...__.._________
разработанная для одной полосы частот, берется за мой частью замедляющей структуры со связанными
основу при создании ламп для другой ограниченной —~------------- а.........* -----------------------
области частот и если термонагрузка на замедляющую
структуру должна быть сохранена неизменной, то
справедливо линейное соотношение. Обратно квадра-
тичная зависимость более применима в тех случаях,
когда от данного прибора стремятся получить пре-
дельные значения мощности и частоты путем оптими-
зации всеми существующими средствами его основных
параметров (плотности пучка, нагрузки на катод,
напряженности магнитного поля, напряжения и т. д.).
Следуем отметить, что с увеличением напряжения
предельные значения импульсной и средней мощности
тоже заметно возрастают. Эго изменение мощности
В ЛБВ, показанной на фиг. 18, система периоди-
ческой магнитной фокусировки является неотьемле-
резонаторами. Электронный пучок модулируется сиг-
налом управляющей сетки, которая экранизирована
«теневой сеткой», благодаря чему снижается перехват
пучка управляющей сеткой. Наличие сетки в пушке,
кроме того, дает возможность получать высокочастот-
ные импульсы сложной формы. Импульсная мощность
этой лампы при скважности 12,5 превышает 125 kW
составляет 50 dB (фиг. 19). Уровень средней мощности
' данной лампы является максимальным для ЛБВ этого
типа с периодической магнитной фокусировкой. Такого
уровня мощности удалось достигнуть благодаря ис-
пользованию очень хорошей по конструкции электрон-
|Ш
падения, при которой охлаждающая жидкость
ходит внутри полюсных наконечников вблизи
зков трубки дрейфа (фиг. 20).
ЛБВ С’-диапазона
На фиг. 21 показана ЛБВ, выбранная среди ламп
С-диапазона. Она имеет выходную мощность 8 kW и
рующий анод, что упрощает конструкцию источников


Частота. GHz
связи Земля — космос. Помимо вполне очевидного
требования о постоянстве выходной мощности рабочей
полосы частот, важнейшим требованием, определяе-
мым использованием этой лампы в линии связи, яв-
ляется обеспечение незначительных колебаний уси-
ления в режиме малого сигнала при изменении час-
в режиме малого сигнала в любой точке рабочей по-
лосы частот не должен превышать 0,05 dB/MHz. Как
видно из графика на фиг. 23, данная лампа удовлетво-
ряет этому требованию; однако ниже будет показано,
что существуют возможности для создания ламп,
значительно более совершенных в этом отношении.
Вторым важным требованием, предъявляемым к ком-
понентам систем связи Земля — космос, является
большая эксплуатационная долговечность. Один из
образцов описанных здесь ламп эксплуатировался
в течение нескольких лет; ниже приводятся весьма
внушительные данные, характеризующие долговеч-
ность этой лампы.
6183h
25 000 h
4947 h
19300h
Следует отметить, что самый короткий зарегистри-
рованный срок службы лампы при включенном высо-
ком напряжении составил 3000 п, причем отказ про-
изошел не вследствие выхода из строя катода, а из-за
коррозии, вызванной водой, которая использовалась
для охлаждения лампы. Максимальные сроки службы
были получены при использовании деионизованной
воды, а минимальные — при использовании обычной
водопроводной воды.
ЛБВ X-диапазона
Из ЛБВ, работающих в этом диапазоне частот, для
иллюстрации новых характеристик, имеющих важное
значение с точки зрения применений в определенных
системах, были отобраны три типа ламп.
Лампа № 1. Эта лампа показана на фиг. 24; она
имеет периодическую магнитную фокусировку и ра-
ботает в импульсном режиме, обеспечивая мощность
25 kW при скважности около 66 (фиг. 25). При разра-
ботке лампы особое внимание уделялось достижению
высокого КПД и снижению веса; в этом отношении
она имеет ряд весьма примечательных конструктивных
особенностей.
С целью уменьшения веса системы в лампе приме-
нено воздушное охлаждение; для охлаждения кол-
лектора используется радиальная (тепловая) трубка.
Детали лампы, в том числе и трубка для охлаждения
коллектора, показаны на фиг. 26.
Для осуществления рекуперации в коллекторе
(понижения потенциала) с целью повышения КПД
(фиг. 27) коллекторная трубка заполнена летучей
Частота, GHz

нения коэффициента усиления: 6,25 dB/4O MHz, 0,35 dB/
/125 MHz, 0,45 dB/500 MHz.
диэлектрической охлаждающей жидкостью. Пониже-
ние потенциала коллектора выгодно с точки зрения
упрощения конструкции источника питания, так как
при этом все сильноточные компоненты можно раз-
местить в нестабилизированном источнике питания i
более низкого напряжения.
Лампа № 2. Другая лампа X-диапазона, разрабо-
танная для систем связи, показана на фиг. 28. Лампа
работает в непрерывном режиме и обеспечивает мощ-
ность 6 kW при коэффициенте усиления 42 dB-; фоку-
сировка осуществляется с помощью соленоида. К при-
мечательным особенностям лампы относится очень
малый уровень искажений сигнала, что весьма су-
щественно при работе со многими несущими. Об уровне
30. Изменения усиления в режиме малого сигнала не
превышают 0,35 dB в полосе частот 40 MHz и 0,8 dB
во всем диапазоне частот (7,9—8,4 GHz), отведенном
для военных систем связи (фиг. 30). Как видно из
фиг. 31 и 32, нелинейность фазовой характеристики
в полосе 40 MHz находится в пределах ±3°.
Колебания усиления в режиме малого сигнала и
нелинейности фазовой характеристики обусловлены
главным образом обратной связью по ВЧ вследствие
рассогласования в замедляющей структуре ЛБВ.
По сравнению с обычными ЛБВ большой мощности
добиться существенного снижения искажений ука-
занных типов. КПД лампы благодаря работе с пони-
женным потенциалом коллектора превышает 30%.
Для жидкостного охлаждения лампы применяется
вода или смесь воды с этиленгликолем.
Лампа № 3. В этой лампе, которая показана на
фиг. 33, в качестве замедляющей структуры исполь-
зуются связанные резонаторы. Лампа разрабатыва-
лась для применения в широкополосных системах
радиопротиводействия. Лампа имеет следующие осо-
<теневую» сетку, жидкостное охлаждение и работает
в импульсном режиме со скважностью 50. Вследствие'
специфики применения наиболее важным параметром
лампы является рабочая полоса частот. Выходная
импульсная мощность лампы в полосе частот 8,0—
9,5 GHz составляет 20 kW и не менее 10 kW в полосе •
7,5-10,0 GHz.
ЛБВ Ка диапазона
В качестве примера ламп, работающих в этом диа-
пазоне частот, были выбраны две лампы: одна с очень
высокой (для ^.-диапазона) импульсной мощностью,
а другая с меньшей импульсной мощностью, но боль-
шей средней мощностью.

Лампа № 1. Общий вид этой ЛБВ показан на
фиг. 34. Лампа имеет магнитную периодическую фоку-
сировку, теневую сетку, жидкостное охлаждение и
работает в импульсном режиме со скважностью 100.
Она была разработана для совершенной самолетной
РЛС и имеет импульсную мощность порядка 200 kW
 диапазоне частот 16,0—16,5 GHz (фиг. 35).

Лампа № 2. Эта лампа Х.-диапазона выпускается
в двух вариантах (фиг. 36 и 37), использующих одну
н ту же ВЧ-структуру. Вариант лампы, показанный
на фиг. 36, имеет магнитную периодическую фокуси-
ровку, ее скважность не превышает 200, а в лампе,
показанной на фиг. 37, фокусировка осуществляется
с помощью соленоида, составляющего единое целое
с лампой. Второй вариант лампы был проверен при
'	С^ехуперацней	
111  1	
работе со скважностью 50 и теоретически может ра-
ботать со скважностью 10. Расчетная импульсная
мощность обеих ламп в диапазоне частот 16,0—
16,5 GHz должна составлять не менее 100 kW (фиг. 38),

причем их КПД (фиг. 39) очень высок (не менее 40%)
по сравнению с другими ЛБВ, работающими в этом
дипазоне частот. Обе лампы снабжены электронной
пушкой с теневой сеткой.
ЛБВ МИЛЛИМЕТРОВОГО
ДИАПАЗОНА
Интенсивная разработка мощных ЛБВ миллимет-
рового диапазона объясняется главным образом их
широким использованием в реальных системах, ра-
ботающих в этом диапазоне частот. Эти работы при- ;
вели к весьма значительным успехам, которые ил- 
люстрируются графиками на фиг. 40 и 41, на которых
показаны достигнутые уровни мощности как в непре-
рывном, так и в импульсном режимах. Нижние концы
вуют уровню, имевшему место в 1960 г., а верхние
концы отражают современный уровень. Приведенные
графики вовсе не означают, что современная техноло-
гия не. позволяет создать лампы, параметры которых
лежат за пределами очерченных областей,— просто
для таких приборов пока нет применений.
В ЛБВ миллиметрового диапазона обычно ис-
пользуют электронные пушки с малым значением
первеанса, которые создают несколько необычные
проблемы, связанные с удержанием «термоэлектронов».
По этой причине в ЛБВ миллиметрового диапазона
часто использовались тяжелые соленоиды. Однако
недавно была разработана магнитная периодическая
фокусирующая система, пригодная для ЛБВ милли-
метрового диапазона. Эта система рыла создана для
специальной установки, для которой потребовалась
ЛБВ малого веса, и своим появлением она обязана
разработке новых магнитных материалов, способных
работать при больших мощностях. Помимо проблем,
готовление ЛБВ миллиметрового диапазона ослож-.
няется точностью выдерживания весьма жестких до-
пусков на очень малые по размеру и хрупкие детали-
замедляющей структуры. Некоторое представление^
об этих трудностях дает фотография на фиг. 42, на j
которой показаны один элемент замедляющей струк-
туры, выполненный из бескислородной меди с высокой,
электропроводностью, и головка обычной булавки./
По этой фотографии можно судить, насколько малы !
элементы замедляющей структуры и насколько слож-.
на сборка такой структуры.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЛБВ
В период, когда происходило совершенствование ;
первых ЛБВ в отношении их ширины полосы, коэф- 
фициента усиления и коэффициента шума, большин-
ство этих ламп считалось малоэффективными усили-
телями по сравнению с более обычными СВЧ-прибора-
ми, такими, как клистроны и магнетроны. Промышлен- ;
ность не спешила менять эту точку зрения, полагая. ;
что низкий КПД этих ламп обусловлен физическими 
ограничениями процесса передачи энергии от элект-
ронного пучка к ВЧ-волне. Действительно, КПД боль-
шинства действующих ЛБВ практически не превышал
10%, тогда как клистроны при сравнимых частотах '•
и уровнях мощности обеспечивали в тот же период
времени КПД преобразования более 30%. Предпола-
галось, что весьма скромный КПД является платой
за большую широкополосность. Длительное время
ушло на то, чтобы отыскать те ключевые параметры,
за счет тщательного подбора которых удалось суще-
ственно повысить КПД. Этому в значительной мере
способствовало улучшение управления траекторией
электронного пучка, поскольку повышение КПД,дости-
гнутое за счет понижения потенциала коллектора,
оказалось весьма обнадеживающим. Повысилась точ-
ность экспериментов, а результаты стали настолько
предсказуемыми, что оказалась возможной количест-
венная оценка теоретических выводов. Появилось
много теорий, от которых, вероятно, следовало ожи-
дать одинаковых результатов, поскольку все они бази-
Кались на одних и тех же физических принципах.
। не менее расхождения оказались весьма значи-
тельными, что главным образом объяснялось плохой
воспроизводимостью экспериментальных данных.
В последние несколько лет эти расхождения удалось
устранить и добиться существенного повышения КПД.
Несколько раз был превышен 50%-ный барьер для
КПД, подобно преодолению четырехминутного рубежа
в беге на одну милю, долгое время считавшегося пре-
делом физиологических возможностей человека.
' Имеется два основных способа повышения КПД
в усилителе на ЛБВ. Первый способ состоит в пони-
жении потенциала коллектора (рекуперация) или по-
следовательности коллекторов до величины, меньшей
нотенциала замедляющей структуры, что дает воз-
можность вернуть часть неиспользованной энергии
отработавшего электронного пучка. Такой коллектор
должен иметь тщательно продуманную оптическую
конструкцию, чтобы избыточная часть пучка не возв-
ращалась обратно в пространство взаимодействия и
не «оседала» на замедляющей структуре. Оптика такой
системы весьма сложна и определяется не только гео-
метрией сегментов коллектора, но также глубиной
ВЧ-модуляции, магнитным полем, фокусирующим пу-
чок, и разностью потенциалов между структурой и
всеми сегментами коллектора. Главное достоинство
такого коллектора в отношении повышения общего
КПД состоит в том, что вносимые в коллектор изме-
нения не оказывают влияния на ВЧ-структуру ЛБВ,
т. е. его можно разрабатывать независимо. В этом слу-
чае, разумеется, требуется соответствующий источ-
ник питания, позволяющий реализовать преимуще-
ства рекуперации энергии при понижении потенциала
сегментов коллектора.
Второй способ повышения КПД иногда называется
коррекцией синхронизации скорости. Хорошо изве-
стно, что электронный пучок, отдавая свою энергию
усиливаемой ВЧ-волне, замедляется. В результате
этого синхронизм между ВЧ-волной и электронным
пучком постепенно нарушается, причем волна начи-
нает значительно опережать пучок. Когда это проис-
ходит, электронные сгустки выходят из фазы, благо-
приятной для передачи энергии бегущей волне, и
процесс усиления прекращается, прежде чем будет
.постигнут максимальный уровень сигнала. Внешне это
выражается просто в снижении измеренного КПД по
сравнению с тем, который должна была дать лампа.
Именно из-за неудачно подобранных условий в прост-
ранстве взаимодействия лампы первые модели ЛБВ
почти всегда давали малые КПД.
Самый простой способ компенсации нарушения
синхронизма между пучком и волной сводится к уве-
личению рабочего напряжения. К сожалению, повы-
шение рабочего напряжения сопровождается ухуд-
шением процесса усиления в области малого сигнала
(вблизи входа), что в свою очередь приводит к ухуд-
шению линейности амплитудной характеристики. На
первый взгляд может показаться, что эту задачу мо-
жно легко решить, сделав скорость ВЧ-волны на вход-
ном участке структуры отличной от скорости на вы-
ходном участке, с тем чтобы обеспечить синхронизм
по всей длине структуры. Этот простой принцип при-
вел к созданию замедляющей структуры с изменяе-
мой по длине фазовой скоростью. Такая структура
очень часто используется в современных ЛБВ. Законы
щей структуры могут быть самыми различными. Оп-
ределить приемлемую конфигурацию можно лишь по-
средством моделирования на большой ЭВМ процесса
нелинейного взаимодействия между потоком сильно
сгруппированных электронов и нарастающей электро-
магнитной волной, распространяющейся вдоль струк-
туры. При этом любая конкретная конфигурация
находится в результате многократно пересматрива-
емого компромиссного выбора между большим числом
различных параметров и факторов. Некоторые каче-
ственные показатели определяются второстепенными
эффектами, которые настолько малы, что с трудом
поддаются количественной оценке, но в совокупности
оказывают заметное влияние. Относительно же того,
что следует считать оптимальным решением, специа-
листами до сих пор высказываются самые различные
мнения. Разумеется, определенная степень разногла-
сия всегда будет иметь место в силу зависимости же-
лаемых характеристик лампы от требований потре-
бителя, касающихся сложности конструкции и кри-
тичности к настройке. Еще более важным показателем
является требуемая ширина полосы, если учесть, что
в системах радиопротиводействия ширина полосы обы-
чно составляет не менее октавы. В пределах такой ши-
рокой полосы частот основные электрические пара-
метры лампы, величина которых пропорциональна
длине волны, изменяются более чем в два раза. Поэ-
тому не удивительно, что поддерживать оптимальные
условия для изменения фазовой скорости в пределах
пространства взаимодействия практически невозможно.
Несмотря на это, в последнее время удалось добиться
такого существенного повышения КПД для лаМп,
применяемых в усилителях мощности систем радио-
противодействия, что некоторые могут усомниться в
трудности оптимизации всех параметров ЛБВ с из-
меняемой по длине фазовой скоростью. На фиг.43
показан график изменения КПД в пределах полосы
частот для ЛБВ со спиралью, имеющей мощность не-
которая была разработана для систем радиопротиво-
действия. Обратите внимание, что ее КПД в пределах
полосы в 1,5 октавы превышает 45%.
Пример характеристики ЛБВ с замедляющей струк-
турой в виде связанных резонаторов, получаемой при
изменении фазовой скорости и по определенному за-
кону, обеспечивающему синхронизацию, показан на
фиг. 44. Как видно из графика, в пределах всей рабо-
чей полосы частот КПД превышает 50%. В этой лампе
применен частный способ восстановления синхрони-
зации (изменения фазовой скорости) с помощью так
называемого «скачка напряжения», когда за счет по-
вышения рабочего напряжения происходит ускорение
пучка вблизи выходной секции замедляющей струк-
туры. Хотя этот метод принципиально прост, его тех-
29
рабочими напряжениями весьма затруднена. Необ-
ходимое повышение напряжения на выходном участке
структуры рассматриваемой ЛБВ составило 8 kV. Для
этого требуется очень хорошая изоляция, не иска-
жающая характеристик распространения волны по
структуре. В ЛБВ со спиралью, где замедляющая
структура представляет собой непрерывный прово-
лочный проводник, создать скачки напряжения очень
трудно из-за ВЧ-отражений, которые возникают в
местах разрыва. В ЛБВ со связанными резонаторами
ются, что создает трудности при изоляции. На фиг. |
45 дано схематическое изображение сечения замедляю- ]
щей структуры ЛБВ, дающее представление о том, ]
как осуществляется изоляция при создании скачка 1
напряжения.	4
Хотя на этой фигуре масштаб не выдержан, отно- 3
сительные размеры наиболее важных элементов лампы 1
отражены достаточно точно. Изолирующий элемент ?
представляет-собой тонкое керамическое кольцо, ко- ’
торое не должно ослаблять бегущую ВЧ-волну и в !
то же время должно выдерживать 8 kV. На внешней |
стороне корпуса лампы следует предусмотреть охлаж- 
дение диэлектрической жидкостью или же какой- '
либо другой эквивалентный способ охлаждения, обе- =
спечивающий сохранение изоляции секции с повышен-
ным напряжением. Конфигурация, показанная на фиг. ]
45, была создана в результате многократного пере- 1
смотра различных вариантов конструкций, параметры j
которых вычислялись с помощью большой ЭВМ. Эта
нии, она просто представляет собой конструкцию, в »
которой удалось достигнуть теоретически предельных , |
значений определенных параметров для данной конк- 11
ретной структуры. На фиг. 45 не показан прецизион- 1
ный соленоид, расположенный непосредственно по *
периферии резонаторов и обеспечивающий необходим 3
мое магнитное фокусирующее поле. Он, очевидно. J
также должен быть изолирован от секции с повышен- j
ным напряжением, что еще больше усложняет конст- •;
рукцию лампы в целом. Если бы этот метод не допу- •
скал существенных улучшений, то от него пришлось i
бы отказаться и воспользоваться более простыми !
способами поддержания синхронизма в структуре. '
ВВЕДЕНИЕ ГАРМОНИКИ	i
Другой метод повышения КПД, имеющий довольно ]
важное практическое значение, не предусматривает .
каких-либо модификаций внутренних деталей ЛБВ. j
Его обычно называют методом «введения гармоники», j
поскольку он основан на изменении относительного j
уровня второй гармоники во входном ВЧ-сигнале. .
Сплошная часть кривой на фиг. 43 дает представление ;
о повышении КПД, достигаемом с помощью данного
метода. Это явление было открыто совсем недавно, '
когда обнаружилось, что неблагоприятные соотноше-
ния амплитуды и фазы второй гармоники на входе лампы могут привести к существенному снижению мощности выходного сигнала на основной частоте. С другой стороны, при правильном выборе амплитуды второй гармоники и соответствующей ее фазировке мощность выходного сигнала на основной частоте воз- растает, а сама вторая гармоника на выходе усилителя подавляется. Другими словами, в лампе происходит процесс подавления, т. е. вводимая вторая гармоника находится в противофазе относительно второй гармо- ники, которая появляется вследствие нелинейностей, свойственных механизму взаимодействия в замедля- ющей структуре. Путем тщательной разработки вход- ной цепи можно добиться приемлемой инвариантности процесса подавления в достаточно широкой полосе частот. Этот метод дает ощутимое улучшение только на низкочастотном краю полосы лампы, поскольку вторая гармоника для этих частот еще попадает в по- лосу усиления ЛБВ. На частотах же, превышающих среднюю частоту полосы пропускания, усиление вто- рой гармоники сигнала становится незначительным , следовательно, данный метод повышения КПД ока- зывается малоэ<}>фективным. Для получения требуе- мых амплитудных и фазовых соотношений первой и второй гармоник на входе лампы можно использо- вать простую схему, состоящую из фазовращателя и СВЧ-диода( преобразующих «чистый» входной сиг- вал в сигнал с существенным содержанием второй гар- моники. Если входной сигнал приводит к перегрузке ЛБВ (т. е. вводит ее в режим сильного насыщения), то это, вероятнее всего, вызвано слишком большим начальным уровнем второй гармоники и неправильной фазой. Такие сигналы очень трудно компенсировать, так как настройка обычно весьма критична к измене- ниям уровня входного сигнала.	мере того, как более совершенные системы будут за- менять устаревшее оборудование. Можно с уверен- ностью утверждать, что те фирмы, которые не зани- маются сейчас интенсивным усовершенствованием вы- пускаемых ими ЛБВ, в будущем не смогут сохранить теперешний объем продаж. Нёсмотря на применение ЛБВ в системах с фазированными решетками, они всегда будут оставаться сложными изготовляемыми на заказ приборами, причем большая часть выпускае- мых ЛБВ будет использоваться в сложных системах военного назначения. Как и прежде, весьма важное место в этой области техники будет занимать разра- ботка новых приборов. Лампы с малой мощностью будут испытывать все возрастающую конкуренцию со стороны твердотельных приборов. В связи с появлением магнитных материалов на основе редкоземельных металлов, таких, как самарий- кобальтовые, магнитные периодические фокусирую- щие системы вскоре будут применяться в большинстве ЛБВ с малым и средним уровнем мощности, а соле- ноиды будут использоваться для фокусировки только в тех случаях, где это действительно необходимо, например в ЛБВ X-диапазона, обеспечивающей в не- прерывном режиме мощность 10 kW. Больше внимания будет уделяться повышению пригодности ЛБВ для современного самолетного оборудования, требующего компактности и способности работать при высоких температурах. Более широкое применение в качестве эффективного метода поглощения больших количеств тепла при весьма ограниченном пространстве найдут трубки, обеспечивающие охлаждение за счет испаре- ния охлаждающего вещества. Особое значение в дальнейшем будет придаваться повышению долговечности и надежности ламп. В настоящее время эти два показателя ЛБВ являются менее чем удовлетворительными, однако это не свя- зано с какими-либо принципиальными ограничениями.
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ	Как и для любого другого параметра, для повышения
В настоящее время ЛБВ представляют собой хо- рошо отработанные приборы, выпускаемые достато- чно зрелой отраслью промышленности и имеющие устойчивый рынок сбыта. Здесь не следует ожидать каких-либо существенных и частых изменений рабо- чих характеристик прибора. Тем не менее можно пред- сказать непрерывное и значительное улучшение на- лежности, универсальности и снижения стоимости ламп, применяемых во многих интенсивно разраба- тываемых системах. Уместно отметить, что предель- ные возможности ЛБВ в отношении их ширины по- лосы, выходной мощности, КПД, габаритов и вер- ности воспроизведения сигнала еще недостаточно полно используются в современных системах. Лишь в не- многих отдельно взятых областях применения, таких, как спутники связи, степень использования ЛБВ при- ближается к пределу их возможностей. Со временем положение, несомненно, улучшится, когда от систем будут требовать более высоких качественных показа- телей без увеличения их габаритов и сложности. В обозримом будущем вряд ли можно ожидать появле- ния новых классов ЛБВ, однако непрерывные поиски  работы по повышению КПД и мощности могут выз- вать заметное оживление в промышленности. Как уже указывалось, общий объем выпуска ЛБВ, вероятно, сохранится на уровне, близком к 80 млн. «алл., однако процентное соотношение различных типов приборов почти наверняка будет меняться по	надежности требуются определенные денежные и вре- менные затраты. Чем выше надежность, тем выше стои- мость. Однако если учитывать стоимость системы в целом и срок ее службы, то экономия за счет'увели- чения долговечности ламп в конечном счете может оказаться весьма внушительной. Действительных ус- пехов в этом отношении можно добиться не изданием предписаний и составлением технических заданий, а путем разумного и искусного выбора конструкции лампы. Именно высокой стоимости ЛБВ, как никакому другому вопросу, уделяется в последнее время все большее внимание. Однако до тех пор, пока не поя- вится необходимость в массовом производстве ЛБВ, вряд ли можно ожидать какого-либо существенного снижения их стоимости. Без массового производства не существует никакого другого пути реализации экономии за счет низкой стоимости при массовом про- изводстве. Никакие усилия, направленные на поиск новых материалов, новых методов сборки и методов обработки, не будут вознаграждены значительным снижением стоимости ЛБВ, если они не являются не- отъемлемой частью усилий, направленных на увели- чение производства. 31