Лампа бегущей волны: как это работает

Фото: НПП «Алмаз» Со времени изобретения СВЧ-усилительного прибора лампы бегущей волны (ЛБВ) прошло 75 лет. За эти годы она стала одним из самых распространенных СВЧ-приборов и легла в основу десятков новых изобретений. У нас в стране первая лампа бегущей волны была создана в 1951 году специалистами фрязинского НПП «Исток». Сегодня в России в сфере производства ЛБВ лидирует холдинг «Росэлектроника». Входящее в его состав АО «НПП «Алмаз» совсем недавно представило свою новинку – первую российскую бортовую лампу бегущей волны с охлаждением за счет излучения в открытый космос. Эта разработка сделает спутники связи значительно легче и надежнее. О том, как появилось на свет это изделие, на чем основаны принципы его работы, а также о сферах его применения – в нашем материале. Техника сверхвысоких частот: от военной радиолокации до Wi-Fi Техника сверхвысоких частот (СВЧ) – область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от 300 Мгц до 300 Ггц. Это частотный диапазон электромагнитного излучения еще называется микроволновым диапазоном, так как длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, составляющими несколько сотен метров. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство передачи информации, основываясь на тех же принципах. Благодаря более высоким частотам появляется возможность передачи огромных информационных объемов. Например, один СВЧ-канал может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров. Дециметровый и сантиметровый диапазоны являлись предметом научного интереса до начала Второй мировой войны, когда возникла необходимость в новом и эффективном электронном средстве раннего обнаружения. Начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации. Сходство свойств СВЧ-излучения со световыми лучами и высокая плотность переносимой информации оказались очень полезны не только для радиолокационной техники, но и позже нашли свое применение в других областях. В СВЧ-диапазоне достаточно быстро развиваются телекоммуникации. Сегодня это всеми любимый Wi-Fi, спутниковое телевидение, спутниковая телефония СВЧ-электроника находит все более широкое применение в связи с развитием таких направлений, как интернет вещей, интеллектуальные производства, системы связи для беспилотников и многое другое. Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Один из последних проектов в этой сфере – обсерватория «Миллиметрон» для исследования различных объектов Вселенной в миллиметровом и инфракрасном диапазонах на длинах волн от 0,02 до 17 мм. СВЧ-усилитель для этой космической обсерватории – лампу бегущей волны (ЛБВ) – создает НПП «Алмаз» (входит в «Росэлектронику» Госкорпорации Ростех). Уже испытаны первые экспериментальные образцы, которые позволяют усилить мощность радиосигналов в сотни тысяч раз: разместить обсерваторию планируется на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Развитие техники сверхвысоких частот стало возможным благодаря появлению специальных электровакуумных приборов для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона. К ним относится не только вышеупомянутая лампа бегущей волны, но и другие мощные электровакуумные приборы, такие как клистроны, магнетроны. К примеру, магнетрон можно найти практически в любом доме. Каждая микроволновая печь содержит магнетрон мощностью около 800 Вт, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электрическое поле частотой 2,45 ГГц. Кстати, выпуск первых в мире СВЧ-печей начался в 1947 году, всего четыре года спустя была придумана лампа бегущей волны. ЛБВ, хоть и не применяются в микроволновых печах, стали одними из самых распространенных вакуумных СВЧ-приборов. Они широко используются в различной радиоэлектронной аппаратуре: радиолокации, связи, системах радио-противодействия. Лампа с бегущей волной: устройство и принцип действия С момента изобретения лампы бегущей волны прошло уже более 75 лет. С тех пор ее конструкция практически не изменилась. Но, несмотря на кажущуюся простоту, все основные части ЛБВ являются достаточно сложными устройствами, усовершенствование которых длится до сих пор. В мире всего лишь в некоторых странах разрабатывают и выпускают ЛБВ. Кроме предприятий в России, это компании из нескольких европейских стран, а также США, Японии, Индии, Китая и Южной Кореи. Итак, начнем с определения. Лампа бегущей волны – вакуумный электронный прибор, в котором в результате длительного взаимодействия движущихся электронов с полем бегущей электромагнитной волны происходит усиление этой волны. От полупроводниковых и газоразрядных приборов лампу отличает наличие в ней вакуума. ЛБВ представляет собой вакуумную трубку, вставленную в фокусирующую магнитную систему. Так как лампа работает с электронами, нужен катод – электрод, из которого извлекаются электроны. Соблюдая закон сохранения заряда, извлеченные электроны нужно вернуть, для чего потребуется анод – электрод, который притягивает к себе летящие электроны, испущенные катодом. Итак, поток электронов, сфокусированный в узкий луч, движется к коллектору. Для окончательной фокусировки луча используется магнитное поле катушки. В качестве замедляющей системы в усилительных ЛБВ чаще всего используется спираль. Электронный луч проходит вдоль оси спирали, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне. Вначале это кажется нереальным: ведь волна бежит со скоростью света, а электроны движутся почти в десять раз медленнее. Но поскольку СВЧ-сигнал идет по спирали, он достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию. На выходе лампы амплитуда волны намного превышает амплитуду сигнала на входе. Этот процесс образно и весьма интересно в своей статье описал российский физик Леонид Ашкинази: «Представьте себе, что лифт движется чуть быстрее человека и из него подталкивают бегущего по винтовой лестнице человека – быстрее, быстрее! Согласно третьему закону Ньютона, на лифт будет действовать сила, направленная против движения, он будет тормозиться и отдавать свою энергию человеку, бегущему по лестнице. В итоге их скорости уравняются. Не обвивайся лестница вокруг шахты лифта, ничего бы не получилось – человек движется по прямой лестнице быстрее лифта. А если она обвивается, длина ее увеличивается. Можно подобрать угол наклона витков спирали («лестницы») и скорость электронов («лифта») так, чтобы электромагнитная волна, бегущая по спирали, имела ту же скорость перемещения вдоль оси спирали, что и электроны». Как появилась ЛБВ: создана архитектором, а не физиком Синхронизировать бегущую волну с электронами в лампе со спиралью впервые смог австрийский архитектор Рудольф Компфнер в конце 1943 года в лаборатории СВЧ-приборов Бирмингемского университета. Он и считается автором лампы бегущей волны – по-английски Traveling-Wave Tube (TWT). Невероятно, но Компфнер действительно был архитектором по образованию. Эмигрировав в Англию в конце 1930-х, он продолжил работу архитектором в Лондоне. Но в 1939 году началась Вторая мировая война, и он, как подданный Германии, оказался на острове Мэн вместе с другими выходцами из «враждебных» государств. Компфнер еще в юности очень увлекался физикой, поэтому на острове Мэн только обрадовался возможности оказаться рядом с находившимися здесь профессорами физики. Подкрепив свои знания, в 1940 году ему удается устроиться на факультет физики Бирмингемского университета, где разрабатывались приборы для радаров. Фото 1946 г. Слева направо: будущий теоретик ЛБВ Джорж Пирс, изобретатель Рудольф Компфнер и теоретик шумов Гарри Найквист. На доске – спираль ЛБВ и пучок электронов внутри нее. Ниже – конструкция катода, из которого выходит поток электронов. Выше катода – формула шумов Найквиста РЛС активно совершенствовались: на фоне постоянных бомбежек немецких самолетов инженеры искали способ увеличения дальности радиолокаторов. Изобретенная тогда конструкция многорезонаторного импульсного магнетрона для передатчиков радаров не справлялась с задачей. Спасти положение могло бы увеличение чувствительности приемной станции. Но для этого нужен был малошумящий усилитель СВЧ, а его не было. Усилительный (прямопролетный) клистрон с входным и выходным резонатором тоже не помог. Руди Компфнер, как архитектор, предложил полностью изменить конструкцию электровакуумного прибора. Вместо входного резонатора электромагнитная волна должна бежать по проволочной цилиндрической спирали и взаимодействовать с пучком электронов, летящих внутри длинной спирали. Считалось, что если волна будет долгое время взаимодействовать с пучком, то снизится и доля электронного шума в сигнале. Чтобы удержать электроны внутри длинной спирали, необходимо магнитное поле соленоида. Так лампа бегущей волны обрела свой привычный вид. Интересен тот факт, что позже ученые поняли ‒ причиной снижение коэффициента шума, которого так добивался Компфнер, была не спираль, а фокусировка магнитным полем, которое стабилизирует «метанье» электронов. На протяжении всех последующих десятилетий ЛБВ постоянно совершенствовалась, работы в этой сфере велись непрерывно, в том числе и советскими учеными. Первые лампы бегущей волны были разработаны специалистами фрязинского НИИ-160, ныне это НПП «Исток», входящее в холдинг «Росэлектроника». У самого «Истока»: где разработали первую отечественную ЛБВ В конце 1940-х за рубежом и у нас в стране появились первые публикации на тему ЛБВ. Статей по теории было много, но на практике даже сами авторы не до конца понимали, как создать конструкцию реально работающей ЛБВ. На «Истоке» была поставлена задача на правительственном уровне ‒ разработать первый отечественный промышленный образец ЛБВ. В том же 1951 году прибор был принят госкомиссией, а с 1952 года начался серийный выпуск первой отечественной лампы бегущей волны УВ-1. По своему основному параметру – коэффициенту шума – она не имела себе равных за рубежом. Только в 1953 году появились сообщения о создании в США лампы с такими же параметрами, как УВ-1, на тот момент уже выпускаемой серийно. Впервые усилитель УВ-1 был применен в радиолокационном комплексе Б-200, что позволило намного улучшить характеристики комплекса: повысилась дальность действия, резко возросла устойчивость приемного канала. За несколько лет УВ-1 вошла практически во все новые локационные станции. К 1965 году этот прибор использовался уже в 11 радиолокационных станциях, а выпуск его составлял 11,5 тысяч штук в год. Началась эпоха непрерывного улучшения параметров ламп бегущей волны: расширялись полосы ее рабочих частот, снижался вес, увеличивалась надежность и долговечность. Космические старты: ЛБВ для спутников связи и исследований Марса Одним из основных компонентов спутника связи являются передатчики именно на лампах бегущей волны. В 1960-е годы началась разработка малошумящих ЛБВ для спутниковых систем связи. Эти ЛБВ успешно работали на первых отечественных спутниках «Молния» и «Горизонт». Началось создание наземной системы «Орбита», которая к 1967 году позволила охватить аудиторию телезрителей до 30 миллионов человек. Разработанные на «Истоке» ЛБВ использовались и в передатчиках спутников-исследователей Венеры и Марса, а также в других направлениях освоения космоса. Сегодня вокруг Земли вращаются спутники связи с десятками фрязинских ЛБВ. Сверхчастотные приборы за десятилетия космической эпохи доказали свою сверхвысокую надежность. Но новые космические старты впереди – сегодня «Росэлектроника» продолжает традиции. Холдинг представил на МАКС-2019 первую российскую бортовую лампу бегущей волны с охлаждением за счет инфракрасного излучения в открытый космос. Разработка позволяет снизить тепловую нагрузку на систему обеспечения терморегуляции космического аппарата более чем в два раза, что, в свою очередь, увеличивает стабильность работы спутника. Лампа бегущей волны УВ-А2014, разработанная «Росэлектроникой», может использоваться как в гражданских, так и в специальных спутниках связи. Ее выходная мощность составляет до 130 Вт, а коэффициент усиления – 50 дБ. Новинка позволит отказаться от импортных ЛБВ, в настоящее время все еще используемых в российских космических аппаратах. Оригинальные идеи наших ученых, исследователей и конструкторов, которые уже на протяжении семи десятилетий ведут непрерывную работу в этой сфере, создавая конкуренцию ведущим мировым производителям.