Введение

Осциллятор обратной волны (BWO), также называемый карцинотроном или трубкой обратной волны, представляет собой вакуумную трубку, используемую для генерации микроволн вплоть до терагерцового диапазона. Принадлежа к семейству трубок бегущей волны, это осциллятор с широким электронным диапазоном настройки. Электронная пушка генерирует электронный луч, который взаимодействует с системой замедления волны. Он поддерживает колебания, распространяя бегущую волну в обратном направлении относительно луча. Групповая скорость генерируемой электромагнитной волны направлена противоположно направлению движения электронов. Выходная мощность снимается вблизи электронной пушки. Существует два основных подтипа: тип M (M BWO) – наиболее мощный, и тип O (O BWO). Выходная мощность типа O обычно составляет от 1 мВт при 1000 ГГц до 50 мВт при 200 ГГц. Карцинотроны используются как мощные и стабильные источники микроволнового излучения. Благодаря хорошему качеству формируемого волнового фронта (см. ниже), они применяются в качестве осветителей в терагерцовой визуализации. Осцилляторы обратной волны были продемонстрированы в 1951 году: тип M – Бернардом Эпштейном, а тип O – Рудольфом Компфнером. BWO типа M представляет собой нерезонансную экстраполяцию взаимодействия магнитрона, управляемую напряжением. Оба типа могут настраиваться в широком диапазоне частот путем изменения ускоряющего напряжения. Они могут быстро перекрывать полосу, создавая впечатление одновременного излучения во всей полосе, что делает их пригодными для эффективного подавления радиолокационных сигналов, быстро настраиваясь на частоту радара. Карцинотроны позволили создать высокоэффективные системы радиолокационного подавления, устанавливаемые на летательных аппаратах. Однако частотно-гибкие радары могут быстро переключать частоты, вынуждая систему подавления использовать помехи по фронту, рассеивая выходную мощность по широкой полосе и значительно снижая ее эффективность. Карцинотроны используются в исследовательских, гражданских и военных приложениях. Например, в чехословацких системах пассивного обнаружения Kopac и Ramona в приемных устройствах использовались карцинотроны.

Основная концепция

Диаграмма, иллюстрирующая основной принцип работы осциллятора обратной волны. Концептуальная схема. Сигналы распространяются от входа к выходу, как описано в тексте на изображении.

BWO

BWO построен по принципу, аналогичному спиральному TWT. Однако, в отличие от TWT, где радиочастотный сигнал распространяется в том же (или близком) направлении, что и электронный луч, исходный сигнал в BWO распространяется перпендикулярно лучу. Обычно это реализуется путем сверления отверстия в прямоугольном волноводе и пропускания через него электронного луча. Затем волновод совершает два поворота на 90 градусов, образуя форму буквы "С" и пересекая луч повторно. Эта базовая схема повторяется вдоль всей длины трубки, так что волновод пересекает луч несколько раз, формируя последовательность S-образных изгибов. Исходный радиочастотный сигнал подается с того конца, где в TWT обычно извлекается энергия. Воздействие сигнала на проходящий луч вызывает тот же эффект модуляции скорости, но из-за направления радиочастотного сигнала и конструкции волновода, эта модуляция распространяется в обратном направлении вдоль луча, а не вперед. Эта волна замедления достигает следующего отверстия в изогнутом волноводе одновременно с той же фазой радиочастотного сигнала, что и вызывает усиление, подобно традиционному TWT. Изменяя напряжение питания, устройство могло генерировать любую необходимую частоту в диапазоне, значительно превосходящем возможности существующих микроволновых усилителей. В отличие от резонаторного магнетрона, работающего на одной частоте, определяемой физическими размерами его резонаторов, и клистрона, эффективно усиливающего внешний сигнал лишь в узком диапазоне частот, BWO обладал гораздо более широкой полосой пропускания.

BWO типа M

Карцинотроны типа М, или осцилляторы обратной волны типа М, используют перекрестное статическое электрическое поле E и магнитное поле B, аналогично магнитрону, для фокусировки электронного луча в виде плоскости, дрейфующего перпендикулярно полям E и B вдоль медленной волновой цепи со скоростью E/B. Сильное взаимодействие возникает, когда фазовая скорость одной пространственной гармоники волны становится равной скорости электронов. В процессе взаимодействия участвуют как компоненты Ez, так и компоненты Ey высокочастотного поля (Ey параллельна статическому полю E). Электроны, попадающие в замедляющее электрическое поле Ez медленной волны, теряют потенциальную энергию, запасенную в статическом электрическом поле E, и достигают цепи. Единственный электрод поддерживается более отрицательным потенциалом, чем катод, чтобы предотвратить сбор электронов, которые приобрели энергию при взаимодействии с пространственной гармоникой медленной волны.

BWO типа O

Карцинотрон типа О, или генератор обратной волны типа О, использует электронный луч, продольно сфокусированный магнитным полем, и цепь медленных волн, взаимодействующую с лучом. Коллектор собирает луч в конце трубки.

Спектровая чистота и шум O-BWO

BWO – это осциллятор, частота которого настраивается напряжением, причём скорость этой настройки напрямую связана с характеристиками распространения сигнала в схеме. Генерация начинается на частоте, при которой волна, распространяющаяся в схеме, синхронизирована с медленной волновой волной заряда пучка. По своей природе BWO более чувствителен к внешним возмущениям, чем другие осцилляторы. Тем не менее, продемонстрирована возможность его фазовой или частотной синхронизации, что позволило успешно использовать его в качестве гетеродинного локального осциллятора.

Шум

Измерения на субмиллиметровых волнах BWO (de Graauw et al., 1978) показали, что в этом диапазоне длин волн можно ожидать отношение сигнал/шум в 120 дБ на МГц. При гетеродинном обнаружении с использованием BWO в качестве локального генератора, это соответствует температуре шума, добавляемой генератором, всего 1000–3000 K.