ЛБВО (Лекции Литвинова), страница 4

Характеристика взаимодейст­вия Р_вых =φ(U_o), I_ф.к = I_ф.к.opt =const, f=const и при постоянных напряжениях на остальных электродах показана на рисунке 11.

Рисунок 10. Зависимость P_вых Рисунок 11. Зависимость P_вых

электронов от тока фокусирующей от ускоряющего напряжения U_o.

ка- тушки I_ф.к .

При изменении напряжения на спирали изменяется скорость электронов, поступающих в ЗС, где распространяется электромаг­нитная волна. Доля кинетической энергии, передаваемой элект­ронным потоком волне, зависит от разности их скоростей, т.е. от относительного угла пролета φ=ωt(1/v_ф+1/v_e) , где ω и v_ф- частота и фазовая скорость электромагнитной волны соответственно; v_e — скорость электронного потока. При φ₀ = π усредненная за пе­риод энергия, передаваемая волне от электронов, будет максималь­ной. В этом случае электронный сгусток находится все время в тормозящем поле волны и отдает максимум энергии. При увеличении v_e (по сравнению со случаем φ₀ = π) φ₀ возрастает. В этом случае уменьшается коэффициент модуляции электронного потока по скорости. Электроны группируются в сгустки дальше от входа ЛБВО (ближе к выходу), и сгусток вблизи выхода оказывается в ускоря­ющем полупериоде и отбирает у волны часть энергии.

При уменьшении v_e (по сравнению со случаем φ₀ = π) умень­шается относительный угол пролета, а коэффициент модуляции по скорости возрастает, что может приводить к разгруппировке элек­тронного потока, особенно на выходе ЛБВ (см. объяснение амп­литудной характеристики). При некотором значении v_e< v_ф мощ­ность падает до нуля, в этом случае электроны формируются в сгустки в области ускоряющего поля волны, т.е. они ускоряются волной и, следовательно, отбирают энергию у нее.

Амплитудная характеристика Р_вых =φ_з(Р_вх), I_ф.к.opt =const, f=const, U₀= U_0opt =const и при постоянных напряжениях на остальных электродах показана на рисунке 12.

П ри увеличении амплитуды входного СВЧ-сигнала возрастает коэффициент модуляции электрон­ного потока по скорости, вследствие чего электронные сгустки формиру­ются ближе ко входу замедляющей системы и, следовательно, возраста­ет расстояние, на котором сформи­рованный сгусток взаимодействует с волной. Доля передаваемой кине­тической энергии от сгустка волне увеличивается, что приводит к рос­ту выходной мощности Р_вых. При больших уровнях входной мощности Р_вх начинает уменьшаться, что может быть Рисунок 11. Зависимость P_вых связано с пере­группировкой электронного сгустка из-от входной мощности Р_вх. за большой разности ско­ростей электронов, образую

щих сгустки. Электроны, образующие сгустки, имеют

разные скорости и при большой амплитуде вход­ного сигнала это различие может быть значительным, что и вы­зывает продольную разгруппировку сгустков. Часть электронов сгустка при приближении к выходу ЛБВО может попадать в ус­коряющую область СВЧ-волны и забирать у нее энергию, что и вызывает уменьшение Р_вых .

Важная особенность ЛБВ – это возможность получения низкого уровня шумов. Для ЛБВ характерны следующие виды шумов: дробовой шум; шум, связанный с флуктуацией разброса скоростей электронов, эмиттируемых катодом; поверхностный шум катода; шумы токораспределения, связанные например, с флуктуацией числа электронов, попадающих на спираль из-за поперечных колебаний; ионизационные шумы, вызванные влиянием ионов остаточного газа; шумы из-за вторичной электронной эмиссии и тепловые шумы, вызванные разогревом спирали.

Уменьшение дробового шума достигается снижением тока пучка в малошумящих ЛБВ до (100-200)мкА. Такой ток получают при пониженной температуре катода, что, в свою очередь, уменьшает шумы, связанные с флуктуацией разброса скоростей электронов. Стремятся повысить однородность материала катода, уменьшить его загрязнение и снизить газовыделение из элементов электронной пушки.

Уменьшение тока пучка в малошумящих ЛБВ облегчает также начальное формирование пучка и его фокусировку. Улучшение фокусировки приводит к уменьшению шумов токораспределения. Кроме того, целесообразно создать сильное продольное магнитное поле, при котором уменьшается влияние поперечных колебаний электронов на шумы. Тепловые шумы спирали можно снизить охлаждением ЛБВ до низких температур.

Шумы ЛБВ оцениваются коэффициентом шума , который показывает, во сколько раз отношение мощности сигнала и шума на входе ЛБВ больше, чем на выходе. В идеальной (не шумящей) ЛБВ (или дБ). В малошумящих (входных) ЛБВ (или 4–13 дБ), а применение охлаждения до температуры жидкого азота может снизить до 1–2 дБ. В более мощных ЛБВ (13–20 дБ).

Особенности устройства и применения ЛБВО. По величине выходной мощности в режиме насыщения ЛБВ подразделяются на ЛБВ малой мощности (доли милливатта – 1Вт), средней мощность (1–100Вт), большой мощности (более 100Вт) и сверхмощные (более 100кВт). По режиму работы различают ЛБВ непрерывного и импульсного действия.

Существенный недостаток первых типов ЛБВ – это наличие соленоидов для фокусировки электронного потока, потребляющих большую мощность и имеющих значительную массу. Наибольшее уменьшение массы фокусирующих систем и всей ЛБВ обеспечивает периодическая магнитная фокусировка кольцевыми магнитами, разделенными ферромагнитными прокладками (рисунок 13). На электроны, летящие вдоль оси со скоростью , из-за наличия радиальной составляющей магнитного поля действует магнитная сила, направленная перпендикулярно плоскости чертежа. Эта сила заставляет электроны вращаться по окружности, вокруг оси лампы. Но тогда за счет скорости вращательного движения и продольной (осевой) составляющей магнитного поля появляется радиальная сила, заставляющая электроны приближаться к оси . ЛБВ с периодической магнитной фокусировкой называются пакетированными. Пакетированная ЛБВ показана на рисунке 14. габариты и масса ЛБВ уменьшаются также при использовании электростатической фокусировки.

ЛБВ со спиральной замедляющей системой характеризуется широкой полосой пропускания (до нескольких октав) и относительно малой выходной мощностью в непрерывном режиме, не превышающей 1 кВт в диапазоне 5–12 ГГц. Значительную,

Рисунок 13. Сечение магнитной Рисунок 14. Внешний вид паке-

системы в ЛБВ. тированной ЛБВ.

мощность в этом диапазоне и на более высоких частотах можно получить, применяя в качестве замедляющих систем цепочку связанных резонаторов. В таких ЛБВ полоса пропускания меньше, чем в спиральных, но уровень выходной мощности в непрерывном режиме достигает 10кВт. В качестве замедляющей системы в мощных твистронах используют диафрагмированный волновод.

ЛБВ находят широкое применение в СВЧ-устройствах в качестве входных, промежуточных и выходных широкополосных усилителей в системах многоканальной радиорелейной связи, в космической связи и других системах.

Имеются также ограничительные, фазовращательные, умножительные и другие ЛБВ. Возможность умножения частоты сигнала связана с несинусоидальной формой конвекционного потока в нелинейном режиме работы ЛБВ. Поставив, как на рис. 12, после обычной замедляющей системы секцию с другим коэффициентом замедления, необходимым для выполнения условия примерного синхронизма на кратной частоте, можно на выходе секции получить колебания этой гармоники.

В таблице приведены основные параметры типовых ЛБВО, две последние строчки относятся к типам ЛБВ с очень большой мощностью в непрерывном или импульсном режиме.