Лекция 11. Лампа бегущей волны О-типа (1095409), страница 3
Текст из файла (страница 3)
локальный поглотитель(поглощающие вставки), который разбивает замедляющую систему насекции. Этот поглотитель, располагаемый обычно вблизи середины лампы(обычно ближе ко входу), как показано рис. 11.8, может иметь сколь угодновысокое «холодное» ослабление (обычно выбирают на 10-15 дБ большекоэффициента усиления). При этом потери усиливаемого сигнала L,входящие в уравнение полного коэффициента усиления, имеют конечнуювеличину.Рис.11.8. Локальный поглотитель для подавления самовозбужденияспиральной ЛБВТаким образом, с учетом потерь в замедляющей системе окончательноевыражение для коэффициента усиления ЛБВ будетус = − − дБгде L – потери, вносимые локальным поглотителем (обычно 8 – 10 дБ).В ЛБВ со спиральными замедляющими системами используютпленочные локальные поглотители из углерода либо металла, нанесенные надиэлектрические опоры.
В ЛБВ с периодическими замедляющими системамидругих типов обычно используют объемные локальные поглотители изпоглощающей керамики.Обычно двух- или трехсекционые ЛБВ обеспечивают коэффициентусиления 30–50 дБ.Особенно ценным свойством ЛБВ является их широкополосность.Коэффициент усиления при неизменном ускоряющем напряжении можетоставаться почти неизменным в широкой полосе частот. Например, ЛБВ соспиральной замедляющей системой могут обеспечивать полосу частот 50% иболее от средней частоты.Рабочая полоса частот во многом определяется дисперсиейзамедляющей системы, т.е. изменением фазовой скорости волны от частоты.18При фиксированном ускоряющем напряжении, т.е.
неизменной скоростиэлектронов, чем слабее дисперсия замедляющей системы, тем шире диапазончастот, в пределах которого удовлетворяются условия фазового синхронизма.Другие факторы, влияющие на рабочую полосу частот ЛБВ:1. Низкочастотная граница диапазона в основном определяетсяуменьшением количества замедленных длин волн N, укладывающихсявдоль замедляющей системы.2.
Высокочастотная граница рабочего диапазона определяетсяуменьшением величины сопротивления связи св , вызванного спадомпродольной составляющей электрического поля при неизменныхпоперечных размерах замедляющей системы от частоты.Характерная зависимость коэффициента усиления ЛБВ от частотыприведена на рис.11.9.Рис.11.9. Зависимость коэффициента усиления от частотысверхширокополосной ЛБВб.
Коэффициент полезного действия ЛБВ.По мере отдачи электронами энергии СВЧ полю их кинетическаяэнергия и, соответственно, скорость уменьшаются, что приводит кнарушению условий фазового синхронизма. Отсюда вытекает основноеограничение КПД ЛБВ 0-типа, связанное с невозможностью отдачи всейкинетической энергии электронов СВЧ полю: электронные сгусткисдвигаются из области тормозящего поля в ускоряющее. На рис. приведенарасчетная зависимость изменения выходной мощности вдоль замедляющейсистемы ЛБВ.Вопрос о величине электронного КПД ЛБВ может быть решен только врамках нелинейной теории ЛБВ, из которой следует, что19Рвых= (1,5 − 2,5)Величина электронного КПД широкополосной ЛБВ сантиметровогодиапазона длин волн составляет 15 – 25% в зависимости от рабочегодиапазона прибора.Существуют пути повышения электронного КПД ЛБВ, и в частности,применение т.н.
изохронных замедляющих систем, в которых период навыходе системы уменьшают таким образом, чтобы сохранить условиефазового синхронизма. Однако в широкополосных ЛБВ существенноеувеличение электронного КПД достичь весьма проблематично.При эксплуатации ЛБВ в первую очередь интересует значение полногоКПД прибора, а именно:Рвыхполн =Рпотргде Рпотр равна сумме мощностей, подводимых от источников питания котдельным электродам ЛБВ.Величину потребляемой мощности можно значительно уменьшить,применяя метод торможения электронов, прошедших пространствовзаимодействия, за счет снижения постоянного напряжения коллектораотносительно ускоряющего напряжения – метод рекуперации.эл =В этом случае выходная мощность ЛБВ останется прежней, амощность, потребляемая от источника питания коллектора, снизится, чтоозначает повышение КПД, т.к. этот источник потребляет практически весьток электронного пучка.
Физически это объясняется тем, что электронытормозятся в пространстве между спиралью и коллектором и рассеивают наколлекторе меньшую кинетическую энергию. Торможение означает переходнекоторой части кинетической энергии в энергию электростатического поляили возврат (рекуперация) энергии в источник питания.При этом конструкция коллектора должна обеспечивать отсутствиезначительного потока обратных электронов из области коллектора в сторонузамедляющей системы.
В современных ЛБВ, используя многоступенчатыерекуперативные коллекторы электронов с двумя секциями и более,повышают КПД ЛБВ до 35 – 60%. Однако, следует заметить, чтомногоступенчатые коллекторы являются довольно таки сложнымустройствами и их применяют только в обоснованных случаях, например, вкосмических ЛБВ.20Рис.11.11. Двухступенчатый коллектор сверхширокополосной ЛБВНа рис.11.11 приведена конструкция двухступенчатого коллектораЛБВ. Для его эффективной работы, заключающейся исключением попаданияобратных электронов из области коллектора в пространство взаимодействие,применяется сопровождение электронного потока с помощью магнитов(поз.
3,4,5), обеспечивающих необходимое распределение магнитного поляна оси.На рис.11.12 показаны расчетные траектории электронов в областиэтого коллектора, из которого видно, что обратно в замедляющую систему изколлектора поступает очень незначительная часть электронов (менее 0,01%).Рис.11.13. Траектории обратных электронов из области двухступенчатогоколлектораНа рис.
11.14 представлена блок-схема подключения импульсной ЛБВк источнику питания.21Рис.11.14. Электрическая схема подключения импульсной ЛБВ к источникупитанияИсточник питания состоит из блоков, создающих высокие постоянныенапряжения (относительно катода), поступающие на замедляющую системуи коллектор, а также устройства, обычно называемого модулятором,формирующего импульсное напряжение, поступающего на управляющийэлектрод. В цепях электродов ЛБВ установлены измерительные приборы(вольтметры и миллиамперметры), с помощью которых контролируютэлектрический режим прибора.Порядок включения такой импульсной ЛБВ следующий:1) накал, напряжение запирания на управляющий электрод(отрицательное относительно катода), высокие напряжения наэлектроды ЛБВ (замедляющая система, коллектор и др.);2) импульсное напряжение на управляющий электрод (нуль илиположительное относительно катода во время действия импульса),которое открывает лампув.
Шумы в ЛБВВопрос использования ЛБВ в качестве усилителя связана с проблемойуменьшения собственных шумов.Радиоэлектронные шумы - это случайные колебания токов и напряжений врадиоэлектронных устройствах, возникают в результате неравномернойэмиссии электронов в электровакуумных приборах (дробовой шум, фликкер22шум), неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителейзаряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниковых приборах,теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум);Источниками шума в ЛБВ являются:1) Флуктуации плотности электронного конвекционного тока и скоростейэлектронов (дробовой шум);2) Эффект токораспределения при оседании части электронов назамедляющую систему;3) Ионный шум за счет наличия остаточных газов;4) Шум катода.Дробовой шум появляется из-за дискретной природы электронов и того,электронная эмиссия катода является случайным процессом. Скоростнойшум появляется из-за широкого (максвелловского) распределения скоростейэлектронов, эмитируемых с горячего катода.
Тепловой шум связан спотерями в замедляющей системе.Наиболее значительные шумы в ЛБВ создаются катодом. Эти шумытрансформируются в волны по мере того, как электронный пучок проходитпуть от электронной пушки к пространству взаимодействия.Шум в ЛБВ, как усилителя, характеризуется коэффициентом шума,который является отношением сигнал/шум на выходе прибора к сигнал/шумна входе, величина которого в лучшем случае составляет 3-5 дБ.В ЛБВ, предназначенных для использования в радиолокационнойаппаратуре, обычно нормируются амплитудные и фазовые шумы, отстоящиеот несущего сигнала на заданную величину, и характеризуется плотностьюшума, измеряемой в дБ/Гц.г.
Амплитудная и фазовая характеристики ЛБВ.Зависимость выходной мощности от величины входной мощности,измеренная на одной из частот рабочего диапазона, называется амплитуднойхарактеристикой ЛБВ. На рис.11.15 изображены амплитудныехарактеристики мощной ЛБВ непрерывного действия, измеренные в трехточках рабочего диапазона.На этих характеристиках различают линейный режим с максимальнымКПД, нелинейный режим и режим насыщения, при котором достигаетсямаксимальная мощность, в котором достигается максимальный КПД.23Рис.11.16. Амплитудные характеристики мощной ЛБВ непрерывногодействия в рабочем диапазоне частотНа рис.11.17 представлена блок-схема установки для измеренияосновных параметров широкополосной ЛБВ с замедляющей системойспирального типа.Рис.11.17.
Блок-схема ВЧ-блока установки измерения основных параметровЛБВИзмерение входной выходной мощности производится с помощьюспециальных калиброванных направленных ответвителей.24Фазовыми характеристиками ЛБВ называют зависимость разности фазвыходного и входного сигналов от таких факторов, как частота сигнала,изменение питающих напряжений, изменение входного сигнала.Наибольшая чувствительность изменения фазы к изменению питающихнапряжений ЛБВ имеют по замедляющей системе, т.к. с ним связано времяпролета электронов. Зависимость фазы выходного сигнала от изменениянапряжения замедляющей системы приблизительно выражается формулой∆∆ ≈ −105градгде – число длин волн, укладывающихся вдоль оси замедляющей системы.Величина ЗС обычно составляет примерно 20 град на процент.Когда нежелательно сильное изменение фазы, необходимо хорошостабилизировать напряжение.При усилении амплитудно-модулированного сигнала ЛБВ на выходеприбора наблюдается также паразитная фазовая модуляция сигнала.
Этоявление характеризуется параметром, называемым коэффициентом АМ-ФМпреобразования. Его типичная величина в зависимости от режима работысоставляет 5–10 град/дБ.Рис.11.18. Зависимость фазы и мощности выходного сигнала от мощностивходного сигналаНа рис. 11.19 представлена фазочастотная характеристика ЛБВ,которая обычно характеризуется отклонением от линейности.25Рис.11.19.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
