Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях (1097764), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Этот вид паразитных колебаний характерен для ЛБВ с ЗС"кольцо-стержень".Правильностьнастройкисекциймакетаконтролировалась измерениями К стU и затухания на частотахсамовозбуждения.Паразитноесамовозбуждениеизменяетходамплитудныххарактеристик ЛБВ без дополнительной ЗС, приводит к своеобразномугистерезису при последовательном уменьшении, а затем увеличениимощности сигнала на входе (рис. 6, кривая 1).С введением дополнительной ЗС гистерезисисчезает, амплитудная зависимость становитсятипичной для ЛБВ без самовозбуждения (рис.6, кривая 2).В теории многочастотных процессовмикроволновых приборов наряду с методикойфундаментальнойчастотыуспешноразвивается метод близких частот, основанныйна представлении сложного сигнала в видеквазигармоническогоколебаниясмедленноменяющимися амплитудой и фазой.Он пригоден для исследования весьма узкогоспектра, когда свойства приборов не зависят отчастоты.
Преобразование сложных сигналов сРис. 6. Зависимостьдискретным спектром рассматривалось навыходной мощности ЛБВосновеприближенныхтеорий,от входной мощности.характеризующихсяупрощеннымрассмотрением сил кулоновского взаимодействия.Нами была развита приближенная нелинейная теория приборов спродольным взаимодействием электронного потока и электромагнитногополя, основанная на разложении переменных величин в кратные рядыФурье.В качестве примера рассмотрим мощный пятирезонаторныйклистрон, на вход которого подаются два сигнала с различными частотами.16Система аксиально-симметричная и фокусируется большим магнитнымполем.
Частоты сигналов ω10 и ω 01 лежат в полосе пропускания прибора.Нелинейный характер процессов взаимодействия приводит к образованиюна выходе клистрона сигнала со сложным дискретным спектром, частотыкоторого связаны соотношением ω nm = nω10 + mω 01 , где n и m - целыечисла ( n, m = 1, 2,..., N, M ).При теоретическом анализе этихрежимов учитывались от 4 до 6составляющих ряда Фурье угла пролетаθ10 , θ 01 , θ 20 , θ 02 , (θ 2, −1 , θ −2,1 ) . В спектреконвекционного тока учитывались 8компонентов I10 , I 01 , I 02 , I 20 , I 2, −1 , I1, −2 ,а)б)в)I 3, −2 , I −2,3 . На рис.
7 приведены типичныевыходные спектры K nm = 10 lg Pnm P0комбинационных составляющих приразличных расстройках ξ = ∆ω ω ⋅ 100%между входными сигналами. Изменениерасстройки ξ от 0,4% до 0,2% приводит ксоответствующему сужению спектракомбинационныхсоставляющих,лежащих в полосе пропускания прибора.Амплитудные соотношения в спектрах впределахполосыпропусканиясохраняются. В дальнейших расчетах ξполагалась равной 0,16%.Исследования показали, что имеетместо эффект подавления мощнымсигналом более слабого. На рис. 8 этотэффект хорошо прослеживается наизменении комбинационных компонентконвекционного тока I nm вдоль прибора.При равенстве входных мощностейразличие в поведении спектральныхкомпонентконвекционноготока,соответствующих независимым частотамω10 и ω 01 , незначительно и обусловленочастотной зависимостью характеристикприбора.
Если один из сигналов значительно превышает второй, то имеетместо преимущественное усиление более мощного сигнала, а амплитудадругого падает по сравнению с первым случаем. Обобщающиезависимости выходной мощности основных сигналов на частотах ω10 иРис. 7. Схема клистрона (а)типичные теоретические выходныеспектры K nm комбинационныхсоставляющих при различныхрасстройках ξ между входнымисигналами (б, в).17ω 01 для ряда фиксированных значений входной мощности P10(в x) и(в x )приведены на рис.
8.изменением P01Рис. 8а. Зависимость амплитуд гармоник тока I nm по длине прибора от номерарезонатора N рез при одинаковых (слева) и различных (справа) значенияхвходной мощности 1-го и 2-го сигналов соответственно.Рис. 8б. Амплитудная зависимость выходных значений мощности прификсированных значениях входной мощности 1-го сигнала и изменениивходной мощности 2-го сигнала (кривые сверху вниз P10(в x) = 0; 5 ⋅ 10 −5 ;1,5 ⋅ 10 −4 ; 2,5 ⋅ 10 −4 ) (слева); Зависимость мощности боковой комбинационнойсоставляющей K 2, −1 , от изменения входной мощности 2-го сигнала P01(в x ) приразличных фиксированных значениях мощности 1-го сигнала (справа).(в x )сигнала на частоте ω 01Увеличение входной мощности P01приводит к возрастанию выходной мощности этого сигнала и падениюмощности второго сигнала P10(в x) .
Происходит перекачка мощности слабогосигнала в более мощный сигнал. Из графика (рис. 8) можно определить(в x ), при котором мощности выходныхуровень входной мощности P01сигналов будут одинаковы.При взаимодействии двух сигналов в клистронном усилителе,аналогично преобразованию сигналов в ЛБВ, происходит подавлениемощнымсигналомболееслабого.Уровенькомбинационных18составляющих в полосе прибора при определенном соотношениимощностей входных сигналов может быть не менее - 30 дБ.В третьей главе приведены исследования нелинейных процессовпри усилении электромагнитных волн в высокоэффективных клистронныхусилителях.Эффект расслоения в клистронных усилителях. Рассмотренырезультаты оптимизации параметров многорезонаторного клистронногоусилителя, направленной на достижение максимума показателя качествагруппирования.Картинатраекторийэлектроноввоптимизированныхгруппирователях с различным числом резонаторов примерно одинакова. Вконце всех областей дрейфа, кроме последней области, наблюдаетсягруппировка электронов пучка с образованием двух сгустков.
В последнейобласти дрейфа отмечается значительное уменьшение переменнойсоставляющей скорости большинства медленных электронов.Траектории электронов в трехрезонаторном группирователепредставлены на рис. 9а. В первой области дрейфа видно характерное"фазовое расслоение" сгустка.Центральныеэлектроныгруппируются примерно в центреобласти дрейфа, крайние - вконце этой области. Во второйобластидрейфафазовоерасслоениенесколькоуменьшено.Это происходит потому,чтокрайниеэлектроны,подлетающие к сгущению заряда,быстро тормозятся, а разряжениеРис.
9. Траектории электронов втрехрезонаторном группирователе (а) ив центре сгустка на входе вамплитуда первой гармоники тока I1 I 0 иобластьспособствуетвремениКПД ηгр (б) от продольной координаты z λ q . увеличениюгруппированияцентральныхэлектронов. В последней области дрейфа образуется плотный сгусток смалым разбросом скоростей.
Такой процесс группировки имеет место придостаточно больших длинах участков дрейфа, и резонаторы клистронногоусилителя должны помещаться за максимумом амплитуды тока первойгармоники (рис. 9б).Фазовые траектории электронов (рис. 9а) несколько несимметричны,что является характерной особенностью группирования электронов приконечныхзначенияхпервеанса,сопровождающейсяпереходомкинетической энергии электронов в потенциальную энергию сгустка. Вотсутствие сдвигов фаз между переменным полем зазора и первой19гармоникой тока замедление пучка в процессе группировки приводит кпоявлению дополнительного разброса скоростей. Выясненные общиезакономерностигруппированияпозволили провести оптимизациюгруппирователейклистронныхусилителей с различным числомрезонаторов.Рис. 10.
Зависимости максимальныхзначений амплитуды первойгармоники тока I1 2I 0 , показателейкачества ηφ и ηгр , величиныНарис.10приведенызависимости максимальных значенийамплитуды первой гармоники тока,показателей качества группированияη φ и η гр , величины v 0 (z) v 0 иминимальной скорости электроновv min v 0 (z) на выходе группирователяот числа резонаторов N рез .ПриувеличенииN резпоказатель качества группированияη φ увеличивается и приближается к0,9.Показателькачествагруппирования η гр стремится к некоторому пределу, определяемомузамедлением пучка v 0 (z) v 0 . Таким образом существует, определяемоепервеансом, максимальное значение электронного КПД клистрона,которое нельзя превысить увеличением числа резонаторов.v 0 (z) v 0 и минимальной скоростиэлектронов на выходегруппирователя от числарезонаторов клистрона N рез .Рис.
11. Зависимостьамплитуды первойгармоники тока отномера дрейфа.Рис. 12. Оптимальные длинытруб дрейфа от номерадрейфа.Рис. 13. Оптимальныенапряжения на зазорах отномера дрейфа.Амплитуда первой гармоники тока в сечениях, где находятсярезонаторы, с увеличением номера резонатора возрастает (рис. 11). СувеличениемNрамплитуда первой гармоники в сечениях,соответствующих одному и тому же номеру резонатора, уменьшается.Нормированные оптимальные длины труб дрейфа ∆z λ q20приразличном числе резонаторов (рис. 12) последовательно уменьшаются( λ q = 2π v 0 ω p 1 + k 2 -длинаволныплазменныхколебаний),а~оптимальные напряжения в зазорах резонаторов Vn V0 (рис.
13)~нарастают. Величины ∆z λ q и Vn V0 изменяются монотонно. Как следуетиз рис. 13, усиление в оптимизированном группирователе мало (нужно~учесть, что в выходном резонаторе V V0 ~ 1).Для увеличения усиления нужно добавить каскады в линейныйусилитель, например, добавить один каскад, образованный входнымрезонатором и трубой дрейфа. Оптимальная длина трубы дрейфа будетблизка к λ q 4 , т.е. меньше следующей длины ∆ z 23 = 0,28 λ q .Оптимальная группировка электронов в многорезонаторныхклистронных усилителях с резонаторами, настроенными на основнуючастоту сигнала, достигается за счет использования нелинейноговолнового процесса в удлиненных областях дрейфа. На выходе трубдрейфа, кроме последней, образуются двугорбые сгустки с повышеннымсодержанием второй гармоники тока.Длины труб дрейфа можно сократить, если ввести дополнительнуюмодуляцию пучка на частоте второй гармоники полями специальныхрезонаторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
