Стр.202-301 (1152180), страница 5
Текст из файла (страница 5)
С увеличением пространственного заряда величина В, опреде- й 64. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛБВ ТИПА О а. Коэффициент исилеиии и полоса частот ЛБВ Коэффициент усиления ЛБВ, описываемый в линейном режиме уравнением (6.43), прямо пропорционален параметру усиления С. Величина С по (6.33) в свою очередь тем выше, чем больше сопротивление связи замедляющей системы, определяемое известным уран.
пением Ш (Е~Р )Е* (* 2()з Р 2Рз йт огр (6.62) Через Р и %'х здесь обозначены соответственно мощность бегущей волны и энергия, содержащаяся в единице длины замедляющей системы; пгр — групповая скорость волны и () — фазовая постоян2п ы ная замедляющей системы, равная — или —. Хзам Рф В реальных замедляющих системах величина )с„имеет порядок десятков или сотен омов. Типичные значения параметра усиления С составляют от 0,02 — 0,06 до 0,2.
Таким образом, при достаточно большой длине ( активной части ЛБВ, например при й( 10 — 30, коэффициент усиления по (6.43) может составлять 40 — 60 дб и более. При рассмотрении уравнения (6.43) может сложиться впечатление, что, неограниченно увеличивая длину 1 замедляющей системы, т. е, увеличивая число длин волн А(, можно достичь сколь угодно высоких коэффициентов усиления. В действительности здесь имеются реальные пределы, обусловленные тем, что усиление сигнала происходит за счет отдачи СВЧ полю части кинетической энергии, имеющейся у электронов. Скорость электронов по мере движения вдоль замедляющей системы уменьшаегся. В результате нарушается условие, лежащее в основе действия ЛВ — небольшое превышение скорости электронов над фазовой скоростью волны. Дальнейшее увеличение длины системы должно приводить не к увеличению, а к уменьшению выходного сигнала. Невозможность беспредельного нарастания ' Типичные значения параметров ОС в реальных ЛБВ не превышают обычно 0,25 — 0,5.
220 лающая максимальное усиление нарастающей волны в ЛБВ, несколько снижается. Расчеты показывают, что одновременно уменьшаются по абсолютной величине начальные потери А в общем уравнении (6.44), как показано на рис. 6.5. Анализ показывает, что оптимальная величина параметра несинхронности Ь растет с увеличением параметра пространственного заряда 9С и доходит приблизительно до 2 при 9С = !*.
Это означает, что при повышении плотности пучка (рост ып и 9С) максимум кривой, изображенной на рис 6.2, сдвигается в сторону более высоких ускоряющих напряжений Начальная скорость электронов э, при учете пространственного заряда должна превышать фазовую скорость рфо.
Это превышение, однако, не очень велико. Из уравнения (6.50) нетрудно получить, например, что даже при Ь = 2; С = 0,1 электроны должны двигаться лишь на 20зйе быстрее волны на начальном участке системы. Условие приблизительного синхронизма (6.!) остается в силе также и для мощных ламп бегущей волны, где влияние пространственного заряда особенно велико выходного сигнала ясна и из энергетических соображений ввиду конечности энергии, полученной электронами от источника ускоряющего напряжения У,. Повышение коэффициента усиления в некоторой мере ограничивается также склонностью ЛБВ к самовозбужденню, обусловленному неидеальным согласованием входа н выхода замедляющей системы.
Как будет показано, для борьбы с самовозбуждением в замедляющую систему обычно вводится сосредоточенный или распределенный активный поглотитель (ослабитель). Полный коэффициент усиления ЛБВ К„„„снижается при этом на величину 1., зависящую от типа ", тли и конструкции поглотителя. Таким образом, с учетом потерь в замедляющей системе уравнение (6.43) должно быть переписано в виде Казан = 9~54+ 47 ЗСУ Е (дб(. 11 1 ! Прн использовании сосредоточен- ! ных поглотителей, описываемых да- 0 1 тта 2 у Чвмя.ай лее, величина Е составляет обычно от 4 до 10дб.
Реальная величина коэффициента усиления ЛБВ оказывается весьма высокой — порядка 30 50дб. Рис. ба К определению частот- ной зависимости козффициента Особенно ценным свойством ламп усиления ЛБВ прямой бегущей волны является их широкополосность. Коэффициент усиления ЛБВ при неизменном ускоряющем напряжении может оставаться почти неизменным в широкой полосе частот — порядка 20 — 50% и более от средней частоты.
В этом отношении ЛБВ значительно превосходят усилительные пролетные клистроны, которые, как было показано в гл. 5, могут обеспечивать весьма высокое усиление, но имеют значительно более узкую полосу частот. Рабочая полоса частот ЛБВ частично определяется дисперсией замедляющей системы, т. е.
изменением фазовой скорости замедленной волны в зависимости от частоты. При фиксированном ускоряющем напряжении Уа скорость электронов о, остается неизменной. Следовательно, чем слабее дисперсия замедляющей системы, тем шире диапазон частот, в пределах которого может удовлетворяться условие синхронизма электронов и волны. Среди многих известных типов замедляющих систем (1, 33, 34( наибольшую широкополосность обеспечивают спиральные системы. Используя спираль, можно почти не считаться с ограничением рабочей полосы частот за счет замедляющей системы.
Значительно сильнее выражена дисперсия у замедляющих систем типа цепочки связанных резонаторов, используемых в 0!БВ высокой мощности. Рассмотрим другие факторы, влияющие на рабочую полосу частот ЛБВ. Если уменьшать частоту входного сигнала, то происходит уменьшение числа длин волн У, укладывающихся вдоль замедля- 231 ющей системы ЛБВ. С другой стороны, при увеличении частоты возрастает скорость спада продольного высокочастотного поля в поперечном сечении замедляющей системы. Поскольку положенне электронного пучка относительно замедляющей системы остается неизменным, должно происходить снижение сопротивления связи и, следовательно, уменьшение параметра усиления С.
В результате одновременного изменения параметров С и У, входящих в уравнение (6.48) нли (6.53), должен наблюдаться спад коэффициента усиления как в сторону более высоких, так и в сторону более низких частот. В случае спиральной замедляющей системы зависимость коэффициента усиления ЛБВ от частоты, обусловленная изменением па. раметров С и У, имеет вид, показанный на рис. 6.6. Максимум коэффициента усиления достигается на частоте тш при которой на одну замедленную длину волны приходится от 4 до 10 витков спирали*.
Максимум кривой К = ((и) является довольно пологим. Как видно из рис. 6.6, спаду усиления на 3 дб соответствует изменение частоты более чем на одну октаву. Опыт показывает, что реально осуществимая полоса частот в значительной мере ограничивается техническими обстоятельствами — возможностью широкополосного согласования входного и выходного трактов ЛБВ.
6. Коэффициент полезного действия ЛБВ По мере отдачи электронами энергии СВЧ полю их кинетическая энергия и скорость уменьшаются. При этом нарушается условие работы ЛБ — приблизительное равенство скорости электронов и фа. вовой скорости замедленной волны. Отсюда вытекает основное ограничение к. п. д. ЛБВ типа О, связанное с невозможностью отдачи всей кинетической энергии электронов СВЧ полю: электронные сгустки смещаются из области тормозящего высокочастотного поля в область ускоряющего поля. Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью замедленной волны. Поэтому величина к. п.
д. с физической точки зрения должна быть тем больше, чем значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в замедляющей системе. Однако при увеличении рассинхронизма ухудшается группированне на входном участке замедляющей системы и резко уменьшается коэффициент усиления (рис. 6.2). Таким образом, требования максимального к. п. д. и максимального усиления в ЛБВ типа О оказываются противоречивыми. Вопрос о величине электронного к. п. д. лампы бегущей волны не может быть полностью решен в рамках упрощенной теории малых амплитуд.
В самом деле, такая теория не дает ответа о допустимом различии скоростей электронов и волны и, следовательно, о предельной величине энергии, отбираемой СВЧ полем от электронного потока. ' Это соотношение зависит от коэффициента замедленна и, следовательно, от мощности ЛБВ. Так, максимуму К при четырех витках на одну замедленную волну соответствует угол намотки спирали около 1О'. Нелинейная теория и некоторые упрощенные рассуждения показывают, что величина максимального электронного к. п.
д. усилительной лампы прямой бегущей волны имеет порядок г)еа =АС (6.64) где С вЂ” параметр усиления, определяемый уравнением (6.33). Безразмерный коэффициент й, входящий в (6.64), имеет величину от 2 до 8. Наибольшим значениям й соответствует максимально допустимое превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в «холодной» замедляющей системе. Существование зависимости типа (6.54) можно показать из следующих рассуждений Обратимся к уравнению (6.17), позволяющему выразить амплитуду продольной напряженности электрического поля в системе Е,„, через амплитуду конвекционного тока пучка 1г В условиях ахолодногоз сннхрониэмв (Г 1рьл + с) имеем: Е, =1 — 1. , 2иеР (6.55) 1з Взл В 4 2.4, в было показано, что амплитуда переменной составляющей конвекционного тока даже при идеальной группировке не может превышать 21е. Учтем далее, что параметр в для нарастающей волны в ЛБВ в соответствии с решением, приведенным в 4 6.2, равен 5=$з=С ы ~ — +10,5).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
