Стр.202-301 (1152180), страница 6
Текст из файла (страница 6)
ы1 УЗ 2 Используя уравнение (6.52), связывающее поток мощности в любой замедляющей системе с ее сопротивлением связи, и подставляя выражение (6.55) с указанными значениями 1, и $, получим: (6.56) 2 ( — ) )7ев Это уравнение определяет мощность ЛБВ на выходном участке замедляющей системы, где электронные сгустки приобретают идеальную форму по закону б-функции. Мощность, подведенная к электронному лучу (при отсутствии рекуперацин на коллекторе), равна 1еУе. Следовательно, максимальная величина электронного и.
п. д, в рассматриваемом случае равна чзл.маке = 2С (6.57) Таким образом, параметр С определяет не только коэффициент усиления ЛБВ, ио и максимальный достижимый к. п д. Следовательно, для получения высокого к. и. д. ЛБВ желательно уменьшать внутреннее сопротивление электронной пушки, равное †, и повышать со~~о противление связи замедляющей системы, Форма электронных сгустков и их положение относительно замедленной волны имеют сложный характер и оказывают существенное влияние на величину достижимого к. п. д.
На рис. 6.7, а приведено типичное изменение плотности пространственного заряда р вдоль электронного потока, полученное в результате нелинейных численных расчетов. По оси абсцисс отложено расстояние г' от входа ЛБВ в си- стеме координат, двигающейся со скоростью замедленной волны. Как видно из этого рисунка, электронные сгустки приобретают вид ост ых пиков, напоминанхцих пики в пролетных клистронах. ентры сгустков первоначально располагаются в облайтях тормозящего электрического поля, но на выходном конце ЛБВ д результате отдачи энергии начинают постепенно смещаться в точки'перехода поля от ускоряющего к тормозящему.
Далее центры сгу ков переходят в области ускоряющего поля Е,. а! Ис гуэл Я) гй 7,0 й! яг рис. 6.7 Формирование электронныхсгустков в мощной ЛБВ (а) н характер изменения средней скорости электронов и электронного к п д вдоль оси замедляющей системы (б). Темные участки по оси абсцисс соответствуют тормозящему СВЧ полю В результате этого при увеличении длины ЛБВ сверх некоторого оптимума средняя скорость электронов перестает уменьшаться и имеет тенденцию к росту (рис. 6.7, б). Электронный к.
п. д. достигает сначала насыщения, а затем начинает падать. Реальная величина к. п. д, мощных ЛБВ оказывается обычно несколько ниже, чем у мощных многорезонаторных клистронов, и составляет примерно ЗΠ— 40%. Постепенно уменьшая фазовую скорость волны вдоль оси замедляющей системы, можно повысить электронный к. п. д. лампы бегущей волны.
Электроны, теряя кинетическую энергию, не выходят в этом случае нз синхроннзма с волной и продолжают отдавать ей свою энергию. Создание подобных изохронных ЛБВ представляет большой интерес, хотя и требует решения сложных расчетных и конструкторских проблем, связанных с созданием замедляющих систем с переменным («программированным») коэффициентом замедления. Другим путем повышения к. п. д. является использование непрерывного или скачкообразного повушения скорости электронов по мере их движения вдоль замедляющей системы. В этом случае, как и в изохронных ЛБВ, электроны могут иметь на входном участке лампы скорость, близкую к фазовой скорости волны в «холодной» замедляющей системе.
На выходном участке системы, работающем в режиме больших амплитуд, начальная скорость электронов должна превышать фазовую скорость волны на величину, обеспечивающую высокий к. п. д. Очевидно, что замедляющая система ЛБВ должна быть разделена при этом на секции, находящиеся под различным постоянным напряжением по отношению к катоду; коэффициент замедления может оставаться неизменным. Возможно также скачкообразное уменьшение фазовой скорости волны в выходной секции замедляющей системы при неизменном постоянном напряжении на всей системе. Более доступным путем повышения к. п. д.
ламп бегущей волны О-типа, как и пролетных клистронов, является снижение постоянного напряжения на коллекторе в сравнении с постоянным ускоряющим напряжением Уо (см. рис. 5.17). Расчеты показывают, что, пользуясь указанным рекуперативным методом и снижая напряжение коллектора до (0,3 — 0,5)(7„можно поднять к. п.
д. до 50% и выше. Важную роль прн использовании .рекуперации играет конструкция коллектора, которая должна предотвращать обратное движение электронов от коллектора в пролетный канал замедляющей системы. Рекуперация обеспечивает в ЛБВ больший успех, чем в клнстронах, ввиду менее эффективного механизма взаимодействия электронов с СВЧ полем и меньшего разброса скоростей электронов на выходе из пространства взаимодействия ЛБВ. Поэтому понижение напряжения коллектора более широко используется в ЛБВ, в особенности в лампах средней мощности. Сочетание рекуперации на коллекторе с изохронными замедляющими системами или со скачками скорости уже сейчас позволило довести к.
и. д. опытных образцов ламп до 50%. Высказывается мнение о возможности дальнейшего значительного повышения к. п. д. ЛБВ типа О. Можно пойти и по совершенно другому пути повышения к. п. д. ЛБВ. Лля этого следует отказаться от отбора средней кинепгической энергии электронов и воспользоваться принципом отбора потенциальной энергии. Этот принцип с успехом используется в современных магнетронных генераторах типа бегущей волны, а также в лампах бегущей волны магнетронного типа (ЛБВ М), рассматриваемых в гл.
7. В заключение подчеркнем, что величина к. п. д. ламп бегущей волны представляет интерес, в основном, при использовании ЛБВ вкачестве мощных выходных усилителей. Для входных ЛБВ, играющих роль малошумящего усилителя малого сигнала, этот вопрос не является сколько-нибудь актуальным. в. Шуми лали бегущей валим капа О Вопрос об использовании ЛБВ в качестве усилителя малого сигнала связан с проблемой уменьшения собственных шумов. Основными источниками шумов в ЛБВ являются: 1) флуктуации плотности конвекционного тока и скоростей элект. ронов, эмитгированных катодом (дробовой эффект); З зге воо 2) эффект токораспределения прн оседании электронов на замедляющую систему. Некоторое влияние на уровень шумов ЛБВ могут оказывать также ионные шумы за счет остаточных газов.
Величина флуктуаций плотности и скорости электронов тем меньше, чем ниже температура катода и чем более однородна эмиттнрующая поверхность. На шумы электронного потока влияет также от. ношение тока, отбираемого с катода, к току эмиссии используемого катода. Исследования показали, что минимуму шума соответствует отношение указанных токов, близкое к единице. Наконец, важную роль играет плавность распределения потенциала вблизи катода в области, где происходит ускорение электронов. В течение ряда лет значительное внимание уделялось теоретиче.
скому исследованию вопроса о том, имеется ли предельный наименьший уровень шумов ЛБВ. До настоящего времени окончательного ответа на этот вопрос не существует. Исследования показали интересные возможности «охлаждения» электронных пучков и создания ЛБВ с весьма низким коэффициентом шумае. В частности, оказывается, что флуктации плотности тока и скорости электронов не остаются постоянными вдоль оси пучка, а изменяются периодически по закону, связанному с волнами пространственного заряда (см.
$ 2.9). Коэффициент шума ЛБВ может быть значительно снижен, если расположить вход замедляющей системы в области узла стоячей шумовой волны. Для достижения низкого уровня шума должна быть применена электронная пушка специальной многоанодной конструкции с трубой дрейфа перед входом в замедляющую систему. Пример устройства такой пушки показан на рис. 6.17.
Влияние токораспределения на уровень шумов может быть сделано весьма малым, если использовать тонкий, хорошо сфокусированный электронный пучок. Для его фокусировки в малошумящих ЛБВ используется сильное продольное постоянное магнитное поле, обеспечивающее' прямолинейный характер электронных траекторий. Отсутствие сеток в отличие от триодов и некоторых типов усилительных клистронов способствует уменьшению шумов в ЛБВ. Некоторое влияние на уровень шумов ЛБВ оказывают потери в замедляющей системе (спирали). Шумовой сигнал, возникающий во всякой передающей линии, пропорционален ее абсолютной температуре и абсолютной величине высокочастотных потерь П).
Поэтому для получения весьма низкого уровня шума полезно охлаждение ЛБВ, например, путем погружения всей лампы в жидкий азот. Опыт показывает также, что для снижения уровня шумов необходимо обеспечивать высокую степень однородности замедляющей системы— постоянство шага спирали. Коэффициент шума современных сверхмалошумящих ЛБВ дециметрового и сантиметрового диапазонов волн удалось довести до 3— 4 дб и менее. Это позволяет использовать лампы бегущей волны в качестве входных усилителей радиолокационных станций и в другой е Определение понятия коэффициента шума см.
в й 3.5, в - приемной аппаратуре диапазона СВЧ. Типичные параметры сверх. малошумящей ЛБВ 10-см диапазона приведены в $ 6.5. Следует отметить, что методы снижения уровня шумов, приме. пенные в ЛБВ, могут быть использованы также и в других типах усилительных электронно-лучевых приборов СВЧ, в том числе в клистронах. Однако широкополосность ЛБВ в сочетании с возможностью получения малого шума делает ее особенно ценным усилителем малого сигнала. г. Аллан»адиля и фааоаая ллрлятеристлли ЛБВ Зависимость выходной мощности и коэффициента усиления ЛБВ от величины входной мощности имеет вид, качественно показанный на рис.
6.8. Начальный участок амплитудной характеристики Рвм = ~(Р,„), как и у большинства дру-, гих усилителей СВЧ (см., например, 'Рд»х и $ 5.3,а), имеет линейный характер. Коэффициент усиления К имеет здесь наибольшую величину. Однако наи- н большая величина к. п. д., упоми- Рдмх навшаяся в $ 6.4, б, достигается на нелинейном участке в области максимума амплитудной характеристики. Существование максимума («насыщения») и последующего спада ха- 8 р рактеристики Р,„„= у(Р»х) может дх быть качест енно объ сиена с энер. Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
