Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Обычно, выражая величину Ку(U) в децибелах, вместо (4.37) записываютформулу(4.39)Следовательно, коэффициент усиления определяется параметром усиления С ивеличиной N. С увеличением тока пучка I0 или сопротивления связи Rcв параметр Свозрастает и коэффициент усиления также увеличивается. Влияние тока I0 очевидно, таккак рост его означает увеличение количества электронов, взаимодействующих сэлектромагнитной волной. Рост N может быть достигнут увеличением длины спирали l,что приводит к увеличению времени взаимодействия электронов и поля и возрастаниюкоэффициента усиления. Однако длина не может быть взята очень большой. Формулы(4.37) и (4.39) получены из линейной теории ЛБВ, в которой предполагается, чтопеременные составляющие всех величин остаются небольшими по сравнению спостоянными составляющими.
При большой длине l к концу ЛБВ может наступитьнелинейный режим, ограничивающий коэффициент усиления. Обычно в ЛБВ N=10–30.При больших коэффициентах усиления ЛБВ появляется опасность самовозбуждения.68Если замедляющая система недостаточно хорошо согласована с нагрузкой, то отраженнаяот выходного конца мощность достигает входа ЛБВ, что может привести ксамовозбуждению. Для его устранения применяют поглотитель (см. на рис. 4.2 элемент 8).Формулу (4.39) при наличии поглотителе можно привести к виду:(4.40)где А1 – учитывает уменьшение коэффициента усиления, вызванное поглотителем, а N –разность электрической длины ЛБВ и поглотителя, так как усилительные свойства научастке поглотителя уже учтены в величине А1.
Очень важно правильно выбратьположение и длину поглотителя. Обычно поглотитель находится на расстоянии примерно(1/3)l от входа, а длина поглотителя не превышает (1/10—1/8)l.Коэффициент усиления ЛБВО составляет 15–35 дБ, а в маломощных лампах доходитдо 60 дБ.Зависимостькоэффициентаусиленияивыходной мощности от ускоряющего напряжения.Эти зависимости показаны на рис. 4.9. Максимальныевеличины Ку(p) и Pвых получаются при оптимальномпараметре начального рассинхронизма в формуле(4.32), а соответствующее ускоряющее напряжениеназывается также оптимальным (U0(опт)); U0(мин) иU0(макс) соответствуют граничным значениям bмин иbмакспараметрарассинхронизмав(4.34).Рис.
4. 9Изображеннаякриваяотноситсякрабочейпространственной гармонике. При переходе к другой гармонике условие синхронизмадолжно быть выполнено для другой фазовой скорости. Поэтому необходимо подобратьновое значение скорости электронов, а следовательно, и ускоряющего напряжения U0(опт).Амплитудно-частотная характеристика. Зависимость коэффициента усиления отчастоты сигнала при постоянном ускоряющем напряжении U0 определяетсядисперсионными характеристиками замедляющей системы, качеством согласования навходе и выходе ЛБВ. При идеальном согласовании эта зависимость связана с дисперсиейфазовой скорости используемой прямой пространственной гармоники vфр (рис. 4.10,а).Заштрихованная область соответствует параметрам начального рассинхронизма (4.32),при которых имеется усиление сигнала.
В данном случаерассинхронизм происходит из-за изменения фазовойскорости в холодной системе при изменении частотысигнала, а начальная скорость электронов v0 неизменна.Точкам пересечения 1 и 2 границ области допустимогорассинхронизма с кривой vфр(f) соответствует нулевоезначение Kу(U) на частотах f1 и f2 (рис. 4.10,б).Максимальное значение Kу(U)макс наблюдается нанекоторой частоте между f1 и f2, а полоса пропускания ЛБВопределяется частотами fв и fн, на которых Ку(U)уменьшается до уровня 0,707Kу(U)макс.Рис.
4.10Для получения широкой полосы пропускания требуетсязамедляющая система со слабой зависимостью фазовойскорости от частоты (слабая дисперсия). Основное применение в широкополосных ЛБВнашли спиральные замедляющие системы. Отношение fв/fн в различных типах ЛБВсоставляет от 1,1 до 4, что соответствует полосе пропускания от 10 до 100% средней69частоты. Ограничение полосы практически связано с трудностью обеспечить хорошеесогласование входа и выхода ЛБВ в широкой полосе частот.Амплитудная характеристика.
На рис. 4.11 приведена амплитудная характеристикаЛБВО и зависимость коэффициента усиления по мощности Ку(U) от мощности входногосигнала Рвх.При малом входном сигнале группирование электроновслабое, форма волны конвекционного тока практическисинусоидальная, а амплитуда первой гармоники тока I(1) многоменьше постоянной составляющей I0. В этом случаеувеличение входного синусоидального сигнала приводит кпропорциональному увеличению I(1) и выходного сигнала.Такимобразом,начальныйучастокамплитуднойхарактеристики практически является прямолинейным, емусоответствует максимальный коэффициент усиления.Рис. 4.11Придальнейшем увеличениивходноймощностинаблюдается отклонение от линейной зависимости, т.
е. ограничение выходной мощности.Причиной этому – изменение скорости электронов в процессе взаимодействия с полем.Сгусток движется в тормозящем поле волны, поэтому скорость электронов в немпостепенно уменьшается. Чем больше входной сигнал, тем заметнее снижение скорости.В процессе торможения сгусток постепенно отстает от волны, т.
е. смещается в областьнулевого поля и далее в область ускоряющей полуволны поля. Электроны сгустка,оказавшиеся в ускоряющем поле, отбирают мощность от поля и тем самым уменьшаютвыходную мощность ЛБВ. При некоторой входной мощности мощность, отбираемая напоследнем участке ЛБВ от поля электронами, находящимися в ускоряющем поле,оказывается равной мощности, отдаваемой на этом участке полю электронами,движущимися в тормозящем поле в этом режиме, называемом режимом насыщения,последний участок ЛБВ не дает прибавки в выходную мощность.
Если еще болееувеличить входной сигнал, то торможение сгустка будет более сильным, выравниваниеотбираемой и отдаваемой мощностей произойдет раньше, не в конце ЛБВ, а на участке,сдвинутом от конца в сторону входа. На остальном пути от этого участка до конца ЛБВмощность, отбираемая одними электронами от поля, будет преобладать над мощностью,отдаваемой другими электронами полю.
В результате выходная мощность станет меньше,чем в режиме насыщения. Соответственно произойдет и снижение коэффициент усиленияЛБВ. Следует отметить, что переход из линейного режима в нелинейный сопровождаетсяростом амплитуды второй гармоники конвекционного тока и выходной мощности наудвоенной частоте сигнала.Для получения максимальной выходной мощности необходимо, чтобы насыщениенаступило в конце замедляющей системы. Другими словами, при заданном входномсигнале имеется оптимальная длина ЛБВ, дальнейшее увеличение длины не приводит кросту выходной мощности и коэффициента усиления. При малом выходном сигналеоптимальная длина больше, чем при большом сигнале. Обычно в ЛБВО длиназамедляющей системы составляет 10–30 длин волн рабочей пространственной гармоникит.
е. в формуле (4.39) N=10–30. В маломощных ЛБВ со спиральной замедляющейсистемой число N может превышать 50. Очевидно, что формула (4.39), полученная наоснове линейной теории ЛБВО, неприменима в нелинейном режиме работы и справедливатолько для начального линейного участка амплитудной характеристики.Электронный КПД определяется формулой:(4.41)Очевидно, Рвых равно убыли кинетической энергии электронов.
Воспользуемся для оценкиηэ линейной теорией ЛБВ. Пусть начальная скорость электрона v0 равна фазовой скорости70волны в холодной системе. Конечную скорость электрона примем равной фазовойскорости волны в горячей системе, точнее, фазовой скорости vф( 2р) второй парциальнойволны, с которой связано усиление. Используя (4.30), запишем vф( 2р) = v 0 (1 + C / 2 ) . Поэтомууменьшение кинетической энергииОчевидно, что мощность P0=I0U0 затрачена на сообщение электронам кинетическойэнергии, т.
е. P0=mv20/2. Подставляя в (4.41) P0 и вместо Рвых величину ∆Wкин, получаем(4.42)В линейном режиме КПД примерно равен параметру усиления С и составляетнесколько процентов. Максимальный КПД соответствует насыщению выходноймощности, когда формула (4.30) для v(2)фр несправедлива. Обычно ηэ(макс)≈(2–2,5)С и приС=0,1–0,2 достигает 25–30%. Следует отметить, что с ростом тока пучка из-за влияниясил расталкивания выходная мощность и КПД уменьшаются. Таким образом,электронный КПД в ЛБВО существенно меньше, чем в пролетных многорезонаторныхклистронах.
Получение высоких КПД особенно важно для мощных ЛБВО. Какие жесуществуют способы повышения КПД в ЛБВО?Причина, которая ограничивает выходную мощность ЛБВО, а следовательно, и КПД,как уже отмечалось, связана с уменьшением скоростиэлектронов, т. е. с нарушением синхронизма исмещением в область ускоряющей полуволны поля, гдеэлектроны отбирают энергию от поля.
Следовательно,рост мощности и КПД можно получить, еслискомпенсировать отклонение от синхронизма.Один из способов состоит в использованииРис. 4.12переменного коэффициента замедления (изохронныеЛБВ).Необходимоувеличениекоэффициентазамедления к выходному концу замедляющей системы. Это обеспечивается изменениемпо определенному закону геометрических размеров замедляющей системы, напримернепрерывным уменьшением шага спирали.
В изохронных ЛБВО все времяподдерживается оптимальное соотношение (синхронизм) между скоростью электронов ифазовой скоростью волны. Создание таких ЛБВО связано с техническими трудностями.Возможно также поддержание синхронизма дополнительным ускорением электронов.Для этого требуется конструктивно разделить замедляющую систему на достаточнобольшое число секций с одинаковыми коэффициентами замедления и установить длякаждой секции свое определенное напряжение.
Однако из-за технических трудностейограничиваются небольшим числом секций со скачками потенциала. В специальноразработанных ЛБВ КПД может быть доведен до 40–50%.В обычных и изохронных ЛБВ внешний сигнал модулирует на входе замедляющейсистемы непрерывный электронный поток. Однако имеется возможность возбуждениязамедляющей системы предварительно модулированным по плотности электроннымпотоком. Идеальной считается форма вводимых электронных сгустков в виде дельтафункции.
Практически желательно получить возможно более короткие сгустки. Этувозможность возбуждения можно реализовать в секционированной ЛБВ (рис. 4.12).Сигнал подводится к первой секции, поэтому она работает, как обычно ЛБВ.Образовавшийся электронный сгусток входит во вторую секцию, которая используетсядля получения полезного выходной сигнала.К чему приводит такой способ возбуждения второй секции? На входе обычной ЛБВпри точном синхронизме сгусток образуется в области нулевого поля (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
