Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 16
Текст из файла (страница 16)
рис. 4.1, а) припереходе от ускоряющей полуволны к тормозящей. Это означает, что первая гармоника71конвекционного ток сдвинута относительно поля на угол π/2. Во второй секций сгустоквызывает наведенный ток, который создает такое СВЧ-поле в системе, что оно по законусохранения энергии должно тормозить электронный сгусток. Таким образом, на входевторой секции должно возбуждаться поле, противофазное первой гармоникеконвекционного тока.
Это увеличивает передачу энергии от электронного потока полю иприводит к росту КПД. Расчеты показывают, что возбуждение идеализированнымисгустками увеличивает КПД примерно в два раза по сравнению с обычной ЛБВ. Этотвыигрыш, однако, уменьшается с ростом плотности объемного заряда. Необходимоотметить, что разрыв между секциями устраняетобратную связь с выхода ЛБВ на ее вход иэквивалентен поглотителю 8 на рис.
4.2.Создать короткий сгусток можно с помощьюпролетного клистрона. Комбинированный (гибридный)прибор, в которомгруппирование электроновпроизводится клистронной секцией, а получениевыходной мощности – в секции ЛБВ, называютРис. 4.13твистроном(рис.4.13).Твистронсочетаетдостоинства пролетных клистронов и ЛБВ, т. е. имеет преимущество перед каждым изних.
Для твистронов характерны высокий КПД (40–50%), широкая полоса пропускания(до 10–15%) и большая выходная мощность в импульсном режиме (нескольких десятковмегаватт при средней мощности до 30 кВт).Очень эффективным методом повышения КПД в любой ЛБВ считается методторможения электронов после замедляющей системы. В ЛБВ почти весь ток пучка идетв цепи коллектора, потенциал которого обычно равен потенциалу спирали U0. Поэтому отисточника питания коллектора потребляется мощность Р0=I0U0. Предположим, чтопотенциал спирали остался прежним (U0), а потенциал коллектора уменьшен. В этомслучае выходная мощность ЛБВ останется прежней, а мощность, потребляемая отисточника питания коллектора, снизится, что означает повышение КПД. Физически этообъясняется тем, что электроны тормозятся в пространстве между спиралью иколлектором и рассеивают на коллекторе меньшую кинетическую энергию.
Торможениеозначает переход некоторой части кинетической энергии в энергию электростатическогополя или возврат (рекуперация) энергии в источник питания.Известен способ повышения электронного КПД, который не требует измененияконструкции ЛБВ. Теоретически и экспериментально доказано, что подача на вход ЛБВвместе с основным сигналом сигнала удвоенной частоты с соответствующей амплитудойи фазой позволяет в два раза повысить выходную мощность и КПД на основной частоте исущественно уменьшить амплитуду второй гармоники, которая существует в выходномсигнале из-за нелинейности процесса усиления. Повышение выходной мощности и КПДна основной частоте связано с улучшением группирования электронов под действиемполя удвоенной частоты, а подавление второй гармоники объясняется тем, что вводимаявторая гармоника оказывается в противофазе относительно «собственной».Фазовые характеристики.
Фазовыми характеристиками ЛБВ называют зависимостьразности фаз выходного и входного сигналов от различных факторов, например, отчастоты сигнала или ускоряющего напряжения U0. Знание этих характеристикнеобходимо для оценки искажений сигнала с широким спектром частот.От ускоряющего напряжения U0 зависит скорость электронов, а следовательно, и времяпролета электронных сгустков, с которыми связаны фазы наведенного тока исоздаваемого им выходного сигнала.
Время пролета электронов пропорциональноэлектрической длине N, которая обычно велика (10–30), следовательно, небольшоеотклонение ∆U0 от U0 должно приводить к значительному изменению фазы выходного72сигнала ∆ϕ. ЛБВ, используемую для регулировки сдвига фазы,фазовращательной ЛБВ. Зависимость приблизительно выражается формулойназываютгде N – число длин волн, укладывающихся вдоль оси замедляющей системы.
Например,при ∆U0/U0=0,01 и N=20 ∆ϕ≈20 град. Когда нежелательно сильное изменение фазы,необходимо стабилизировать напряжение.Следует иметь в виду, что при усилении в ЛБВ модулированных по амплитудесигналов может появиться паразитная фазовая модуляция, так как мощность, отбираемаяполем от электронного потока, связана с уменьшением кинетической энергии илискорости электронов.
Зависимость ∆ϕ от входного сигнала, показанная на рис. 4.14,сопоставлена с амплитудной характеристикой.Шумовые характеристики. Важная особенность ЛБВ—это возможность получениянизкого уровня шумов. Для ЛБВ характерны следующие виды шумов: дробовой шум;шум, связанный с флюктуацией разброса скоростей электронов, эмиттируемых катодом;поверхностный шум катода; шумы токораспределения, связанные, например, сфлюктуацией числа электронов, попадающих на спираль из-за поперечных колебаний;ионизационное шумы, вызванные влиянием ионов остаточного газа; шумы из-завторичной электронной эмиссии и тепловые шумы, вызванные разогревом спирали.Уменьшение дробового шума достигается снижением тока пуска в малошумящих ЛБВдо 100–200 мкА.
Такой ток получают при пониженной температуре катода, что, в своюочередь, уменьшает шумы, связанные с флюктуацией разброса скоростей электронов.Стремятся повысить однородность материала катода, уменьшить его загрязнение иснизить газовыделение из элементов электронной пушки.Уменьшение тока пучка в малошумящих ЛБВ облегчаеттакже начальное формирование пучка и его фокусировку.Улучшение фокусировки приводит к уменьшению шумовтокораспределения. Кроме того, целесообразно создатьсильное продольное магнитное поле, при которомуменьшается влияние поперечных колебаний электронов нашумы.Тепловые шумы спирали можно снизить охлаждениемРис. 4.14ЛБВ до низких температур.Шумы ЛБВ оцениваются коэффициентом шума Кш=(Рсиг/Рш)вх/(Рсиг/Рш)вых, которыйпоказывает, во сколько раз отношение мощности сигнала и шума на входе ЛБВ больше,чем на выходе.
В идеальной (нешумящей) ЛБВ Kш=1 (или K=0 дБ). В малошумящих(входных) ЛБВ Kш=2,5–20 (или 4–13 дБ), а применение охлаждения до температурыжидкого азота может снизить Кш до 1–2 дБ. В более мощных ЛБВ Kш=20–1000 (13–30 дБ).Для характеристики шумов используют также понятие шумовой температуры Tш. СвязьКш и Tш выражается известными соотношениями Кш=1+Тш/290, Tш=290 (Kш—1). Длянешумящей ЛБВ Kш=1 и Tш=0 К.
Значениям Kш=2,5–20, характерным для малошумящихЛБВ, соответствуют Tш=435–5510 К.73§ 4.5. Особенности устройства и применения ЛБВОПо величине выходной мощности в режиме насыщения ЛБВ подразделяются на ЛБВмалой мощности (доли милливатта – 1 Вт), средней мощности (1–100 Вт), большоймощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кВт). По режиму работы различаютЛБВ непрерывного и импульсного действия,Существенный недостаток первых типов ЛБВ – это наличие соленоидов дляфокусировки электронного потока, потребляющих большую мощность и имеющихзначительную массу.
Наибольшее уменьшение массы фокусирующих систем и всей ЛБВобеспечивает периодическая магнитная фокусировка кольцевыми магнитами,разделенными ферромагнитными прокладками (рис. 4.15). На электроны, летящие вдольоси со скоростью v0, из-за наличия радиальной составляющей магнитного поля Нrдействует магнитная сила, направленная перпендикулярно плоскости чертежа. Эта силазаставляет электроны вращаться по окружности, вокруг оси лампы. Но тогда за счетскорости вращательного движения и продольной (осевой) составляющей магнитного поляНz появляется радиальная сила, заставляющая электроны приближаться к оси z.. ЛБВ сРис.
4.15Рис. 4.16периодической магнитной фокусировкой называются пакетированными. ПакетированнаяЛБВ показана на рис. 4.16. Габариты и масса ЛБВ уменьшаются также при использованииэлектростатической фокусировки.ЛБВ со спиральной замедляющей системой характеризуется широкой полосойпропускания (до нескольких октав) и относительно малой выходной мощностью внепрерывном режиме, не превышающей 1 кВт в диапазоне 5–12 ГГц. Значительнуюмощность в этом диапазоне и на более высоких частотах можно получить, применяя вкачестве замедляющих систем цепочку связанных резонаторов. В таких ЛБВ полосапропускания меньше, чем в спиральных, но уровень выходной мощности в непрерывномрежиме достигает 10 кВт. В качестве замедляющей системы в мощных твистронахиспользуют диафрагмированный волновод.ЛБВ находят широкое применение в СВЧ-устройствах в качестве входных,промежуточных и выходных широкополосных усилителей в системах многоканальнойрадиорелейной связи, в космической связи и других системах.Имеются также ограничительные, фазовращательные, умножительные и другие ЛБВ.Возможность умножения частоты сигнала связана с несинусоидальной формойконвекционного потока в нелинейном режиме работы ЛБВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
