Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Это уравнение имеет три корня, представляющие три волны, распространяющиеся в прямом направлении, имеющие одинаковую структуру пая, но обладающие различными постоянными распространения. Корни уравнения имеют вид:

= . 6

6i=e

= е

1 r-

з=е

2 =i.

Четвертая волна не учитывается ур-нием (4.29), поскольку сделанные нами выше предположения справедливы только для прямых волн, имеющих скорость, близкую к скорости электронов. Четвертая волна является обратной и ее постоянная распространения

-r=iPe(l -С /4).

Так как С обычно имеет величину порядка 0,01, то, следовательно, очень мало. Таким образом, постоянная распространения четвертой волны в отсутствие электронов и при их наличии практически одинакова. Четвертая волна распространяется в обратном направлении (от коллектора к катоду) и ее постоянная распространения равна постоянной распространения в замедляющей системе без учета влияния электронного потока.

Решение дисперсионного ур-ния (4.23) получено для случая, когда -Го=-iPe. Такое допущение пе учитывает дисперсию замедляющей системы. Более строгий анализ процессов взаимодействия электронов с полем бегущей волны позволяет определить допустимое различие между скоростями электронов и волны, при котором еще возможно усиление лампы. Его можно приближенно оценить выражением [7]

\Vф - Vg\x vjC.

Таким образом, рабочая полоса частот ЛБВ тем шире, чем больше параметр С и чем меньше зависит от частоты фазовая скорость электромагнитной волны в замедляющей системе (чем слабее дисперсия).

Три прямых волны изменяются с расстоянием по закону:

е-г- = е-Р е*Р . (4.30)

Подставляя полученные три значения б в (4.30), можно убедиться, что для первых двух волн постоянная распространения будет комплексной Беличиной. Это значит, что амплитуды данных волн будут изменяться вдоль замедляющей системы. Первая волна является нарастающей, фазовая скорость ее немного ниже скорости электронов. Амплитуда второй волны уменьшается, и она распространяется также несколько медленнее электронов. Третья волна - незатухающая и распространяется быстрее электронов.

Таким образом, наибольший интерес для усиления волн в ЛБВ представляет первая волна, амплитуда которой и, следовательно, переносимая ею мощность экспоненциально возрастают вдоль замедляющей системы.

Определим коэффициент усиления ЛБ6 (в дБ):

G = 20lg

(z=0)

(4.31)

не £(7=0 и Ez=o) - напряженности электрического поля в конце в начале замедляющей системы длиной /. Считаем, что энергия на входе лампы равномерно распределяется между тремя волнами. Следовательно, амплитуда каждой вол-равна (1/3)£(г=о). Тогда напряженность электрического поля в Ьнце замедляющей системы для нарастающей волны

р --Lf е' -! = - £

3 V3

(z=0)

X е

Так как

= 2лЛГ.

Ve Л

Ьде N - число замедленных длин волн Л, укладывающихся вдоль замедляющей системы, имеем

>0 3 (2=0)

Гогда коэффициент усиления (в дБ)

G = 201g

2nCN

[o,f-p,(i-f0.5C)/] (4 32)

47,3CA -9,54. (4.33)

Полученная формула широко используется при расчетах ЛБВ для линейного режима малого сигнала. Параметр С называется параметром усиления. Согласно выражению (4.28) параметр С увеличивается при увеличении сопротивления связи замедляющей системы. Коэффициент усиления ЛБВ прямо пропорционален величине параметра усиления и электрической длине лампы, определяемой числом N.

Из ф-лы (4.33) следует, что можно получить сколь угодно большое значение коэффициента усиления, если неограниченно увеличивать длину замедляющей системы. Однако это неверно. Существуют пределы, ограничивающие рост коэффициента усиления. Электроны по мере движения вдоль замедляющей системы отдают свою кинетическую энергию волне. В результате их скорость уменьшается и наступает момент, когда они выходят из области тормозящего поля и начинают не отдавать, а забирать энергию у высокочастотного поля. Дальнейшее увеличение длины замедляющей системы не увеличивает, а уменьшает амплитуду выходного сигнала. По этой же причине в ЛБВ трудно получить высокий кпд (обычно он не превышает 20--307о)- Для его увеличения замед-



ляющую систему пробуют конструировать так, чтобы на выходе несколько уменьшалась фазовая скорость волны. Тогда не нарушается синхронизм электронов и волны.

Реально достижимая величина коэффициента усиления ЛБВ-обычно составляет 25-40 дБ, т. е. несколько ниже, чем у много-резонаторных клистронов. Коэффициент усиления ограничивается также вероятностью самовозбуждения ЛБВ. Запишем условие устойчивости

GyG.aal, (4.34>

где Су - коэффициент усиления в разах; Ga - коэффициент затухания в разах; 1 и 02 коэффициенты отражения на входе и выходе лампы соответственно.

Обычно на практике обеспечить достаточно малое отражение в-необходимой полосе частот оказывается очень трудно. Поэтому для устранения самовозбуждения примерно на расстоянии 0,3/ от входа (/ - длина замедляющей системы) вводится поглотитель, который может быть выполнен в виде стержней из ноглощающей керамики или в виде поглощающих пленок. Поглотитель, конечно уменьшает коэффициент усиления лампы, что можно компенсировать некоторым удлинением замедляющей системы. Отраженнан волна, создающая обратную связь, ослабляется два раза: 1) при движении волны в обратном направлении и 2) при движении волны в прямом направлении.

Из соотношения (4.34) при заданных 1 и сг можно приближенно определить, какое затухание должен иметь поглотитель в приборе.

Для минимизации коэффициентов отражения щ и аг необходимо в широкой полосе согласование замедляющей системы с регулярными линиями - волноводными или коаксиальными. Эти функции в ЛБВ выполняют входные и выходные согласующие устройства. От успешного решения вопросов широкополосного согласования в большой степени зависит устойчивость работы прибора и ширина полосы усиливаемых частот.

§ 4.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ЛБВ

Для определения максимальных значений выходной мощности и кпд ЛБВ необходимо рассмотреть ее нелинейные свойства. Допущения, положенные в основу линейной теории, не всегда справедливы в реальных приборах, особенно для ЛБВ средней и большой мощности. В данном случае амплитуды переменных состав-ляющих скорости, тока и плотности пространственного заряда сравнимы с соответствующими постоянными составляющими.

Согласно нелинейной теории максимальная величина электронного кпд ЛБВ имеет порядок

Tj-(24-3)C. (4.35).

Параметр С определяет не только усиление лампы, но и значение максимального кпд. Следовательно, для увеличения кпд не-

.5ХОДИМО увеличивать С, т. е. повышать сопротивление связи замедляющей системы и увеличить отношение lo/Uo. . Реальный кпд мощных ЛБВ ниже, чем у мощных многорезо-аторных 1клистронов, и составляет примерно 20-30%.

Основными характеристиками ЛБВ являются: амплитудная, ча-этная и фазовая. Рассмотрим рис. 4.7. Начальный участок ха-актеристик является линейным, затем с увеличением входной мощности наступает насыщение. Такая же амплитудная характеристи-


ис. 4.7. Зависимости выход-ной мощности и коэффициента усиления от уровня входной мощности

3150 J-JO Рис. 4.8.

J75D

ШО <>250

Частотная характеристика УВ-7

Ю

ЛБВ

а рассматривалась нами в случае мощного многорезонаторного клистрона. Коэффициент усиления ЛБВ имеет наибольшую величину на линейном участке характеристики. Однако наибольшее значение кпд получается на нелинейном участке в области макси-мума амплитудной характеристики. Поэтому при работе ЛБВ в качестве входного усилителя, когда важен высокий коэффициент усиления, используют линейный участок амплитудной характеристики. ЛБВ, работающие в качестве мощных выходных усилителей передатчиков, когда важны высокие значения кпд и выходной мощности, используют в режиме максимального кпд.

Зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты при фиксированной величине входной мощности называется частотной характеристикой рис. 4.8. По частотной характеристике можно определить ширину рабочей полосы частот ЛБВ. Ширина полосы частот ЛБВ составляет величину от нескольких десятков до сотни процентов от средней частоты диапазона. В качестве примера приведем параметры маломощной широкополосной ЛБВ WJ3026 (США): рабочий диапазон частот 2,5-10 ГГц, усиление 25 дБ, коэффициент шума 12 дБ. Широко-полосность - особенно ценное свойство ЛБВ.

Фазовые характеристики ЛБВ определяются разностью фаз между колебаниями на входе и выходе в зависимости от различных факторов: частоты усиливаемых колебаний, изменения ускоряющего напряжения, тока пучка и т. д. Знание фазовых характери-




стик необходимо для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых ЛБВ.

Лампы бегущей волны в зависимости от уровня выходной мощности условно разделены на три класса: маломощные, средней мощности и мощные ЛБВ. К первому классу относятся малошумя-щие ЛБВ с выходной мощностью несколько милливатт. Применяются для усиления входных сигналов в различных свч приемниках.

ЛБВ средней мощности (рис. 4.9) имеют выходную мощность от нескольких сотен милливатт до единиц ватт. Используются в

качестве тромежуточнык усилителей, а также в качестве выходных усилителей мощности в маломощных передатчиках.

Мощные ЛБВ разрабатываются для им1пульсяого и для непрерывного режимов работы. Выхоиная М'ощность им-отульсных ЛБВ составляет от нескольких сотен киловатт до единиц мегавагп-. Примером мощной И1М1пуяьаной ЛБВ может служить УА12йВ (США). Рабочий диапазон частот 2,9-3,25 ГГц, выходная мощность 2 МВт, коэффициент усиления 35 дБ. Ток пучка 75 А напряжение 120 кВ.

ЛБВ непрерывного действия имеют выходную мощность


Рис. 4.9. Конструкция ЛБВ средней мйщности:

I - УВ 7 вместе с фокусирующей системой в виде соленоида: 2 - УВ-7 без соленоида; 3 - УВ-229 без соленоида; 4 - ЛБВ с фокусирующей системой в виде лостоянных магнитов

------ ...---. -*....wi jjijf ivy m\L±tl.\.r\~ I а

порядка 1неокольких сотен ватт. Мощные ЛБВ применяются в передатчиках радиолокаци'О'Нных станций, в системах коамичеокой связи и т. д.

Если при разработке входных ЛБВ основное внимание уделяют получению минимально возможного значения коэффициента шума, то в ЛБВ для промежуточных усилителей - коэффициенту усиления, а для мощных ЛБВ - значению выходной мощ^ ности и кпд.

Существующие ЛБВ перекрывают диапазон от 0,5 до 70 ГГц. В последние годы значительная доля ЛБВ (25%) приходится на уровни мощности 100 кВт. Расширяется также выпуск ЛБВ миллиметрового диапазона, однако наиболее широко применяется ЛБВ до частот 18Н-20 ГГц.

§ 4.5. ШУМЫ ЛБВ

Шумы определяют минимальную величину сигнала, которую может усилить ЛБВ. Влияние собственных шумов любого усилителя, в том числе и с ЛБВ, характеризуется коэффициентом шума,

- 72 -

[который показывает, во сколько раз отношение мощностей сигнала и шума на выходе усилителя хуже этого же отношения на его входе, т. е.

Рвых/Р„

(4.36)

, Наиболее существенный фактор шума ЛБВ - собственные шумы электронного потока. Эмиссия с катода вызывает шумы в виде случайных изменений плотности конвекционного тока и скоростей электронов (дробовой эффект). Уровень шумов зависит от конструкции электронной пушки и режима ее работы. Шумы электронного потока уменьшают, создавая определенные изменения потенциала между катодом и началом замедляющей системы, для чего применяют электронные пушки специальной многоанодной конструкции.

На минимизацию коэффициента шума влияет величина магнитного поля в области электронной пушки. В этой области магнитное поле должно быть сильнее, чем в области замедляющей системы. Так, в малошумящей ЛБВ 3-сантиметрового диапазона в области пушки магнитное поле составляет 0,15007, а в области спирали - 0,0750Г

Разброс скорости электронов тем меньше, чем ниже температура катода и более однородна эмитирующая поверхность. В будущем для малошумящих ЛБВ возможно удастся разработать холодные катоды, например, использующие туннельный эффект, что значительно уменьшит шумы электронного потока.

Другим источником шума ЛБВ является шум. который возникает из-за оседания части электронов пучка на электродах пушки и на замедляющей системе. Влияние токораспределения на уровень шумов можно уменьшить хорошей фокусировкой пучка, обеспечивающей практически прямолинейные траектории электронов.

На уровень шума ЛБВ влияют также ионы, существующие в приборе из-за невысокого вакуума. Ионы имеют малую скорость и не могут выйти из электронного потока. Под действием сил пространственного заряда и аксиального магнитного поля ион описывает кривую, напоминающую циклоиду. При этом возникают колебания и на постоянный электронный ток накладывается переменный ток. При наличии высокочастотного сигнала ионные колебания приводят к паразитной амплитудной и частотной модуляции выходного сигнала. Единственным средством устранения этих шумов является высокий вакуум в лампе (не ниже ЗЮ- мм рт. ст.).

Потери в замедляющей системе оказывают также некоторое влияние на уровень шумов. Шумовой сигнал, возникающий в замедляющей системе, пропорционален ее абсолютной температуре и абсолютной величине высокочастотных потерь. Поэтому для получения весьма низкого уровня шума необходимо охлаждать лампу бегущей волны, например, погружая ее в жидкий азот.

- 73 -



1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ 10 ] 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30