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

Коэффициент шума в относительных единицах [18]

Го С

где Тк - температура катода; °К; Tq - температура окружающей среды, °К; С - параметр усиления.

Малошумящие ЛБВ используются в усилителях слабых сигналов в разнообразных приемных устройствах свч. В частности, во входных усилителях ретрансляционных станций радиорелейных линий связи. Коэффициент шума современных ЛБВ 3-4 дБ в диапазоне 10 см. Коэффициент усиления обычно 25-40 дБ. Минимальный коэффициент шума, достижимый в настоящее время для ЛБВ, выше, чем у мазеров или полупроводниковых параметрических усилителей. Поэтому в тех случаях, когда ширина полосы не играет роли, ЛБВ уступает указанным приборам.

§ 4.6. ГЕНЕРАТОР НА ЛБВ

При наличии внутренней или внешней цепи обратной связи ЛБВ может быть преобразована в генератор. В качестве внешней цепи обратной связи может быть использован отрезок волновода или коаксиальной линии, соединяющей выход лампы со входом. Внутренняя обратная связь в усилителе существует за счет волны, отраженной от конца замедляющей системы. Для -самовозбуждения необходимо выполнение условий баланса амплитуд и баланса фаз. Первое условие выполняется, когда мощность, отдаваемая электронным потоком, достаточна для компенсации потерь в замедляющей системе и в нагрузке. Второе условие состоит в том, что суммарный сдвиг фаз в лампе ij? и в цепи обратной связи ijJqc должен быть кратен 2л:

Ф + Фос = 2я/л, /72 = 1, 2, 3 .. - (4.37)

или в случае обратной связи за счет отраженной волны

со/ , со/ о

--!--= 2п т,

(4.38)

где Оф - фазовая скорость нарастающей волны в замедляющей системе, зависящая от частоты *л и скорости электронов Vei Uo - скорость отраженной волны, являющейся функцией частоты; / - длина системы.

Запишем условие (4.38) в следующем виде:

+--2лт=0. (4.39)

Сф(со, Ve) Vo{m)

Уравнение (4.39) позволяет определить крутизну электронной настройки d(o/dve. По правилам дифференцирования неявных функций

fa = J- J- + Г = о,

dco dve dve

(4.40)

ткуда

dVe дР

(4.41)

Определив частные производные и подставив в (4.41), получаем

d W

(4.42)

\ со 3 со/

В выражении (4.42) переменную Ve заменим другой переменной р/о, воспользовавшись ф-лой (1.11). Тогда

d to dUo

J Vq dvo \ V CO 3 со/

(4.43)

Величина dvo/da характеризует дисперсию замедляющей системы.

Анализ выражения (4.43) показывает, что крутизна электронной настройки будет тем больше, чем ближе будет величина

/- - -] к нулю. Для этого необходимо, чтобы dvoldxnX). Это \ со а со/

1начает, что замедляющая система должна обладать отрицательной дисперсией.

Согласно условию (4.38) существует ряд дискретных областей генерации, соответствующих различным значениям т (рис.4.10).


Рис. 4.10. Зоны генерации при дисперсии: а) положительной; б) отрицательной. Диапазон электронной настройки в пределах каждой зоны указан толстой линией

Г

Так как электрическая длина ЛБВ большая, то интервалы частот между соседними зонами колебаний оказываются очень малыми, и потому обычно наблюдаются перескоки частоты и мпогочастот-ность. В пределах каждой зоны возможна электронная настрой-



ка. На рис. 4.11а фазовые условия самовозбуждения, соответствующие разным т, представлены наклонными прямыми, выходящими из начала координат. Здесь же представлена дисперсионная характеристика замедляющей системы с положительной дисперсией. Точки пересечения дисперсионной характеристики с наклонными прямыми дают центры зон генерации. Диапазон электронной


Рис. 4.11. Схема ЛОВ: / - электронная пушка; 2 -вывод энергии; 3 - замедляющая система; <-поглотитель; 5 - коллектор; 6 - фокусирующая система

перестройки в пределах каждой зоны невелик, поскольку небольшое изменение скорости электронов нарушает синхронизацию их с волной. Как видно из рис. 4.11а, при одном значении скорости электронного потока возможно одновременное возбуждение нескольких частот, соответствующих различным т. С увеличением крутизны дисперсионной характеристики улучшается разделение зон колебаний по ускоряющему напряжению (скорости электронов), но становится хуже разделение по частоте. Изменение напряжения приводит к перескоку частоты из одной зоны колебаний в другую. Плавное изменение частоты колебаний в широких пределах не достигается.

Если дисперсия отрицательна (рис. 4.116), крутизна дисперсионной характеристики может быть равной крутизне одной из наклонных прямых, что обеспечит синхронизацию при данном т в широкой полосе частот. Диапазон электронной настройки увеличивается, однако создание генераторов, использующих замедляющие системы с отрицательной дисперсией, более естественно на принципах ЛОВ.

В заключение следует отметить, что, несмотря на широкополосные свойства в режиме усиления, ЛБВ как генератор не позволяет получить хороших результатов.

§ 4.7. ЛАМПА ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

Устройство лампы обратной волны показано схематически на рис. 4.12. В за.медляющей системе расположен поглотитель, устраняющий отражение от конца системы и предотвращающий воз-

буждение на прямой волне. Для фокусировки электронного потока используется соленоид или постоянный магнит. В отличие от ЛБВ, электронный поток взаимодействует с одной из обратных прост-панственных гармоник бегущей волны, которая, как нам известно из §4.1, характеризуется тем, что ее фазовая и групповая скорости

5000

-у / /

Г

у

Рис. 4.12. Зависимость кпд ЛОВ от от-I ношения рабочего тока к пусковому

Рис. 4.13. Зависимости частоты и выходной мощности ЛОВ от ускоряющего напряжения

Так как сопротивление связи пространственных гармоник резко уменьшается с увеличением номера гармоники, то в ЛОВ используются обычно такие замедляющие системы, в которых обратная пространственная гармоника является основной гармоникой либо минус первой. Для эффективного взаимодействия в ЛОВ также, как и в ЛБВ, необходимо выполнение условия синхронизма, т. е. Ve~v. Движение электронного потока должно совпадать с направлением фазовой скорости, при этом энергия в замедляющей системе в соответствии с направлением групповой скорости распространяется навстречу электронному потоку, т. е. от коллектора к пушке. Поэтому в ЛОВ вывод энергии необходимо располагать возле электронной пушки.

Распространение энергии в направлении, обратном движению электронного потока, создает внутреннюю положительную обратную связь между полем волны и потоком электронов. Эта связь распределена во всем пространстве взаимодействия. Часть энергии волны возвращается электронному потоку, что способствует дальнейшему группированию потока и возникновению автоколебательного режима.

Условие баланса фаз в данном случае, как и в любом авто-

tгенераторе, сводится к тому, чтобы суммарный сдвиг фаз в генераторе и в цепи обратной связи был кратен 2л: Р11-ЬР2г=2л/п, /п = 1, 2 . ., (4.44)

где В, И Р2 - постоянные распространения волны в замедляющей системе и электронном потоке; U и k - длины соответствующих участков петли обратной связи.



Так как обратная связь существует на всем протяжении пространства взаимодействия, то можно считать, что k=l2 = l.

Для создания широкополосного генератора необходимо, чтобы условие (4.44) при фиксированном значении tn выполнялось во всем диапазоне частот. Это возможно, если изменение с частотой Pi будет компенсировано изменением рг, т. е. независимо от частоты колебаний вдоль петли обратной связи будет укладываться одно и то же число длин волн. Из условия (4.44) получаем

Так как - =i;r. имеем

Vn = -v- (4.45)

Следовательно, для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы групповые скорости на обеих половинах любой петли обратной связи были равны по величине, но противоположны по знаку.

Пусть в ЛОВ электронный поток взаимодействует с полем первой обратной пространственной гармоники, фазовая скорость которой совпадает с направлением движения электронного потока и равна

ф(-1)

(-1)

Для эффективного взаимодействия так же, как в ЛБВ, скорость электронного потока Vg должна немного превышать скорость волны Уф(-1). Приближенно будем считать Vev(-.i). Электроны группируются в сгустки, которые расположены в области тормозящего поля, и отдают при торможении часть своей кинетической энергии электромагнитной волне. В результате группировки в электронном потоке возникает волна, бегущая слева направо со скоростью и с фазовой постоянной Ре=(й/ е. Групповая скорость этой волны отрицательна, так как она направлена противоположно групповой скорости первой обратной пространственной гармонике. Следовательно, условие (4.45) будет выполняться в полосе частот, так как групповые скорости в замедляющей системе и электронном потоке по величине равны и противоположны по знаку. При изменении частоты это условие выполняется путем соответствующего изменения скорости электронов Ve, т. е. изменением ускоряющего напряжения.

Таким обра.зом, частота колебаний ЛОВ определяется, с одной стороны, параметрами замедляющей системы P{ i) (дисперсионной характеристикой), а с другой - скоростью электронного потока Ve, которая зависит от величины ускоряющего напряжения.

Приближенное количественное описание процессов взаимодействия электронного потока с полем обратной пространственной гармоники может быть получено в рамках линейной теории. Линейная

(теория ЛОВ строится аналогично подобной теории для ЛБВ. При выводе уравнения необходимо учесть изменение направления движения энергии по замедляющей системе. Получается дисперсионное уравнение, которое позволяет определить постоянные распрост-[ ранения электромагнитных волн, существующих в рассматриваемой системе.

Решение уравнения определяет пост15янные распространения для трех волн. В случае ЛОВ выходной сигнал уже нельзя рассматривать с учетом только одной нарастающей волны, как в ЛБВ. Поэтому, если в ЛБВ поле вдоль лампы нарастает по экспоненциальному закону, то в ЛОВ распределение поля носит более сложный характер, и это распределение следует объяснять как результат интерференции трех волн.

В [2] получены приближенные формулы для определения пускового тока ЛОВ и электронного КПД:

/ 0,124-, п 0,84С.

Пусковой ток уменьшается с увеличением сопротивления связи замедляющей системы, а также с увеличением электрической длины замедляющей системы. Так как величина параметра усиления С незначительна, то значение электрон1Ого кпд ЛОВ невелико, порядка нескольких процентов. На рис. 4.12 приведена зависимость кпд ЛОВ от отношения рабочего тока /о к пусковому. По оси ординат отложено отношение нормированного значения кпд к параметру С. Данная зависимость получена в результате решения уравнений нелинейной теории ЛОВ. При увеличении рабочего тока кпд увеличивается и соответственно выходная мощность. Максимальное значение кпд получается при отношениях /п п= = 35. Затем при увеличении значения рабочего тока кпд и выходная мощность уменьшаются.

Важными характеристиками ЛОВ являются зависимость выходной мощности и частоты генерируемых колебаний от величины . ускоряющего напряжения (рис. 4.13).

(Одним из замечательных свойств ЛОВ является электронная перестройка частоты генерируемых колебаний в широких пределах. Как видно из рис. 4.13, с увеличением ускоряющего напряжения частота генерируемых колебаний увеличивается. Частотная характеристика ЛОВ является нелинейной. Закон изменения частоты обусловлен дисперсией замедляющей системы, так как изменение меняет скорость электронов и, следовательно, условия синхронизма. Ширина рабочего диапазона электронной перестройки частоты генератора на ЛОВ определяется допустимыми пределами изменения выходной мощности. Отношение максимальной частоты рабочего диапазона к минимальной называется коэффициентом перекрытия диапазона. Изменение выходной мощности объясняется изменением ускоряющего напряжения, тока пучка и сопротивления связи замедляю-ж щей системы. Кривая выходной мощности весьма изрезана вслед-

т



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