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

где £i(0) и £2(0) - начальные амплитуды парциальных волн (z=0); Г1 и Г2 - постоянные распространения волн.

Рассмотрим частный случай холодного синхронизма, когда скорость невозмущенной волны равна скорости электронного пото- са, т. е. ro=iPe. Согласно выражению (5.21) получаем условие 6 = 0, тогда дисперсионное ур-ние (5.23) принимает вид

б = 1/Г (5.25)

ЧСорни данного уравнения являются действительными числами: в1д=±1. Оказывается, что в этом режиме входной свч сигнал Е{0) разделяется на две волны равной амплитуды:

£,(0) = £2(0)=0,5£(0). (5.26)

Подставляя полученные значения в выражение (5.24) с учетом (5.21), имеем

£(г, /) = £(0)

= £(0)(chp,Dz)e{< - .-). (5.27)

Следовательно, в случае холодного синхронизма полное поле образовано волной, бегущей со скоростью электронного потока, амплитуда которой возрастает в направлении движения по закону ги-яерболического косинуса.

Отсюда определим коэффициент усиления лампы:

G = f=ch2nDN (5.28а)

[дБ] = 0lgch2лШ, (5.286)

где N=11А - число замедленных длин волн Л, укладывающихся на длине лампы /, или электрическая длина лампы.

При достаточно большой длине лампы убывающей парциальной яюлнои в выражении (5.24) можно пренебречь и получить следую-лцие приближенные формулы для коэффициента усиления:

С^0.5е= ; (5.29а)

С[дБ]=54.6Ш-6. . (5.296)

Wa.pHc. 5.14 показаны зависимости коэффициента усиления от длины лампы, построенные по точной (5.28) и по приближенной (5.29) формулам. Видно, что при усилении более 6 дБ кривые практически совпадают.

Если условие холодного синхронизма не выполняется (6=50), то усиление лампы

[дБ] =BDN-A, (5.30)

тде А - начальные потери; В - фактор усиления.

Зависимость постоянных Л и В от параметра синхронизма b по-сазана на рис 5.15. Таким образом, при нарушении синхронизма д^силение падает, а при Ь= ±2 прекращается.

- 98 -

Приведенный выше анализ ЛБВ типа М является линейным. Рассмотрим екоторые результаты нелинейного анализа. Зависимость выходной мощности и коэффициента усиления от входной мощности носит специфический характер, Ьбусловленный механизмом взаимодействия. Малый входной сигнал обеспечивает лишь слабую группировку и волнистость электронного потока. Поскольку ектроны удалены от замедляющей системы, взаимодействие, а вместе с ним

С.дБ 20 IS 10

А

г OJt DN

а

Рис. 5.14. Зависимость коэффициента усиления от длины ЛБВ типа М:

; -по (5.28); 2-по (5.29)


-3 -г -/ О 1 ь.

Рис. 5.15. Зависимость постоянных Л и В от параметра b

1Ыходная мощность и усиление малы. Увеличение входного сигнала улучшает руппировку, и электроны, приближаясь к замедляющей системе, увеличивают и 1ыходную мощность, и усиление. Когда электроны начинают оседать на конец медляющей системы, прилегающий к коллектору, происходит насыщение вы-1ДН0Й мощности, а коэффициент усиления начинает падать. Таким образом, существует оптимальная величина входного сигнала, соответствующая максимальному усилению. Значение максимального коэффициента усиления хорошо

(аовпадает с результатами линейного анализа по ф-ле (5.28). Электронный коэффициент полезного действия усилителя I Т1е=п[1-m(t/s/t/o)l, (5.31)

ре Vt - потенциал статического поля в плоскости входа электрона в простран-1тво взаимодействия; п и т-безразмерные коэффициенты. , Обычно п~0.8; т~2-:-3, t/,/t/o==0,l4-0,2, что дает по ф-ле (5.31) значения-кпд Т]е = 40-607о.

\ В настоящее время импульсные усилительные ЛБВ типа М перекрывают сантиметровый и дециметровый диапазоны волн с вы-Кодными мощностями соответственно от 10-100 кВт до 1-10 МВт Bipa кпд до 50-60%. Приборы непрерывного режима работают в WOM же диапазоне при кпд до 40% и выходных мощностях соответ-Иственно от 100 Вт до 100 кВт. Коэффициент усиления составляет бычно 12-16 дБ при относительной полосе пропускания до 10- 1*25%. Максимально достигнутое усиление составляет 20 дБ. Н Конструкция приборов сантиметрового диапазона обычно плос-Н<ая, а в дециметровом - цилиндрическая для уменьшения габари-твоъ.

Основными областями применения усилителей на ЛБВ типа -являются радиолокация, а также системы связи. .4* - 99 -



§ 5.9. ГЕНЕРАТОР HA ЛОВ ТИПА М

В ЛОВ типа М электронный пучок взаимодействует с обратной пространственной гармоникой волны в замедляющей системе. Средняя скорость электронов совпадает с фазовой скоростью обратной гармоники, а групповая скорость волны направлена навстречу им, что обусловливает наличие внутренней положи тельной обратной связи. Поэтому данный прибор, как и ЛОВ типа О, может служить и усилителем, и генератором.

Рассмотрим рис. 5.16. Со стороны катода лампы расположен вывод энергии, а со стороны коллектора - поглотитель. Постоянные напряжения, прикладывае-


Рнс. 5.16. Устройство генератора на ЛОВ типа М:

/ - катод; 2 - электронный пучок; 3 - основание; 4 - замедляющая система; 5 - поглотитель; 6 - коллектор; 7 - фокусирующий электрод; 8 - вывод энергии

мые К прибору, такие же, как и для ЛБВ типа М. Аналогичны и процессы формирования пучка, группирования электронов и энергообмена между пучком и полем волны.

Дисперсионное уравнение имеет вид, подобный (5.23), однако наличие обрат иой гармоники меняет знак перед одним слагаемым:

Ъ^ + 1ЬЪ-\-\=0. (5.32)

Как установлено ранее, наибольшее усиление возникает при холодном синхро иизме. поэтому ЛОВ типа М самовозбуждается при условии

6 = 0. (5.33)

.Это условие с учетом ф-лы (5.21) эквивалентно выражению

Vф = Ve= Ев/В, (5.34)

где иф - фазовая скорость обратной гармоники волны.

Условия (5.33), (5.34) определяют частоту генерируемых колебаний. Дейст-ительно, по дисперсионной характеристике c/vi),=F(K) можно найти частоту колебаний, соответствующих данной фазовой скорости.

Особенностью ЛОВ типа М является линейность частотной -характеристики, ебусловленная прямой пропорциональностью между ускоряющим напряжением Uo и скоростью электронов. Если работать на линейном участке дисперсионной характеристики, то частота является линейной функцией напряжения Uo, что очень удобно для практических применений. В приборах типа О скорость элек тронов и соответственно частота пропорциональны Uo, т. е нелинейно зависят от ускоряющего напряжения.

Определим пусковой ток генератора. Подставим условие (5.33) в дисперси онное ур-ние (5.32) и найдем два корня

(5.35)

Подставляя корни в ф-лу (5.24), с учетом ныраженнй (5.21) и (5.26) получим полное поле в лампе:

£ (г. О = (е + e-iP.Dz) (ш/ р, г)

(5.36)

Поскольку в генераторе обратной волны амплитуда полного поля в конце Ьампы при z=l обращается в нуль, то Е(1)=0. Подставляя это граничное условие в выражение (5.36), имеем

или

е'Р^°+е- °=0

(5.37)

читывая формулу Эйлера, запишем последнее уравнение в виде

cos2PeD/= - 1

PDZ = (2m- 1)п/2.

[де т= I, 2, 3... - номер вида колебаний.

Условие (5.37) определяет пусковой ток или пусковую длину ЛОВ типа М Ьри различных видах колебаний. Подставляя значение параметра D из (5.22), элучаем выражение для пускового тока /пуск п.:

/пуск т-(2т-\) (5.38)

ледовательно, пусковой ток обратно пропорционален сопротивлению связи и квадрату длины лампы. С ростом номера вида колебаний пусковой ток увели-Мивается.

Найдем распределение поля в лампе, для чего в ф-лу (5.36) подставим вы-ажение (5.37):

£(2. О = £(0)cos

(2m - 1)---

(5.39)

11так, амплитуда полного поля в ЛОВ типа М меняется по косинусоидальному закону. Для основного вида колебаний (т=1) вдоль лампы укладывается 1/4 ериода, для второго вида - 3/4 периода и т. д.

Частота генерации согласно (5.33) не зависит от номера вида колебаний. Однако это справедливо только при нулевом пространственном заряде. Наличие Ьространственного заряда меняет фазовую скорость полного поля, в результате чего частоты различных видов колебаний отличаются друг от друга (обычно на есколько процентов). Чтобы не засорять спектр генерируемых частот, рабочий ьток уменьшают до таких значений, при которых пусковые условия выполняются только для основного вида.

Максимальный кпд генератора может быть оценен по ф-ле (5.31) для уси-Ктптельного прибора, что дает значения электронного кпд около 40-60%.

К настоящему времени разработан ряд генераторных ЛОВ типа М в основам для непрерывного режима работы. Конструкция их преимущественно ци-линдрическая, тип замедляющей системы - обычно встречные штыри Генерато-► ры перекрывают диапазон частот от 0,15 до 18 ГГц с выходными мощностями от 5 кВт до единиц ватт. Диапазон электронной перестройки достигает 30-40%, ролный кпд - до 35-40%. Охлаждение обычно жидкостное.

Лампы обратной волны типа М являются сейчас самыми мощными генера-орами свч с электронной перестройкой. Синхронизированные генераторы на ба-1зе ЛОВ типа М (карпитроны), обладающие высокой частотной стабильностью, \а также относительно низким уровнем шумов, перспективны для использования I в различных ЧМ системах связи.

В ряде случаев ЛОВ применяют в качестве узкополосных усилителей с электронной перестройкой полосы усиления. Для этого вместо поглотителя помещают ввод энергии и работают при токах ниже пускового.

§ 5.10. МИТРОН

Митроном называется генератор магнетронмого типа с внешней Гной системой низкой добротности, обладающий весьма широким электронной перестройки частоты, Митрон (рис

5.17) имеет

колебатель-диапазоном цилиндрическую



конструкцию, причем анодный блок образован свернутой в кольцо системой типа встречные штыри /, укрепленной на двух кольцах 3. Коаксиально анодному блоку размещены неэмиттирующий холодный катод 2 и эмиттирующий катод 5. Последний вынесен из пространства взаимодействия, поскольку для широкополосной перестройки по частоте анодным напряжением необходимо поддерживать число поступающих электронов постоянным.


Рис. 5.17. Митрой: а) конструкция; б) анодный блок с холодным катодом

(7 -штыри анодного блока; 2 - холодный атзд; 3 -кольца; 4 - управляющий электрод; 5- эмиттирующий катод)

Управляющий электрод 4 конической формы находится под положительным потенциалом относительно катода и создает поле с радиальной и осевой составляющими. Под воздействием этого электрического и внешнего осевого магнитного поля электроны, эмиттированные катодом, двигаются по сложным спиральным траекториям и входят в пространство взаимодействия. Изменением напряжения на управляющем электроде регулируют ток, а также выходную мощность. Вакуумная оболочка прибора образована четырьмя керамическими кольцами, которые служат также изоляторами.

Прибор помещается во внешнюю колебательную систему низкой добротности, которая является промежуточным звеном между анодным блоком и высокочастотной нагрузкой. В качестве внешних колебательных систем митронов слу жат резонаторы на отрезках волноводов и тороидальные резонаторы.

Принцип действия митрона можно объяснить так: электроны, введенные в пространство взаимодействия, образуют кольцевое облако пространственного заряда, вращающееся вокруг холодного катода с постоянной угловой скоростью, определяемой отношением полей EajB. Флуктуации плотности пространственного заряда вызывают появление сгустков и разрежений электронов - азимутальной волны пространственного заряда. В такой волне в силу ее замкнутости существует внутренняя обратная связь, что и приводит к самовозбуждению генератора. В процессе взаимодействия потенциальная энергия электронов переходит в энергию высокочастотного поля, и электроны постепенно перемещаются к аноду.

Оценим частоту колебаний /, генерируемых митроном. Для противофазного режима работы, учитывая условие синхронизма Уе = иф, имеем /=0,5 Уе/о, где о - среднее расстояние между штырями.

Поскольку

1>е = £ ,/В =-

С-а - -к) В где Л' - число штырей, то частота

0 = - Са+ ),

4SL В

(5.40)

Таким образом, частота генерации прямо пропорциональна анодному напряжению, что хорошо подтверждается экспериментом.

Современные промышленные митроны работают в диапазоне частот от 0,19 по II ГГц Выходная мощность митрона существенно зависит от добротности внешней колебательной системы и тем самым от возможной полосы электрон-

ой перестройки. Маломощные митроны с мощностями от 1 до 1500 мВт харак-:ризуются коэффициентом электронной перестройки (отношением максимальной :нерируемой частоты к минимальной), равным 2 или 3. Мощные митроны (3- Ю Вт) имеют коэффициент перестройки от 1,1 до 1,5. Кпд мощных митронов

;остигают 30-60%. Крутизна перестройки митронов (0,19-10 МГц/В) сущест-енно выше крутизны перестройки частоты ЛОВ типа О и М. Достоинствами итронов являются также линейность частотной характеристики, малые перепа-

;ы выходной высокочастотной мощности в диапазоне перестройки, компактность малый вес. Митроны малой мощности применяются в качестве гетеродинов обо широкополосных приемников и свипгенераторов в генераторах сигналов.

§ 5.11. ПЛАТИНОТРОН (АМПЛИТРОН И СТАБИЛОТРОН)

Конструкции платинотрона и магнетрона во многом сходны. Электронный поток создается цилиндрическим катодом, коаксиаль-1ЫМ кольцевой анодной замедляющей системе, статическое магнит-ioe поле параллельно оси прибора. Однако у платинотрона замед-1яющая система разомкнута и имеет на обоих концах согласован-1ые выводы энергии (рис. 5.18). Наличие двух высокочастотных

й) 6)


Рис. 5.18. Схематическое устройство: а) магнетрона; б) платинотрона

(/ - связки; 2 -катод; 3-выход; 4 -вход)

1водов позволяет использовать платинотрон в качестве усилителя, согласованная с двух сторон замедляющая система обусловливает широкополосность усиления.

В платинотронах обычно используется замедляющая система Ьопаточного типа, интенсивно охлаждаемая водой. Лопатки, как и Ьегменты в магнетронах, через один соединяются связками. Замед-чяющая система размыкается благодаря разрыву связок, которые подключаются, с одной стороны, ко входному, а с другой - к выходному выводам энергии. Связки подключаются так, чтобы обеспечить широкополосное согласование между замедляющей систе-йой и внешними передающими линиями.

Платинотрон может быть использован двумя способами. Если -- J используют в качестве мощного усилителя, то называют ампли- троном. Если же к платинотрону подключена цепь обратной свя-зи, содержащая высокодобротнын стабилизирующий контур, то Прибор вместе с указанным внешним устройством называют ста-



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