12.3. Рабочие характеристики лбв-о

Разработчиков конкретной аппаратуры интересуют характери­стики готовых приборов: режимные, частотные, амплитудные, моду­ляционные и др.

Основными параметрами ЛБВ как усилителя СВЧ-колебаний являются коэффициент усиления К, выходная и потребляемая мощ­ности Р и Р₀, диапазон усиливаемых частот и равномерность К в этом диапазоне. В некоторых случаях к числу существенных относят коэффициент шума, фазовый набег, коэффициенты нелинейных и перекрестных искажений, температурную стабильность и др.

Все перечисленные параметры зависят прежде всего от режима питания лампы, т.е. от напряжений на ее электродах. Значения напря­жений на электродах предварительной фокусировки (U_ф на рис. 12.1) обычно подбираются изготовителями ЛБВ и при эксплуатации не варьируются. Изменению может подвергаться напряжение на спи­рали и реже на коллекторе.

Ускоряющее напряжение (спираль — катод) определяет началь­ную скорость электронов (12.2). Для поддержания синхронизма дви­жения пучка электронов с волной и передачи энергии от пучка волне эта скорость должна лишь незначительно превышать фазовую ско­рость волны:

.

Поэтому усиление ЛБВ на фиксированной частоте происходит в ограниченном диапазоне ускоряющих напряжений (рис. 12.10). Фазовый сдвиг сигнала в основном зависит от времени прохождения электронов и самого сигнала в замедляющей системе длиной l: Т = l/ , где < _э,и числа периодов высокочастотных колебаний укладывающихся на этом промежутке времени.

В пределах зоны усиления набег фазы изменяется на два-три периода в соответствии с изменением скорости электронного потока

Рис. 12.10. Пример зависимости коэффициента усиления и задержки фазы в ЛБВ от напряжения на спирали (ЛБВ типа УВ-34 10-сантиметрового диапазона)

и, следовательно, результирующей фазовой скорости волны (см. рис. 12.10).

Частотные характеристики ЛБВ определяются двумя факторами: типом замедляющей структуры (дисперсионной характеристикой структуры) и свойствами согласующих устройств — элементов связи структуры с входными и выходными фидерами. Наибольшую полосу имеют лампы со спиральными структурами. Фазовая ско­рость волн в таких структурах почти не зависит от частоты, а полоса усиления ограничена лишь частотными характеристиками согласую­щих элементов и достигает в лучших конструкциях одной-двух октав. Равномерность амплитудно-частотной характеристики ламп со структурами спирального типа также достаточно высокая.

В мощных ЛБВ-0 спиральные замедляющие системы использо­вать не удается главным образом из-за трудностей отвода тепла. Для таких ламп разрабатываются структуры типа связанных резонаторов, диафрагмированных волноводов, структуры лестничного типа (рис. 12.11).

Подобные замедляющие системы применяются и в ЛБВ миллиметрового диапазона как наиболее технологичные.

Дисперсионные характеристики монолитных структур, которые изображены на рис. 12.11, определяют полосу усиления ЛБВ, которая не превышает для них 20 % центральной частоты рабочего диапазона.

Рис. 12.11. Эскизы сечений замедляющих структур мощных ЛБВ-О (штрихо­выми линиями обозначены потоки электронов)

Значительная полоса усиливаемых частот позволяет в ряде слу­чаев даже при работе с широкополосными сигналами не учитывать частотные искажения. Вместе с тем у ЛБВ, используемых в промежу­точных и выходных каскадах, могут заметно проявляться нелиней­ные искажения, обусловленные зависимостью фазового набега и коэффициента усиления от уровня входного сигнала.

Этот коэффициент уменьшается при возрастании входной мощ­ности, а выходная мощность Р_вых = КР_ВХ достигает максимального значения (мощности насыщения) при пониженном на 3...6 дБ коэффициенте усиления относительно коэф­фициента усиления малого сигнала (рис. 12.12).

Нелинейные свойства ЛБВ, проявляющиеся в ее амплитудных характеристиках, необходимо учитывать при проектировании широкополосных

Рис. 12.12. Пример зависимостей выходной мощности (штриховая линия), коэф­фициента усиления (а) и вариации фазового набега (б) от уровня входного сиг­нала:

— коэффициент усиления, входная и выходная мощности в режиме насыщения (максимум выходной мощности) (ЛБВ типа УВ-34; К₀ = 33 дБ) многоканальных систем передачи информации, таких как радиорелейные линии, спутниковые ретрансляторы телевизион­ных программ, системы передачи больших объемов цифровой информации. Дело в том, что при одновременном усилении в ЛБВ нескольких (даже двух) сигналов изменение амплитуды одного из них влияет на выходной уровень и фазу остальных сигналов. Взаим­ное влияние сигналов приводит к перекрестным искажениям, умень­шить влияние которых удается стабилизацией параметров сигналов и использованием специальных помехоустойчивых видов модуляции и кодирования.

Наряду с перекрестными искажениями в режимах большого сиг­нала происходит возникновение дополнительных комбинационных составляющих спектра с частотами f = f_k ± n(f_k - f_m),

где f_k,,f_m — несущие частоты k-го и m-го каналов, a n — целые числа (рис. 12.13).

При одновременном усилении в ЛБВ нескольких независимых сигналов приходится располагать несущие частоты отдельных кана­лов так, чтобы минимизировать взаимное перекрытие их спектров со спектрами возникающих комбинационных компонент.

Для мощных ЛБВ, особенно для ламп, используемых в бортовых системах, важным параметром является электронный КПД

=P/P₀, (12.11)

где P₀ и Р — потребляемая и отдаваемая мощность.

Повышение КПД достигается в основном двумя путями. Первый — увеличение высокочастотной энергии, отдаваемой электронами полю, — осуществляется в так называемых изохронных ЛБВ с переменным

Рис. 12.13. К появлению комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала ЛБВ

шагом замедляющей структуры. В этих приборах условие синхронизма по мере торможения электронных сгустков поддержи­вается соответствующим уменьшением фазовой скорости волны.

Второй путь состоит в применении рекуперации — снижении пос­тоянного напряжения на коллекторе по отношению к напряжению U_c. В этом случае электроны, снизившие свою скорость к концу участка взаимодействия с полем, все-таки оказываются способными преодо­леть тормозящее электрическое поле в пространстве между структу­рой и коллектором и осесть на коллекторе. При этом мощность, рас­сеиваемая на коллекторе, уменьшается.

Снижение потребляемой мощности Р₀ и увеличение отдаваемой высокочастотной мощности Р позволяет поднять КПД от 10 до 50 %.