konspekt_vpe

41

Рисунок 3. Амплітудні характеристики пролітного дворезонаторного клістрона.

Вихідна потужність залежить від струму електронного пучка, напруги прискорення, потужності вхідного сигналу і налаштування резонаторів. Напруга прискорення підбирається таким чином, щоб забезпечити оптимальне групування електронного пучка в області вихідного резонатора.

Максимум характеристики рис.3а відповідає оптимальним умовам групування. Подальше збільшення вхідної потужності приводить до того, що в області вихідного резонатора відбувається розгрупування електронів, і

потужність на виході падає. Вихідна потужність багаторезонаторних клістронів в режимі безперервного генерування доходить до 100 кВт, а в імпульсному режимі — до десятків мегават.

Смуга робочих частот в дворезонаторному клістроні залежить від смуги пропускання резонаторів і складає менше 1%. У багаторезонаторних клістронах при взаємному розладі резонаторів смуга пропускання досягає 10%.

В цьому випадку вихідний резонатор також налаштовується на частоту коливань, що посилюються. Якщо попередні резонатори забезпечують смугу 5 - 10%, то навантажена добротність Qн вихідного резонатора має бути не більше 10 ... 20. У меншій мірі смуга пропускання пролітного клістрона залежить від напруги прискорення,

відстані між резонаторами і амплітудами вхідного сигналу.

Фазочастотна характеристика залежить від взаємного розладу резонаторів. Відповідним розладом резонаторів можна добитися досить лінійної фазочастотної характеристики клістрона, пульсації напруги прискорення приводять до паразитної фазової модуляції вихідного сигналу.

Електронний ККД дворезонаторного клістрона не перевищує 59%, в багаторезонаторних клістронах він може досягати 80%. У табл.1 приведені параметри типових підсилювальних пролітних клістронів.

Таблиця 1. Усереднені параметри пролітних клістронів.

43

Для того, щоб клістрон зміг генерувати незгасаючі НВЧ - коливання, згустки електронів, при зворотному

русі, повинні проходити через резонатор в гальмівну фазу високочастотного поля. Цьому режиму відповідають

оптимальний час прольоту tопт електронів в просторі групування і оптимальний кут прольоту:

Зміна кута прольоту приводить до зменшення часу ефективної взаємодії електронів, що повертаються зі НВЧ-

полем резонатора і, як наслідок, зменшення амплітуди коливань і, нарешті, зриву генерації. Природно, що зміна

де п =1, 2, 3...—ціле число, що визначає номер зони генерації.

Кут прольоту міняється регулюванням напруги Uвідб на відбивачі.

Розгледимо основні параметри і характеристики відбивних клістронів.

Вихідна потужність відбивних клістронів не перевищує декількох ватів. На рис. 6,а показана залежність

цієї потужності від напруги на відбивачі в різних зонах генерації. Чим вище номер зони, тобто чим менше напруга

на відбивачі, тим менша вихідна потужність клістрона. Пояснюється це зменшенням модуляції пучка по щільності

із-за взаємного розштовхування електронів. Відбивні клістрони мають малий ККД (1... 3%), тому не можуть

розроблятися на великі потужності.

Рисунок 6. Характеристики відбивного клістрона: а — зміна потужності в зоні генерації; б — зміна частоти в

зоні генерації.

Частота коливань клістрона може мінятися в широких межах механічною перебудовою резонатора і у

вузькому діапазоні частот в межах зони генерації шляхом зміни напруги на відбивному електроді (рис. 6б).

Відхилення частоти генерації клістрона, при зміні напруги на відбивачі, пояснюється зміною реактивної

провідності, при проходженні електронного потоку резонатора клістрона.

Клістрони, що випускаються промисловістю, мають діапазон електронної перебудови f = 10.-..20 МГц на хвилях 0 = 10 см і f = 20-.50 МГц на хвилях 0 = 3 см. Діапазон механічної перебудови частоти в межах однієї зони генерації не перевищує ±25% середньої частоти. При зміні зони генерації діапазон механічної перебудови частоти можна збільшити до октави і більше. У таблиці. 2 приведені параметри типових відбивних клістронів.

Таблиця 2. Усереднені параметри відбивних клістронів

44

Відбивні клістрони застосовуються як гетеродини НВЧ - приймачів, задавальні генератори передавачів,

малопотужні однокаскадні генератори передавачів і у вимірювальній техніці.

Можливість електронної перебудови частоти клістрона дозволяє відносно просто вирішувати завдання автоматичного налаштування частоти гетеродина і стабілізації частоти задавального генератора передавача.

Відбивні клістрони можуть бути виконані в металевому оформленні з внутрішнім резонатором і в скляному балоні із зовнішнім резонатором. Найчастіше використовуються зовнішні резонатори тороподібної форми.

1.5. Лампи хвилі, що біжить.

Лампою хвилі що біжить (ЛБХ) називають прилад, який працює по принципу розподіленої взаємодії електронного потоку з прямою, рухомою уповільненою електромагнітною хвилею.

Це високоефективний підсилювач з широкою смугою посилення (порядку 20-30% від середньої робочої частоти), високим коефіцієнтом посилення (порядку 20-60дБ) та низьким рівнем технічних та природніх шумів.

Високий коефіцієнт посилення досягається завдяки тривалої взаємодії згустків електронного потоку з високочастотним полем уповільнюючих систем, які знижують фазову швидкість електромагнітної хвилі до швидкості електронів. Для різних частотних діапазонів використовуються різні уповільнюючі структури:

спіральні, циліндричні, гребінці та інші. Саме вони визначають частотний діапазон роботи приладу.

Спіральна уповільнююча система в ЛБХ використовується до 30 ГГц. При збільшенні частоти виникають труднощі пов‗язані з виводом енергії та відводом тепла, що частково знімається завдяки резонансним та планарним відкритим системам.

Конструкція ЛБХ, приведена на рис.7. Джерелом електронів є електронна гармата, утворена катодом,

керуючим електродом, першим та другим анаодами. Електронна гармата забезпечує необхідну швидкість,

начальне фокусування та керування струмом електронного потоку. Керування струму потоку відбувається за допомогою керуючого потенціалу Uкер. Швидкість потоку визначається прискорюючим потенціалом U0.

Рисунок 7. Лампа хвилі, що біжить: 1- катод; 2 – керуючий електрод; 3—перший анод; 4 — другий анод; 5

— вхідний хвилевід; 6 — перехід, що погоджує; 7—спіральна уповільнююча система; 8—локальний поглинач; 9—

вихідний хвилевід: 10 — колектор; 11 — пристрій узгодження; 12 — фокусуюча система.

Форма електродів гармати, їх взаємне розташування і потенціали на них відносно катода в сукупності діють як електронна лінза, що фокусує електронний пучок. Для фокусування електронного пучка при його русі всередині спіралі використовується магнітне поле.

Для створення магнітного поля застосовується соленоїд або кільцеві магніти фокусуючої системи (ЛБХ, що пакетуються), які не вимагають джерела живлення і дозволяють отримати кращу якість фокусування пучка.

45

У якості хвилеводно-коливної системи ЛБХ використовується спіраль, яка разом з кожухом складає спіральну уповільнюючу систему. Електронний пучок, усередині спіралі, спочатку модулюється по швидкості і щільності подовжньої складової НВЧполя хвилі, а потім віддає частку енергії своїх електронів цій хвилі, що приводить до посилення вхідного сигналу.

Перехід, що погоджує, є елементом спіральної уповільнюючої системи з вхідним і вихідним хвилеводами.

До вхідного хвилеводу підводиться сигнал посилення, а посилений відводяться вихідним хвилеводом. Для підстроювання узгодження вхідного і вихідного хвилеводів з уповільнюючою системою передбачені елементи налаштування пристрою узгодження. Для розв'язки виходу і входу ЛБХ, а також запобігання самозбудженню на систему кріплення спіралі (керамічні або кварцові стрижні) наносять шар поглинача (локальний поглинач).

Поглинач розташовують на достатньому видаленні від входу, щоб забезпечити хороше групування електронів, і на достатньому видаленні від виходу, щоб забезпечити максимальну передачу енергії пучка НВЧ - полю (отримати великий коефіцієнт посилення).

Розгледимо основні параметри і характеристики ЛБХ. Характер залежності вихідної потужності від потужності вхідного сигналу (амплітудна характеристика) і коефіцієнта посилення приведені на рис.8.

Рисунок8. Амплітудні характеристики лампи хвилі, що біжить Лінійний режим роботи лампи зберігається до тих пір, поки всі електрони згустків знаходяться протягом

всього часу взаємодії в гальмівному НВЧ - полі. При подальшому збільшенні амплітуди поля частина електронів, в

кінці інтервалу взаємодії, потрапляє в прискорююче НВЧ поле, що приводить до зменшення коефіцієнта посилення. Максимальна вихідна потужність ЛБХ відповідає режиму насичення.

Залежно від вхідної потужності ЛБХ розділяють на прилади малої потужності (Рвих в режимі насичення не перевищує 1 Вт), середньої потужності (Рвих= 1...100 Вт), великої потужності (Рвих >100 Вт) і надпотужні (Рвих>100 кВт).

Коефіцієнт посилення ЛБХ залежить від вхідної потужності, частоти сигналу, режимів живлення,

навантаження, а також інших факторів. Коефіцієнт посилення (у децибелах) в лінійному режимі роботи ЛБХ визначається рівнянням

Rcв— опір зв'язку (величина, що визначає ефективність зв'язку електронного пучка зі НВЧ - полем уповільнюючої системи); lе=l / зам — електрична довжина уповільнюючої системи; l — геометрична довжина уповільнюючої системи; n — загасання локального поглинача.

Із приведених формул і аналізу принципу дії відносно лінійного режиму роботи ЛБХ необхідно зробити наступні висновки:

а) посилення зростає із збільшенням струму пучка I0, оскільки збільшується кількість електронів, що взаємодіють з електромагнітною хвилею;

46

б) посилення зростає із збільшенням електричної довжини lе уповільнюючої системи, оскільки збільшується час взаємодії електронів з електромагнітною хвилею. Зазвичай 1= (10... ...30) зам. При подальшому збільшенні lе

виникає нелінійна залежність і коефіцієнт посилення не зростає;

в) локальний поглинач зменшує посилення. Проте це зменшення легко компенсується збільшенням довжини спіралі і відсутність загрози самозбудження лампи, що дозволяє підвищити коефіцієнт посилення;

г) зміна прискорюючої напруги викликає розсинхронізацію пучка і хвилі, що приводить до зменшення коефіцієнта посилення (рис.8). Різні типи ЛБХ мають коефіцієнт посилення в межах 15... 60 дБ.

Частотна характеристика лампи хвилі, що біжить, приведена на мал.9. Частотні властивості ЛБХ визначаються властивостями уповільнюючої системи, якістю узгодження виводів і локального поглинача,

режимом живлення та іншими. Якість частотної характеристики оцінюється нерівномірністю посилення в діапазоні частот. У широкосмугових ЛБХ (смуга біля однієї октави) різниця між максимальним і мінімальним посиленням досягає 6... 8 дБ. Діапазон робочих частот ЛБХ зазвичай відлічується на заданому рівні мінімального посилення ЛБХ.

Рисунок 9. Частотна характеристика лампи хвилі, що біжить.

Фазова характеристика залежить від прискорюючої напруги, якості узгодження входу і виходу ЛБХ і вхідній потужності. Зміна фази вихідної напруги при зміні прискорюючої напруги Uo приблизно виражається формулою

= -105 lе ( Uo /Uo ).

Зміна вхідній потужності ЛБХ змінює кінетичну енергію електронів і цим викликає фазовий зсув вихідного сигналу. Тому при посиленні амплітудно-модульованого сигналу за допомогою ЛБХ виникає невелика фазова паразитна модуляція.

Шуми ЛБХ виникають завдяки флуктуації швидкості електронів, зміною струморозподілення, іонізацією,

вторинною електронною емісією і тепловими шумами. Шуми ЛБХ можна зменшити вибором електричного режиму роботи (в основному зменшенням струму пучка), поліпшенням узгодження на вході і виході і поліпшенням фокусування пучка.

Шуми ЛБХ мають особливе значення при використанні їх як вхідні підсилювачі радіоприймачів. Лампи хвилі що біжить подібного застосування, називаються малошумлячими ЛБХ. Їх коефіцієнт шуму знаходиться в межах 4... 20 дБ. Широкого поширення набули малошумлячі ЛБХ як вхідні підсилювачі високої частоти приймачів, що дозволяє на 10...20 дБ збільшити чутливість приймача і захистити детектор змішувача від вигоряння.

Лампи хвилі що біжить середньої і великої потужності, застосовуються як проміжні, а інколи і крайові каскади підсилювачів потужності передавача. Відмітною особливістю таких підсилювачів є широка смуга частот і велике посилення на каскад. У табл.3 приведені усереднені електричні параметри ЛБХ.

47

Таблиця 3 Усереднені електричні параметри ЛБХ

1.6. Лампи зворотної хвилі

Лампою зворотної хвилі (ЛЗХ) називається електровакуумний прилад, заснований на принципі тривалої взаємодії електронів зі НВЧполем хвилі, рухомої у зворотному напрямі по відношенню до електронного потоку.

В якості коливально - хвилеводної системи в ЛЗХ використовуються широкосмугові уповільнюючі системи.

Пристрій ЛЗХ показано на рис.10. Електронний пучок формується гарматою, що складається з катода,

фокусуючого електроду першого і другого анодів. Сфокусований електронний пучок минає уздовж уповільнюючої системи типа «зустрічні штирі» і потрапляє на колектор. Фокусування електронів в процесі їх руху уздовж уповільнюючої системи здійснюється, як в ЛБХ, соленоїдом або кільцевими магнітами (пакетовані ЛЗХ).

Виведення НВЧенергії через ступінчастий перехід електрично сполученим із кінцем уповільнюючої системи, біля електронної гармати. Протилежний її кінець навантажений на узгоджений опір (поглинач). Узгоджений опір усуває паразитний зворотний зв'язок в ЛЗХ, що виникає за рахунок повторних віддзеркалень.

Рис.10. Лампа зворотної хвилі: 1 — катод; 2 — фокусуючий електрод; 3 — перший анод; 4 —другий анод;

5 — уповільнююча система; 6—колектор; 7—навантаження уповільнюючої системи; 8 —вивід енергії; 9 —

фокусуюча система.

Флуктуації електронного потоку спричиняють в уповільнюючій системі ЛЗХ слабкі електромагнітні коливання самих різних частот, енергії яких поширюються у бік виводу (зворотні хвилі). Подовжня електрична складова поля цих коливань в уповільнюючій системі може бути представлена сумою просторових гармонік.

Фазова швидкість однієї з яких може мати той же напрям і приблизно те ж значення, що і швидкість електронного потоку, задовольняючи цим умовам синхронізації. У ЛЗХ шляхом вибору параметрів уповільнюючої системи і електричного режиму створюються умови синхронізації для першої гармоніки зворотної хвилі, яка відрізняється тим, що напрям її групової швидкості (напрям поширення енергії) є протилежним фазовій швидкості.

48

Характерною особливістю використання цієї хвилі ЛЗХ є те, що умови синхронізації зберігаються у вузькому діапазоні частот. Для зміни частоти необхідно підбирати нові умови синхронізму і міняти швидкість пучка шляхом зміни прискорювального потенціалу.

Зворотний зв'язок в генераторі на ЛЗХ створюється за рахунок протилежних напрямів фазової і групової швидкостей за умови збігу напряму швидкості електронів і фазової швидкості хвилі.

Для кращого розуміння роботи ЛЗХ у якості генератора НВЧ діапазону, потрібно проаналізувати фазову умову виконання позитивного зворотного зв‗язку ЛБХ, яка визначає можливість самозбудження в системі:

çç Lçç L 2 n ,

де n=0,1,2,3…; Lзз, L – довжини системи зворотного зв‗язку та уповільнюючої системи відповідно; βзз, β – сталі розповсюдження хвиль в лінії зворотного зв‗язку та в уповільнюючій системі відповідно.

А для генерації в широкому інтервалі частот ω повинна виконуватись умова постійного значення фази хвилі в системі, при зміні частоти, або значення 0 похідної:

Останнє рівняння і дає відповідь на питання, чому ЛБХ – генератор не може змінювати частоту в широких межах. В ЛБХ застосовуються уповільнюючі системи з позитивною дисперсією (фазова швидкість хвилі спрямована в одному напрямку з напрямком розповсюдження енергії), тому обоє складових рівняння мають позитивний знак. Зміна частоти приведе до зміни фазового кута в одному напрямку і значення 0 (1.11) неможливе.

Навпаки, якщо використовувати уповільнюючі системи з негативною дисперсією (фазова швидкість хвилі спрямована в зворотному напрямку з напрямком розповсюдження енергії), то при зміні частоти обоє складові рівняння можуть компенсувати одне одного, що збереже умову самозбудження генератора. ЛЗХ має декілька зон генерації, що характеризуються різними значеннями п. Збудження коливань в тій або іншій зоні залежить від струму пучка (рис.11). Струм пучка, при якому зачинається збудження ЛЗХ, називається пусковим струмом Iпуск.

При струмах менших за пусковий умова балансу амплітуд не задовольняється, і ЛЗХ працює як вузькосмуговий підсилювач.

Рисунок 11. Залежність вихідної потужності та коефіцієнта посилення лампи зворотної хвилі від струму електронного потоку.

Як робочий вид коливання ЛЗХ вибирається основний тип п=0. Для того, щоб забезпечити впевнений режим генерації при n = 0, робочий струм Iраб (рис.11) вибирають в 2—5 разів більше пускового струму робочого

49

типу коливання ЛЗХ п=0, але менше пускового струму першої зони. Очевидно, що частота залежатиме від прискорюючої напруги U0, оскільки остання визначає швидкість електронів ve. Збільшення U0 збільшує частоту.

Розглянемо основні характеристики і параметри ЛЗХ.

Вихідна потужність ЛЗХ в основному залежить від змінних при перебудові прискорюючої напруги і узгодження. Залежність вихідної потужності ЛЗХ від прискорюючої напруги показана на рис.12. Основною причиною нерівномірності і неоднорідності цієї кривої є погане узгодження з причини віддзеркалення електромагнітної хвилі від навантаження і вихідного кінця уповільнюючої системи. Хвиля, відображена від виходу, йде до колектора і її поле не взаємодіє з електронним потоком. При поганому узгодженні поглинача біля колекторного кінця уповільнюючої системи хвиля, що прийшла, знову відбивається і прямує до вихідного кінця,

цього разу взаємодіючи з електронним потоком. Якщо при цьому фази прямих і відображених хвиль збігаються, то вихідна потужність зростає, якщо протилежні — зменшується. Оскільки зсув фаз залежить від частоти, то повинно спостерігатися коливання вихідної потужності при перебудові ЛЗХ.

Рисунок 12. Залежність вихідної потужності ЛЗХ від прискорюючої напруги Ступінь нерівномірності кривої вихідної потужності в діапазоні перебудови оцінюється перепадом

потужності

де Ртах і Pmin — максимальне і мінімальне значення вихідної потужності в діапазоні електронної перебудови.

УЛЗХ перепади потужності не перевищують 5 дБ. Для зменшення перепадів потужності ЛЗХ удаються до

їїстабілізації. Стабілізацію можна здійснити за рахунок негативного зворотного зв'язку з регулюванням потужності за рахунок зміни струму пучка напругою на фокусуючому електроді. Недоліком цього методу є спотворення характеристики електронної перебудови із-за зміни струму пучка. Кращі, але складніші методи стабілізації потужності ґрунтуються на використанні керованих обмежувачів і атенюаторів, автоматично регульованих по ланцюгу зворотного зв'язку.

Лампи зворотної хвилі є малопотужними генераторами, їх вихідна потужність не перевищує декількох сотих міліватт.

Діапазон електронної перебудови характеризується коефіцієнтом перекриття діапазону

К д f m ax / f m in

де fmах і fmin — максимальна і мінімальна граничні частоти діапазону перебудови.

Коефіцієнт перебудови ЛЗХ з коаксіальними виводами енергії Кд=2, а з хвилеводними виводами Кд ~1,5—

1,6.

Спектр коливань, що генеруються в ЛЗХ, як і коливання більшості генераторів, не є монохроматичними. Їх спектр розширений за рахунок амплітудної і частотної модуляції вихідного сигналу, яку можна пояснити поганим вакуумом, дискретним характером струму електронного пучка і ефектами розподілу струму між окремими електродами і елементами уповільнюючої системи.