Микроволновые приборы и устройства

191

ность частоты, слабое влияние нагрузки. Простейшая схема генератора на амплитроне приведена на рисунке 8.5.

Вход системы может быть замкнут накоротко, а может иметь вид как на рисунке 8.6. В выходном тракте должны быть включены неоднородность, отражающая часть энергии обратно в прибор, и фазовращатель (ϕ). Неоднородность обеспечивает необходимую величину амплитуды (Рвх ≥Рпор) входного сигнала, фаза этой волны регулируется фазовращателем. Для стабильности работыгенераторавариантсхемырис. 8.6 предпочтительнее.

Принцип работы стабилотрона состоит в следующем. При подаче постоянного напряжения появляется шумовой сигнал. Часть мощности (рис. 8.5) этого сигнала отражается от неоднородности и движется в обратном направлении. Через фазовращатель, ЗС амплитрона и волновод эта мощность проходит без затухания (потери малы) и попадает на вход прибора (где подключена схема рис. 8.6), расположенного в плоскости В-В. Волна, отраженная от плоскости В-В, поступает на вход платинотрона, усиливается как в амплитроне и попадает на выход, затем часть мощности опять отражается и т.д. Цепь обратной связи оказывается замкнутой на тех частотах, для которых полный фазовый набег ϑn = 2πn . Отражение мощности в плоскости В-В происходит

только вблизи резонансной частоты стабилизирующего резонатора, имеющего последовательную эквивалентную схему, для которой характерно: при ω = ω0; R0 = 0, Zн — коротится резонатором;

при ω ≠ ω0 , R0 → ∞, Zн = Zс — характеристическое сопротивление линии передачи на входе. Высокодобротный резонатор, таким

192

образом, является основным элементом, стабилизирующим частоту генератора.

8.2 Усилители на ЛБВ типа М (ЛБВМ)

ЛБВ М и ЛОВ М называются приборы со скрещенными полями, у которых замедляющая система и электронный поток разомкнуты. Приборы имеют КПД примерно 50 %. Поэтому область их применения — мощные выходные усилители, работающие в непрерывном или импульсном режиме, и мощные генераторы. Уровень выходной мощности в непрерывном режиме составляет единицы кВт, в импульсном — единицы МВт. Коэффициент усиления по мощности редко превышает 15 дБ, что связано с большим входным сигналом, при котором наблюдается максимальный КПД. Полоса усиливаемых частот 25 %. Конструктивное оформление ламп может быть линейным или цилиндрическим в зависимости от способа выполнения магнита, задающего индукцию В. В этих приборах обычно используются электронные пушки типа короткой оптики (см. раздел 3), создающие движение электронов по укороченной циклоиде, вырождающейся в прямую (рис. 8.7, б). Схема устройства ЛБВМ линейного типа представлена на рис. 8.7, а, цилиндрического типа — на рис. 8.8. Между ЗС и металлической пластиной, называемой холодным катодом (ХК), приложено постоянное поперечное электрическое поле с помощью напряжений U1 и

U2 . Область между пластиной и ЗС — b (или далее другое обозна-

чение— d) играетрольпространства взаимодействия.

Потенциал пластины (ХК) отрицателен по отношению к ЗС и к катоду пушки. В качестве ЗС используются гребенчатые системы, встречные штыри и др. На лампу наложено магнитное поле B перпендикулярно рисунку. Электроны инжектируются параллельно ЗС пушкой с магнитным экраном (рис. 8.7, а). Скорость электронов перед входом в ЗС равна

194

заряда, образующегося при этом, показана на рис. 8.9. В результате решения уравнения движения электрона в скрещенных E и H полях (раздел 7) для ЛБВМ и ЛОВМ получено, что прямолинейная траектория, параллельная поверхностям электродов, наблюдается при условии:

откуда, начальные скорости должны быть:

υx0 = EB ;

υy0 = 0.

Уравнения (7.3) для ЛБВМ и ЛОВМ имеют вид:

жённость постоянного электрического поля в пространстве взаимодействия.

Скорость движения электронов вдоль замедляющей системы в пространстве взаимодействия равна скорости движения центра катящегося круга. С физической точки зрения прямолинейность траектории получается за счёт уравновешивания сил поперечной электрической и поперечной магнитной. Подставляя выражения скоростей, получаем соотношение, связывающее ускоряющее напряжение на пушке с напряжениями U1, U2 на ЗС, магнитным полем B и геометрией d:

Работа рассматриваемых ламп характеризуется условием υy0 = 0 , а чтобы выполнить его, электронный поток должен вво-

диться в пространство между ЗС и отрицательным электродом в плоскость, где постоянный потенциал равен напряжению пушки U0, и иметь малую толщину. Если толщина пучка конечна, то не будет выполняться условие прямолинейности траектории.

195

Формирование сгустков (рис. 8.9) в отличие от приборов О-типа, не сопровождается увеличением или уменьшением плотности пространственного заряда, а происходит за счёт изменения границы электронного пучка при постоянной плотности в любом сечении.

Рис. 8.9 — Формирование электронных сгустков в переменном поле

КПД ламп М-типа можно определить, если использовать закон сохранения энергии, позволяющий определить энергию, рассеянную на аноде и подведенную к лампе. На коллектор электроны попадают со скоростью υ0 =υЦ , поэтому рассеянная энергия

напряжение на аноде пушки), или Wрасс = eU0 .

Максимальная потенциальная энергия электрона в системе равна

Wпот = e(U2 + U1 ) =Uae .

Электрон отдает СВЧ-полю энергию, равную:

W =Wnoт −Wрасс = e(Ua −U0 ) .

196

Реальное значение КПД ниже, т.к. не учтены электроны, попадающие на холодный катод (n — коэффициент оседания на холодном катоде) и отбирающие часть энергии поля, и т.к. не учитывается непрямолинейность траекторий электронов при их движении (m — коэффициент непрямолинейности). Учитывая эти коэффициенты, получим

дальных — m = 4, т.е. m =1÷4, или ≈ 2 ÷3; n = 0,8. Если величи-

чения B или уменьшения Ua , что может нарушить условие синхронизма скоростейυ0 = υф = υЦ . Уменьшение yвх приводит к уменьшению сопротивления связи Rсв, а значит, и уменьшению Kус . Как видно, необходимо находить оптимальное значение расстояния инжекции потока в систему — yвх, при котором ηэл, kус

будут оптимальными.

Коэффициент усиления ЛБВМ определяется путем рас-

смотрения взаимодействия электромагнитного поля с электронным потоком. Воспользуемся результатами [11], которые позволяют определять амплитуду электрического поля и коэффициент усиления прибора для некоторых случаев.

Введем некоторые соотношения из [11], определяющие работу усилителей:

ризует затухание волны, γ0 — коэффициент потерь в холодной

пучка, h — параметр ширины ленточного пучка;

K = cthβe yвх — коэффициент потенциальной энергии пучка;

b = β0 − βe = υe −υф0 — параметр холодного рассинхронизма, ха-

βe D υф0 D

рактеризующий возможную разницу в скоростях волны в холодной лампе и пучка;

— параметр толщины ленточного электронного потока. Случай 1. Влиянием пространственного заряда на результат

усиления пренебрегается S = 0, рассинхронизм скоростей потока и волны отсутствует b = 0 и холодные потери в ЗС отсутствуют d = 0 , длина лампы невелика.

В горячем режиме при этом в ЗС присутствуют две волны

Поле в лампе есть волна, движущаяся со скоростью электронного пучка, амплитуда которой вдоль оси нарастает по зако-

198

ну гиперболического косинуса. Для коэффициента усиления G ,

учитывая, что βe Dl = 2πlD = 2πDN , находим:

λз

G = EE(0)(l) = ch(2πD N), или в децибелах G(дБ) = 20lg[ch(2πDN )].

(8.18а)

Случай 2. Длина ЗС l — велика, а все остальные допущения — как в сл. 1: d = 0 , S = 0, b = 0. При больших длинах лампы l второй волной (убывающей) полного поля можно пренебречь,

тогда амплитуда определяется выражением E(l) = 12 E(0)eβeDl . А

коэффициент усиления:

Случай 3. Длина ЗС l — велика, d = 0, S = 0, b ≠ 0 — наличие неравенства скоростей. Коэффициент усиления записывается в виде, подобно (8.18б):

где A = −6 дБ — начальные потери, учитывающие расщепление волны на 2 и уменьшение амплитуды входного сигнала в 2 раза;

B = 54,6 1− b2 — фактор усиления, который в синхронном

4

режиме равняется 54,6.

Случай 5. Длина ЗС l — велика, d = 0 , S ≠ 0, b = 0 . Коэффициент усиления с учетом пространственного заряда определяется

где As =[−6 + 20lg(1+ αS 2 )] — начальные потери;

199

Bs = 54,6 1+ αS 2 — усиления с учетом заряда.

Пушки короткой оптики (см. разд. 3) широко применяются в приборах ЛОВМ и ЛБВМ. На рисунке 8.10 (в плоском варианте) приведена электронная пушка короткой оптики. Катод пушки К, эмитирующий электроны, располагается параллельно поверхности отрицательного катода (холодного катода). Над катодом находится анод, называемый управляющим электродом УЭ.

Вся пушка и пространство взаимодействия находятся в постоянном магнитном поле В. Электроны, эмитированные катодом, движутся по циклоидам. Подбирая расстояние lkn от катода

до входа в пространство взаимодействия, можно вводить электроны как раз с вершины циклоиды, где отсутствуют поперечные начальные скорости vy0 = 0 . Если отвлечься от неоднородности

движения электронов в начальной части лампы, то движение между ЗС и холодным катодом будет проходить по прямолинейной траектории. Переход с вершины циклоиды катящегося круга радиуса Rцп в пространстве пушки в центр другого катящегося кру-

га в пространстве взаимодействия, имеющего радиус R , возможен при условии, что скорость на вершине циклоиды в пушке 2vцп равняется скорости vц в пространстве взаимодействия, т.е.

vц = 2vцп . Согласно (8.12) получим равенство

Рис. 8.10 — Схема короткой электронно-оптической системы

Напряжение на пушке и размеры dn , dc можно выбирать используя (8.19).

200

В общем случае могут быть любыми dn , dc и Un , Ua , но то-

гда изменится и местоположение катода пушки. Постараемся это показать на примерах.

Координата влета электронов (рис. 8.11, б) в пространство взаимодействия y0 = yвл определяется необходимой для взаимо-

действия скоростью. Если υф — скорость волны в ЗС, то, согласно υe = υф , электрон должен иметь энергию mυe2 / 2 , которую

приобретает в пушке, и она должна соответствовать при влете в пространство взаимодействия потенциальной энергии, т.е.

mυe2 / 2 = eUs , где Us — разность потенциалов на плоскости в пространстве взаимодействия, куда электрон влетел.

уменьшать. Сделать это можно (8.20) либо путем уменьшения Us , при этом уменьшается и скорость электронов на выходе

пушки υe = υф ; либо увеличивая Ua . Обычно делается Ua >>Us .