Приборы и устройства СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов

163

иускоряющего напряжения

6.4Коэффициент полезного действия ЛБВО

Теория малых амплитуд не дает ответа о предельной величине коэффициента полезного действия ЛБВО ( hэл ), т.к. не мо-

жет дать оценки допустимого различия скоростей волны и электронов. Определим электронный hэл , используя для этого выра-

жение мощности (2.21) на выходе ЗС:

В линейном режиме максимальная мощность, которая может быть получена от электронного потока, при максимальном

где ξ ≤ 2 ÷ 8; С = 0,02 ÷ 0, 2. Реальная величина hэл = 20 ¸ 35 % .

164

Пути увеличения КПД ЛБВО

Скорость электронов при движении вдоль оси z уменьшается. Чтобы не нарушался синхронизм скоростей, следует постепенно уменьшать скорость волны υф путем конструктивного изменения

шага ЗС (изохронные лампы). При этом способе встречаются технические трудности, хотя η можно увеличить в 1, 4 ÷1, 8 раза.

Использование в ЗС лампы конструктивных скачков с несколькими коэффициентами замедления. В пределах каждого «скачка» υф остается постоянной, а значения постоянного напряже-

ния на каждом скачке подбираются. Это увеличивает КПД до 50 % .

Использование метода рекуперации — ступенчатого снижения постоянного напряжения на коллекторе, как в клистронах

(раздел 5.9).

6.5 Характеристики ЛБВО

Характеристика взаимодействия — это зависимость вы-

ходной мощности от ускоряющего напряжения Pвых = f (U0 ) при f = const , постоянной входной мощности Pвх = const и постоян-

ном токе прибора. Наблюдается максимум выходной мощности при некотором оптимальном U0 (рис. 6.10), что соответствует

наилучшим условиям группировки и передачи энергии электронами волне. Изменения U0 допускаются в пределах ±1 ÷ 2 % .

мость Pвых = f (Pвх ) или K у = K уP = f (Pвх ) при постоянных вели-

165

чинах частоты, токе луча и U0 . При малых уровнях входного

сигнала коэффициент усиления имеет наибольшую величину и остается практически постоянным. В этой области работают обычно усилители малых сигналов. С дальнейшим ростом Pвх ко-

эффициент усиления K у монотонно убывает, т.к. с увеличением Pвх растет напряженность ВЧ-поля на ЗС, возрастает модуляция

скорости, группирование электронов по плотности и разгруппировка. Режим максимальной выходной мощности и наибольшего КПД используется в мощных выходных усилительных ЛБВ.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зави-

симость коэффициента усиления от частоты Kу = ϕ(ω) при U0 —

const, постоянной входной мощности и постоянном токе катода. (рис. 6.12).

Рис. 6.12 — Амплитудно-частотная и дисперсионная характеристики

Куполообразность кривой АЧХ объясняется дисперсионной характеристикой ЗС и качеством согласования на входе и выходе. Заштрихованная область дисперсионной характеристики охватывает область частот, где имеется синхронизм скоростей потока и волны при U0 — const и, следовательно, имеется усиление сигна-

ла. При дальнейшем изменении частоты сигнала происходит нарушение синхронизма скоростей. Точкам пересечения 1 и 2 кривой υф (ω) соответствует K у = 0 на частотах f1 и f2 . Полоса про-

166

пускания определяется частотами fН и fb , при которых умень-

шается K у до 0,5K уmax (P) по мощности. При слабой дисперсии (наблюдается в спиральных ЗС) отношение частот равно «окта-

ве», т.е. fb fН = 2 .

Фазовая характеристика — зависимость разности фаз Δϕ

выходного и входного сигналов от различных факторов, например от частоты сигнала, от ускоряющего напряжения или от входной мощности (рис. 6.13).

в — зависимость Δϕ от входной мощности

Эти характеристики необходимы для оценки искажений сигнала с широким спектром частот (в усилителях импульсных сигналов). Ускоряющим напряжением U0 определяется скорость

рис. 6.13, в показана паразитная фазовая модуляция, наблюдающаяся при усилении модулированных по амплитуде сигналов.

168

система типа встречных штырей заканчивается поглотителем; 4 — коллектор

Принцип действия ЛОВО состоит в следующем: элек-

тронная пушка создаёт пучок электронов, движущийся к коллектору со скоростью v0. Заданное сечение пучка сохраняется постоянным магнитным полем фокусирующей системы. Электронный поток создает в замедляющей системе наведенный ток и электромагнитное поле на одной из пространственных гармоник m, для которой выполнено условие фазового синхронизма

(υфm < υ0 ) . В отличие от ЛБВО в ЛОВО направления фазовой и

групповой скоростей волны в ЗС противоположны. При взаимодействии с волной электроны группируются в тормозящем поле волны, движутся к коллектору, к концу замедляющей системы, а энергия электромагнитной волны — им навстречу, к началу замедляющей системы, где расположен выход энергии. При этом между полем волны и электронным потоком возникает положительная обратная связь, когда волна, отдавая часть своей энергии на группировку электронов, приобретает большее её количество за счет взаимодействия с более сгруппированным электронным потоком. В ЛОВО используются замедляющие системы, в которых основной обратной пространственной гармоникой является минус первая (системы типа «встречные штыри» или «двухзаходная спираль», см. раздел 2). Для устранения возможных отражений мощности от вывода энергии лампы из – за не идеальности согласования с нагрузкой применяют поглотитель, располагаемый у коллектора. Эта отраженная мощность при повторном отражении со стороны коллектора взаимодействует с электронным потоком, изменяя величину выходной мощности не одинаково на разных частотах. Поглотитель, поглощая отраженную мощность, стабилизирует работу генератора.

Для самовозбуждения ЛОВО необходимо обеспечить баланс фаз и амплитуд.

Баланс фаз состоит в том, что образовавшийся сгусток электронов не должен выходить из тормозящего полупериода поля до конца ЗС, т.е. относительный сдвиг фаз волны и сгустка — Ф не должен превышать π:

169

гласно (2.15).

Первое слагаемое в (6.26) характеризует изменение фазы волны при её движении вдоль замедляющей системы длиной l , второе слагаемое — изменение фазы (угол пролета) электронного сгустка за время его движения на этом же пути. Очевидно, что в общем случае Ф может быть равно нечетному числу π.

Таким образом, условие фазового баланса может выполняться при различных углах пролета электронных сгустков в поле волны. При n = 0 электронный сгусток при движении смещается относительно волны на угол π (основной вид колебаний); при n = 1 на 3π (колебания первого порядка) и т.д. в зависимости от значения n. Число n называют порядком колебаний в ЛОВО, или номером зоны генерации. Переход от одной зоны генерации к другой осуществляется при помощи изменения скорости v0 , ко-

торое, в свою очередь, определяется изменением U0. Генерируемая длина волны, если известна фазовая скорость для гармоники m = –1 и ускоряющее напряжение, определяется в виде

Изменение длины волны (частоты) генерируемых колебаний при изменении напряжения U0 (электронная перестройка час-

тоты) объясняется тем, что при изменении U0 происходит изменение скорости электронов v0 и, согласно условию фазового син-

хронизма (υф ≤ υ0 ) , — фазовой скорости волны. Поскольку для

обратных пространственных гармоник дvф/дω > 0, то с увеличением напряжения частота генерируемых колебаний увеличивается.

Крутизна электронной перестройки ЛОВО определяется

170

Баланс амплитуд генератора на ЛОВО предусматривает, что энергия, получаемая волной в результате взаимодействия с электронным потоком за вычетом потерь в ЗС, должна быть достаточной для поддержания Рвых. Для этого в ЛОВО необходимо создать пусковой ток. Величина пускового тока для основного порядка колебаний (n = 0) определяется

С ростом номера колебаний пусковой ток увеличивается, поэтому генераторы на ЛОВО обычно работают на колебании основного порядка. Для предотвращения самовозбуждения колебаний высших порядков следует оптимальную величину рабочего тока пучка в основной зоне генерации I0опт не делать больше пус-

кового тока колебания первой зоны генерации Iпуск(1) = 6,3 Iпуск(0), т.е. должно выполняться I0опт ≤ (5÷ 6)Iпуск(0), или Iпуск(1) > I0опт.

Электронный КПД ЛОВО определяется величиной параметра усиления

Колебательная мощность Pе генератора на ЛОВО определяется из

Основные выходные характеристики генераторной ЛОВО приведены в разделе 4.5, на рисунке 6.15 приведены режимные характеристики — зависимости частоты, выходной мощности и крутизны перестройки частоты от ускоряющего напряжения U0, которые сняты при постоянном токе с катода.