книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

ный. При большом входном сигнале наступает нелинейный режим работы, характеризуемый насыщением, при котором выходная мощ­ ность и к. п. д. максимальны, а коэффициент усиления снижается.

§ 6.2. Характеристики и параметры ЛБВМ

Электронный к. п. д. Определим к. п. д. ЛБВМ способом, кото­ рый применим и для других приборов типа М.

В приборах типа М происходит передача потенциальной энер­ гии электронов СВЧ-полю замедляющей системы. Пусть электрон попадает на анод замедляющей системы, имеющий потенциал U0. Электрон, вылетая из катода, имеет потенциальную энергию eU0, а при попадании на анод — нулевую. Однако не все изменение по­ тенциальной энергии eU0 идет на увеличение энергии СВЧ-поля. Для выполнения условия синхронизма начальная скорость элек­ тронов при влете в замедляющую систему должна определяться формулой (5.22). Кинетическая энергия электрона при этой скорости

а при вылете из катода равна нулю. Рост кинетической энергии произошел в результате уменьшения потенциальной энергии элект­ рона на величину еНсинх, причем

Величина Нсинх соответствует потенциалу точки влета электрона в пространство взаимодействия и называется потенциалом синхро­ низации. Таким образом, (6.3) выражает потерю потенциальной энергии, необходимой для сообщения электронам начальной ско­ рости, требуемой условием синхронизма в пространстве взаимодей­ ствия.

Потенциальная энергия, передаваемая СВЧ-полю, равна раз­

Потенциал синхронизации связан с условием синхронизма и, следовательно, с величиной фазовой скорости бегущей волны. При

107

Из формулы (6.7) следует, что при увеличении коэффициента замедления волны Кзаи и напряжения U0происходит рост электрон­ ного к. п. д. Принципиальных ограничений для увеличения к. п. д. нет. Однако следует иметь в виду, что при росте U0 необходимо од­ новременно пропорционально увеличивать индукцию магнитного поля В, чтобы переносная скорость электронов оставалась постоян­ ной и условие синхронизма не нарушалось. В действительности к. п. д. всего прибора оказывается меньше рассчитанного по формуле (6.7), так как не все электроны достигают анода замедляющей систе­ мы, а электроны, попавшие на анод, рассеивают свою кинетиче­ скую энергию в виде тепла. Кроме того, часть энергии СВЧ-поля расходуется на ускорение электронов, двигающихся в неблаго­ приятной фазе.

Для повышения к. п. д. при заданном U0 требуется брать мень­ шие значения Ucnmр, т. е. необходимо вводить поток электронов возможно ближе к холодному катоду на рис. 6.1. Однако напряжен­ ность СВЧ-поля резко уменьшается при удалении от анода замед­ ляющей системы. Поэтому при приближении электронного потока к холодному катоду для получения прежнего группирования потока потребуется больший входной сигнал, что снизит коэффициент уси­ ления. Следовательно, условия получения высокого к. п. д. и боль­ шого коэффициента усиления в ЛБВМ несовместимы. При большом входном сигнале к. п. д. может быть высоким (50—70%).

Коэффициент усиления. Наибольшая передача энергии от элек­ тронного потока бегущей волне, а следовательно, и наибольший коэффициент усиления в приборах типа М достигается при точном синхронизме электронов и волны. Коэффициент усиления ЛБВМ рассчитывают на основе линейной теории, которая приводит, как в ЛБВО, к характеристическому уравнению (см. § 3.3). Однако различие в процессах взаимодействия проявляется при условии пренебрежения влиянием пространственного заряда в том, что характеристическое уравнение ЛБВМ имеет вторую степень, т. е. СВЧ-поле можно представить двумя парциальными волнами. При точном «холодном» синхронизме между волной и электронами, когда параметр рассинхронизма (3.39) Ъ = 0, парциальные волны имеют одинаковую фазовую скорость, равную фазовой скорости «холодной» волны. Амплитуда одной волны по длине ЛБВМ экс­ поненциально растет, а второй — экспоненциально убывает. На­ чальные амплитуды этих волн одинаковы. В случае отклонения от условия холодного синхронизма {Ьф 0) фазовые скорости парциаль­ ных волн различны. При достаточно большой длине ЛБВМ можно пренебречь амплитудой убывающей волны, тогда коэффициент

Здесь А — коэффициент, учитывающий распределение поровну между волнами энергии входного сигнала (А — 201g 1/2 — — 6);

108

D —параметр усиления, аналогичный по смыслу параметру усиления С в ЛБВО; N — электрическая длина замедляющей системы, а В — коэффициент, связанный с параметром «холодного» рассинхронизма соотношением

Используя (6.8) и (6.9), можно сделать вывод, что при b = 0 коэф­

как в ЛБВО, поэтому коэффициент усиления, определенный по формуле (6.10), составляет 30—50 дБ и более. В ЛБВМ условия достижения высокого к. п. д. и большого коэффициента усиления противоречивы. Однако возможно компромиссное решение, при ко­ тором к. п. д. сравнительно высокий (40—60%), а коэффициент усиления, хотя и ниже, чем в ЛБВО, но достаточно велик (20— 25 дБ).

Амплитудная характеристика. На рис. 6.4 приведена зависи­ мость выходной мощности от входного сигнала при постоянном токе пучка / 0. При увеличении входного сигнала выходная мощность возрастает и достигает насыщения при некотором значении входного сигнала. Причина насыщения рас­ сматривалась ранее. На этом же рисунке показаны зависимости коэффициента усиления от вход­ ного сигнала.

Увеличение тока пучка /0при постоянном входном сигнале при­ водит к пропорциональному росту выходной мощности, так как уве­ личивается энергия, отдаваемая электронным пучком полю. Уве­

личение амплитуды поля улучшает группировку электронов и уве­ личивает пульсации границ пучка. При переходе в режим насыщения пульсации границ достигают анода и все большее число электронов попадает на анод: увеличение поля способствует более быстрому выходу электронов на анод. Теоретически в усилительных приборах типа М нет ограничения по мощности, так как зависимость Р ,ЫІ от /0 не имеет насыщения. Однако зависимость электронного к. п. д. от тока имеет насыщение, т. е. т)э стремится к постоянной величи­ не, так как Р0 = 10U0 также увеличивается с ростом тока.

ЛБВ типа М разрабатывают для' непрерывного и импульсного режимов работы. Лампы непрерывного режима имеют мощность до нескольких киловатт и к. п. д. порядка 40%, а у импульсных ЛБВМ

109

(рис. 6.5) рассматриваемый эффект проявляется По-иПОму, так как условие синхронизма связано с угловой, а не линейной скоростью.

Достоинство ЛБВМ кроме высоких выходной мощности и к. п. д., сравнительно большого коэффициента усиления, широкой полосы пропускания состоит в хорошей фазовой стабильности выходного сигнала. Недостаток ЛБВМ по сравнению с ЛБВО— это высокий уровень шумов (20—25 дБ), вызванный взаимодействием электро­ нов с отраженной волной и флюктуациями в области электронной пушки. Однако в последние годы появились сообщения об ЛБВМ, коэффициент шума которых примерно такой же, как у малошумящих ЛБВО. Создание малошумящих ЛБВМ позволит использовать их также для усиления слабых сигналов. Сейчас ЛБВМ применяют

* При слабом сигнале.

„как мощные выходные усилители в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.

В табл. 4 приведены характеристики некоторых ЛБВМ. Схема устройства ЛБВМ цилиндрической конструкции приведена на рис. 6.5, а внешний вид на рис. 6.6.

§ 6.3. Принцип работы лампы обратной волны типа М (ЛОВМ)

Устройство ЛОВМ. В лампах обратной волны типа М, которые

•могут быть генераторными или усилительными устройствами, взаимодействие электронного потока происходит с обратной про­ странственной^ гармоникой. Схема устройства цилиндрической ге­ нераторной ЛОВМ показана на рис. 6.7.

Электроны, эмиттируемые катодом, под действием поля управ­ ляющего электрода и магнитного поля двигаются примерно по циклоидальной кривой и входят в пространство взаимодействия, образованное верхним электродом (анодом) замедляющей системы

111

и нижним электродом (холодным катодом). При выполнении таких же условий, как в ЛБВМ, электрон при отсутствии СВЧ-поля двигается по окружности (или по прямой линии при плоских элект­ родах) и попадает на коллектор. При выполнении условия синхро^- низма (5.22)—равенстве переносной скорости электронов и фазовой скорости обратной пространственной гармоники и токе пучка, большем пускового, в ЛОВМ возникают колебания. У коллектор­ ного конца лампы расположен поглотитель, который поглощает энергию, отраженную от выходного устройства, если согласование в нем недостаточно хорошее. Отсутствие поглотителя создает до­

ЛОВМ

Поглотитель

Рис. 6.7

полнительную паразитную обратную связь, которая ухудшает рав­ номерность частотной характеристики, так же как в ЛОВО (см. § 4.2). Если вместо поглотителя сделать ввод энергии и установить ток меньше пускового, то ЛОВМ будет работать в усилительном режиме.

электроны в тормозящем поле, продольное — вызывает поперечное

ческому уравнению второй степени относительно коэффициентов распространения, как и в ЛБВМ. Однако корни этого уравнения таковы, что поле в замедляющей системе представляется суммой двух парциальных (горячих) волн с одинаковыми и неизменными по всей длине системы амплитудами, но с различными фазовыми скоро­ стями. Обе волны движутся от катодного конца лампы и, интерфе­ рируя между собой, создают поле стоячей волны с пучностью у ка-

112

тодного (выходного) конца замедляющей системы. В случае генера­ торной ЛОВМ суммарное (полное) поле у другого (коллекторного) конца должно быть равно нулю. Теория показывает, что это условие выполнимо только при наличии холодного синхронизма между электронным потоком и волной. Полученное распределение поля по координате г (рис. 6.8) описывается уравнением

парциальных волн сдвиг фазы на 180° первый раз наступит раньше (2 = 1/3), а второй раз опять при 2 = 1. Следовательно, во второй

Сравним зоны по эффективности взаимодействия электронного потока с полем. В первой зоне сгруппированные электроны находят­ ся в тормозящем поле волны и все время отдают свою потенциальную энергию полю. Во второй зоне на начальном участке лампы (г < 1/3) процесс взаимодействия прежний: происходит группирование элект­ ронов в тормозящем поле и передача потенциальной энергии сгруп­ пированных электронов полю. Но в сечении лампы 2 = 1/3 фаза поля изменилась на 180°, тормозящее поле становится ускоряющим, и наоборот. Следовательно, ранее сгруппированные электроны, оказавшись в ускоряющем поле, начинают отбирать энергию от поля и разгруппировываются. В некотором сечении (2 = 0,6 1) пу­ чок электронов приходит в первоначальное состояние (группирова­ ние отсутствует). Далее начнется новый этап группирования элект­ ронов и передача энергии в тормозящем полена оставшемся участке пути. Следовательно, передача энергии от электронов полю в этом случае менее эффективна. Передаваемая энергия, очевидно, умень­

113

шается с ростом номера зоны, поэтому для возбуждения колебаний в высших зонах требуется увеличивать число взаимодействующих электронов, т. е. ток пучка. Связь Между пусковыми токами В любой и первой зонах устанавливается формулой

т. е. зависимость от номера оказывается сильной (квадратичной). Все предыдущие выводы применимы, если можно пренебречь влиянием пространственного заряда. В этом случае фазовая скорость

в(6.11) одинакова для всех зон, поэтому частота генерируемых колебаний не зависит от номера зоны. При учете влияния простран­ ственного заряда фазовые скорости различны, а частоты генерации

взонах неодинаковы. При большом токе пучка одновременно воз­ можна генерация колебаний в нескольких зонах. В этом режиме работы в спектре кроме частот колебаний зон присутствуют комбина­ ционные частоты. Многочастотность — это существенный недостаток ЛОВМ при работе с током пучка, большем пускового тока для первой зоны.

§ 6.4. Параметры и характеристики генераторной ЛОВМ

Выходная мощность и электронный к. п. д. Выходная мощность ЛОВМ и ЛБВМ практически линейно зависит от тока пучка

(рис. 6.9):

где А — некоторый коэффициент. Выходная мощность ЛОВМ в де­ циметровом диапазоне в непрерывном режиме достигает нескольких десятков киловатт, в сантиметровом диапазоне — порядка несколь­ ких сотен ватт и в миллиметровом диапазоне — десятков ватт.

Электронный к. п. д. ЛОВМ также зависит от тока пучка. Сначала к. п. д. растет с увеличением тока пучка, а затем после перехода ЛБВМ в режим насыщения практически не изменяется. В этом режиме Рвых и затраченная мощность Р0 — I0U0 практически одинаково увеличиваются с ростом тока. Максимальное значение к. п. д. можно определить по формуле (6.7), обычно к. п. д. состав­ ляет 50—60%.

Электронная перестройка частоты. Как и в ЛОВО, частота ге­ нерируемых колебаний завйсит от ускоряющего напряжения (элек­ тронная перестройка частоты). Однако эта зависимость в ЛОВМ более линейна. В ЛОВО скорость электронов пропорциональна

V~Ua, а, следовательно, и частота примерно пропорциональна

|С(У0. В ЛОВМ в условие синхронизма входит скорость электронов, равная переносной скорости, которая пропорциональна напряже­ нию U0. Если считать, что в ЛОВМ фазовая скорость волны при­ мерно линейно зависит от частоты (см. рис. 4.3), то частота генери-

114

руемых колебаний почти линейно зависит от напряжения U0. Поэтому тот же диапазон изменения частоты в ЛОВМ можно полу­ чить для прочих равных условий, при меньшем изменении напря­ жений, чем в ЛОВО. Линейность характеристики электронной перестройки частоты (рис. 6.10)

Рвых»Чэ является важным практическим преимуществом ЛОВМ.

Для описания режимов ра­ боты генераторной ЛОВМ при­ меняют рабочие характеристи­ ки, т. е. линии постоянной мощ-

ности и к. п. д., построенные в координатах: ускоряющее напря­ жение-индукция магнитного поля при определенном токе пучка. Кроме того, используются нагрузочные характеристики — зависи­ мость генерируемой частоты и мощности (или к. п. д.) от парамет­ ров нагрузки при неизменном электрическом режиме лампы.

Параметры некоторых ЛОВМ приведены в табл. 4.

Г Л А В А 7

МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЙ МАГНЕТРОН

на рис. 7.1. Колебательная система магнетрона образована рядом объемных резонаторов, выполненных в толще анода (анодного бло­ ка). Электроны эмиттируются цилиндрическим катодом. Простран­ ство между катодом и анодом называется пространством взаимодей­ ствия. В этой области происходит обмен энергией между электрона­ ми и СВЧ-полем. Объемные резонаторы связаны с пространством взаимодействия через щели, так как СВЧ-поле «провисает» в это пространство. При выполнении определенных условий в многоре­ зонаторном магнетроне возникают колебания. Энергия выводится с помощью витка, находящегося в одном из резонаторов, и коак-

115

спальной линии или волновода. Вакуумная камера магнетрона помещена между полюсами электромагнита или постоянного маг­ нита, причем направление магнитного поля совпадает с осью катода.

Анод магнетрона имеет положительный потенциал Ua относи­ тельно катода. В цилиндрическом магнетроне силовые линии элект­ рического поля направлены по радиусу, а магнитные — параллельно

личении индукции траектория ис­ кривляется, но электрон еще попадает на анод (кривая 2). Существу­

ет некоторая критическая индукция Лкр, при которой радиус г ка­ тящегося круга равен половине расстояния между анодом и катодом, т• е. г = d/2, и траектория касается анода (кривая 3). Если В > в ’ то электрон не доходит до анода (кривая 4) и анодный ток прекра­ щается. Режим работы магнетрона, соответствующий критической индукции (В — Лкр), называется критическим.

Естественно, что с повышением анодного напряжения растет Вкр, так как увеличивается переносная скорость ѵп (5.9) и радиус круга г (5.11). Для сохранения прежнего значения радиуса (г = d/2

необходимо увеличивать Вкр. Напряженность электрического поля в пространстве анод — катод

116