книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

обычный односегментный коллектор. Фокусировка пучка осуществлялась с помощью однородного аксиального магнитного поля. Замедляющая система длиной всего 81,3 мм указывает на то, что можно конструировать компактные приборы с малым весом фокусирующих

Ф н г. 10. Частотная зависимость ослабления в области «провала» Компфнера.

систем, будь то системы постоянных магнитов, или систе­ мы периодической магнитной фокусировки, или схемы с электростатической фокусировкой. Все эксперименты про­ водились в импульсном режиме для того, чтобы предот­ вратить возникновение осложнений, связанных с теп­ ловым режимом замедляющей системы и вакуумной стек­ лянной оболочки.

Преобразование СВЧ-энергии в кинетическую энер­ гию потока показано на фиг. 9 для режимов малого и большого сигналов. Как и предполагалось, в теории свя­ занных воли при малых сигналах СВЧ-мощность перио­ дически переходит от замедляющей системы к потоку и наоборот. Однако при больших входных сигналах поток сильно модулируется и после того, как энергия перешла

к нему, лишь небольшая часть возвращается к замедляю­ щей системе. Электронная ширина полосы частот ЛБВвыпрямителя показана на фиг. 10, где представлено ослаб­ ление (потери) входного СВЧ-сигнала. Из фиг. 10 ясно,

Преобразованная СВЧ-мощпость Мощность пушки

что для лампы с рабочей частотой 3 Ггц ширина полосы составляет 800 Мгц (27%); при этом ослабление входного сигнала составляет более 10 дб (т. е. потоку передается 90% мощности входного СВЧ-сигнала. — Прим, перев.), а в полосе порядка 200 Мгц эта величина составит 99%.

На фиг. 11 показано изменение доли входной СВЧэнергии (в %), преобразованной в энергию электронного потока при росте уровня входного сигнала. Параметром

является ток пучка. Как видно из фиг. 11, полное преоб­ разование получено при Т1а = 0,50 для / 0 = 210 ма и большие уровни т)а достигаются при больших токах. Максимальный ток ограничивался электронной пушкой,

анаивысший уровень входного сигнала достигал 1,2 кет

вимпульсе.

Ряд экспериментов был «проведен 'в работе [б] по пре­ образованию энергии СВЧ в энергию постоянного тока в приборах со скрещенными полями и лоложителным электродом. Использовалось взаимодействие -между пото­ ком (синхронной волной потока для малых уровней вход­ ного сигнала) и обратной волной замедляющей -системы. Это привело к (периодическому перераспределению энер­ гии между потоком и системой наподобие усилителя об­ ратной волны, работающего с пространственными бие­ ниями [5]. Был получен к. п.д. преобразования 45%, хотя никаких специальных мер по оптимизации нагрузки и рабочих режимом не предпринималось. Это указывает на то, что любой характер работы преобразователя, т. е. связь синхронной волны потока на низких уровнях мощ­ ности с любой (прямой или обратной) волной замедляю­ щей системы может обеспечить высокий к. п. д. ЛБВвыпрямителя. Естественно, потребуется провести еще много экспериментов для нахождения оптимальных ха­ рактеристик для каждого из этих типов преобразования..

IV. Секционирование коллектора и рекуперация

Модулированный по скоростям электронный поток, который ускоряется полем замедляющей системы, нужно пропустить через тормозящий многосекционный коллек­ тор для того, чтобы полностью отобрать добавочную энер­ гию электронного потока [7]. Можно рассчитать к. п. д. для данной конфигурации коллектора в зависимости от числа секций, напряжения на каждой секции, и разброса скоростей падающего электронного потока. Энергия од­ ного сгустка электронов потока в теории большого сиг­ нала определяется на один период ВЧ-колебаний, а изме­ нение энергии может быть записано в виде

где р1 + р2 + рк = т — общее число эквивалент­ ных сгустков пространственного заряда. К. п. д. коллек­ тора тогда можно выразить через потенциалы сегментов коллектора

К. п. д. коллектора, рассчитанный по соотношению (38), показан на фиг. 12 в зависимости от числа коллек­ торных секций для разбросов электронов, показанных на

Ф и г. 12. Зависимость * к.п.д. коллектора от числа коллек­ торных секции.

фиг. 7, в. Следует отметить, что к. п. д. коллектора, пре­ вышающий 80%, практически можно получить в преобра­ зователях на ЛБВ. Если все электроны будут оседать с нулевой энергией, то ЕК0ЛЛ= 0 и к. п. д. коллектора соста­ вит 100%. Общий к. п. д. преобразователя можно опреде­ лить как произведение т|^1К0Лл, т. е.

Выражение (39) показывает долю поступающей СВЧмощности, преобразованной в полезную мощность нагруз­ ки. Поскольку т|е ^ 100%, ордината фиг. 12 примерно обозначает к. п. д. преобразователя по отношению к вход­ ной СВЧ-мощности (в пренебрежении мощностью пушки и подогревателя).

V. Заключение

Рассмотрено преобразование СВЧ-энергии в энергию постоянного тока в лучевых приборах бегущей волны О- и М-типов. Анализ работы ЛБВ-выпрямителя и ЛБВМ-выпрямителя проведен на базе теорий как малого, так и большого сигналов при работе приборов в режиме так называемого «провала» "Компфиера. Получено теоре­ тическое значение рабочей полосы частот 25—30%, в кото­ рой (при существенных уровнях входной СВЧ-мощности) возможно полное преобразование энергии входного СВЧ-сигиала в кинетическую или потенциальную энер­ гию электронного потока.

Были проведены экспериментальные исследования ЛБВ-выпрямителя 10-сантиметрового диапазона, сконст­ руированного на спиральной замедляющей системе с вы­ водами типа связанных спиралей и имеющего электрон­ ную сеточную пушку с микропервеансом 1 мка/вч*. На этом приборе была получена широкая рабочая полоса ча­ стот и полное преобразование СВЧ-энергии вплоть до значения г\а = 0,5 (имело место ограничение тока пушки).

Наблюдения показали, что полное преобразование можно получить для заметно более высоких значений Рассмотрение многосегментных тормозящих коллекторов показало возможность получения к. п. д. коллектора 11колл = 80%, что соответствует к. п. д. преобразователя 80% (по отношению к входной СВЧ-мощности) или 40% (по отношению к мощности электронной пушки с т|а = = 0,5 или более). На основании проведенных исследова­ ний и учитывая ожидаемые улучшения, связанные с оп­ тимизацией конструкции, можно предвидеть уровень ра­ бочих значений к. п. д. более 60%.

О б о з н а ч е н и я

АЫШ— минимальная величина СВЧ-напряжения вдоль замедляющей системы;

Ао — нормализованная амплитуда входного сигна­ ла;

Ь— параметр относительной скорости электронов;

С— параметр усиления в ЛБВ;

I) — параметр усиления в ЛББМ;

Е колл — потери' энергии постоянного тока на коллек­ торе;

Е пост — энергия электронного потока на входе в про­ странство взаимодействия;

Евх — входная СВЧ-энергия в замедляющей системе; Ее — энергия сгустка электронов пучка;

Евьк — выходная СВЧ-энергия в замедляющей си­ стеме;

/о, У0 — соответственно ток и напряжение электрон­

ного потока;

2К„ Кь = ; а "и*----- сопротивление электронного по­

тока;

Кс = 4К0С3//о — сопротивление связи замедляю­ щей системы;

Ь — длина системы, соответствующая «провалу» Компфнера;

т— общее число эквивалентных электронных сгустков;

Рь, — соответственно амплитуды медленной и бы­ строй волн электронного потока;

О к р е с с

СВЧ-выпрямители на базе твердотельных приборов, с одной стороны, и электронных ламп — с другой, в про­ тивоположность СВЧ-генераторам конкурируют между собой, и, по-видимому, такое положение сохранится по крайней мере в ближайшем будущем. Более того, СВЧвыпрямители на твердотельных и электровакуумных дио­ дах имеют тенденцию к низкоимпедансным выходным ха­ рактеристикам в отличие от высокоимпедансных выходных характеристик, типичных для всех других типов элек­ тронных приборов.

До 1967 г. твердотельные диоды не конструировали для выпрямления мощных СВЧ-колебаний. Ранние ис­ следования проводились на частоте 2,44 Ггц на 680 кон­ тактных точечных диодах, включенных по мостовой схе­ ме и помещенных в волновод. Был получен к. п. д. выпря­ мления 67% при выходной мощности постоянного тока 14 в т и напряжении 30 в, а также к. п. д. 60% при 24 вт и 30—36 в. При погружении диодов в парафиновое масло для охлаждения к. п. д. уменьшался на 5%. В последую­ щих измерениях на частоте 2,44 Ггц с микроминиатюр­ ными туннельными диодами Шоттки удалось получить к. п. д. 77% при выходной мощности постоянного тока 8,0 кет на 1 кг диодов и 80% при 6,2 кет на 1 кг диодов. В исследованиях на частотах 5,7 и 10,2 Ггц были полу­ чены меньшие значения к. п. д.

Электронный диодный выпрямитель, работающий в длинноволновом диапазоне СВЧ аналогичнд обычному радиочастотному варианту, характеризуется узким коак-' спальным пространством взаимодействия (^0,1 мм) из-за ограничений по времени пролета, низким сопротивлением (25—200 ом), относительно высоким к. п. д. (^50% ) и умеренным весом с учетом его предельно достижимой мощ­ ности (несколько сотен ватт непрерывной мощности на частоте 2450 Мгц). Он работает лучше в низшем частот­ ном диапазоне (1 Ггц), чем в более высоком (3 Ггц). На­ пример, при работе на частоте ниже 1 Ггц можно получить