4.4. Параметры и характеристики лбв

Коэффициент усиления. Можно доказать, что энергия на вхо­де лампы равномерно распределяется между тремя волнами. Сле­довательно, амплитуда каждой волны равна. Тогда на­пряженность электрического поля в конце замедляющей системы для нарастающей волны

.

Постоянная распространения в системе без электронного потока для пространственной гармоники с длиной волны

,

поэтому с учетом (4.12)

,

где - электрическая длина замедляющей системы. Используя величину, получим

. (4.19)

Зная амплитуды волн вначале и в конце замедляющей системы, можно определить коэффициент усиления ЛБВ по напряжению в децибелах

. (4.20)

Значение К=9,54 дБ — это начальные потери, обусловленные тем, что амплитуда входного сигнала ЛБВ распределяется поровну между тремя волнами, т. е. напряженность поля нарастающей волны на входе ЛБВ в 3 раза меньше напряженности входного сигнала.

Формула (4.20) широко используется при расчетах ЛБВ для линейного режима (малого сигнала). Параметр С называется параметром усиления. Согласно (4.16) параметр С увеличивает­ся при увеличении сопротивления связи замедляющей системы. Ко­эффициент усиления ЛБВ прямо пропорционален параметру уси­ления и электрической длине лампы, определяемой N.

Существуют пределы, ограничивающие рост коэффициента усиления. При большой длине ЛБВ линейная теория, из которой получена формула (4.20), оказывается несправедливой на конеч­ном участке ЛБВ. Кроме того, существует опасность самовозбу­ждения вследствие возможного отражения сигнала от нагрузки. Для борьбы с самовозбуждением применяют поглотитель (эле­мент 6 на рис. 4.2), ослабляющий отраженную волну.

Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВ обычно 25—40 дБ, т. е. несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов. В маломощных ЛБВ коэффициент усиления выше и может достигать 60 дБ.

Амплитудная характеристика. Типичная зависимость выход_; ной мощности и коэффициента усиления от уровня входной мощности приведена на рис. 4.5. Начальный участок характерис­тик линеен. С увеличением входной мощности наступает насыще­ние, вызванное смещением сгустка в область нулевого поля вол­ны вследствие торможения электронов при взаимодействии с волной. Коэффициент усиления ЛБВ имеет наибольшее значение на линейном участке характеристики, а электронный КПД — в максимуме амплитудной характеристики. Поэтому при работе ЛБВ в качестве входного усилителя, когда важен высокий коэф­фициент усиления, используют линейный участок амплитудной ха­рактеристики. В мощных выходных усилителях передатчиков ЛБВ работают в режиме максимального КПД.

Коэффициент полезного действия. Для определения макси­мального значения электронного КПД необходимо рассматривать работу ЛБВ в нелинейном режиме и учесть влияние пространст­венного заряда. Кулоновские силы расталкивания, препятствуя группированию электронов, вызывают уменьшение коэффициента усиления и электронного КПД. Существует оптимальный режим, при котором электронный КПД имеет максимальное значение . При не очень больших параметрах усиления (С<0,1)

. (4.21)

Параметр С определяет не только коэффициент усиления лампы (4.20), но и максимальный КПД. Следовательно, для уве­личения КПД необходимо увеличивать С (4.16), т. е. повышать сопротивление связи замедляющей системы и увеличивать отно­шение . Реальный КПД мощных ЛБВ меньше, чем у мощ­ных многорезонаторных клистронов, и составляет примерно 25— 30%.

Один из известных методов повышения КПД заключается в использовании замедляющих систем с переменным коэффициен­том замедления (4.2) для сохранения синхронизма между скоро­стью электронов и фазовой скоростью электромагнитной волны. Дело в том, что электроны, отдавая энергию волне, постепенно замедляют свое движение и электронный сгусток смещается в область ускоряющей полуволны поля. Тем самым нарушается первоначальное условие синхронизма. Поэтому замедляющую си­стему конструируют так, чтобы было некоторое увеличение коэф­фициента замедления к выходному концу лампы. При спираль­ной замедляющей системе это достигается плавным уменьшени­ем шага спирали. Такие ЛБВ называются изохронными.

Эффективен и щироко распространен метод повышения КПД с помощью торможения электронов после замедляющей системы. Пучок электронов после прохождения замедляющей системы поступает на коллектор, где рассеивается оставшаяся кинетическая энергия. Так как в ЛБВ весь ток пучка идет в цепи коллектора, потенциал которого обычно равен потенциалу замедляющей системы, то от источника питания коллектора потребляется мощность P₀=I₀U₀. Если теперь потен­циал замедляющей системы остался неизменным, а потенциал коллектора уменьшился, то выходная мощность ЛБВ останется прежней, а мощность, потребляемая от источника питания кол­лектора, снизится, что означает повышение КПД. Физически это объясняется тем, что электроны тормозятся в пространстве меж­ду замедляющей системой и коллектором и рассеивают на коллек­торе меньшую кинетическую энергию. Торможение означает пе­реход некоторой части кинетической энергии в энергию электро­статического поля и возврат (рекуперация) энергии в источник питания.

Поскольку в пучке присутствуют электроны с различными энергиями, увеличение КПД достигается наиболее эффективно в секционированных коллекторах, в которых на секции подаются различные потенциалы. Степень допустимого понижения напря­жения на коллекторе определяется распределением электронов по скоростям и ограничивается возможностью возникновения об­ратной связи за счет обратных электронов, летящих с коллекто­ра, которые вызывают нагрев замедляющей системы.

Частотная характеристика ЛБВ — зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты при фикси­рованной входной мощности. Такая характеристика приведена на рис. 4.6. По ней можно определить ширину рабочей полосы час­тот ЛБВ, которая составляет от нескольких десятков до сотни процентов средней частоты диапазона. Широкополосность — осо­бенно ценное свойство ЛБВ.

Фазовые характеристики ЛБВ определяют зависимость раз­ности фаз колебаний на входе и выходе от различных причин: час­тоты усиливаемых колебаний, изменения ускоряющего напряже­ния, тока пучка и т. д. Фазовые характеристики необходимы для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых ЛБВ.

Широкое применение ЛБВ в системах связи налагает опреде­ленные требования к характеристикам этих приборов. Это преж­де всего требование минимальных нелинейных искажений усили­ваемых сигналов. В системах связи необходимо одновременно усиливать несколько сигналов с близкими частотами, поэтому в ЛБВ, как и в любом нелинейном элементе, возникают следую­щие искажения: изменение фазы сигнала на выходе в зависимо­сти от уровня входного сигнала, появление в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, кратными частотам усилива­емых сигналов, а также сигналов на суммарной частоте, появле­ние комбинационных составляющих вида . Степень за­висимости фазы выходного сигнала от уровня входного сигнала называетсякоэффициентом преобразования амплитудной моду­ляции в фазовую и определяется в градусах на децибел.

При усилении многочастотного сигнала в ЛБВ наиболее су­щественны комбинационные составляющие, которые вызывают ис­кажение полезной информации в соседних каналах связи. Теоре­тически и экспериментально показано, что формированием входно­го сигнала специальной формы можно существенно уменьшить уровень комбинационных составляющих третьего порядка на вы­ходе. Оптимальным будет входной сигнал, содержащий состав­ляющие удвоенной частоты усиливаемых сигналов.

Шумовые характеристики. Одной из важных характеристик маломощных ЛБВ является уровень собственных шумов, кото­рый определяет минимальный сигнал, подлежащий усилению.

Наиболее существенны собственные шумы электронного пото­ка. Эмиссия с катода вызывает шумы в виде случайных измене­ний плотности конвекционного тока и скоростей электронов (дробовой эффект). Уровень шумов зависит от конструкции элек­тронной пушки и режима ее работы. Шумы электронного потока уменьшают, создавая определенные изменения потенциала меж­ду катодом и началом замедляющей системы, для чего применя­ют электронные пушки специальной многоанодной конструкции.

Другим источником шумов ЛБВ является шум, который воз­никает из-за оседания части электронов пучка на электродах пуш­ки и на замедляющей системе. Влияние токораспределения на уровень шумов можно уменьшить хорошей фокусировкой пучка, обеспечивающей практически прямолинейные траектории электро­нов. Возникновение собственных шумов в ЛБВ связано также с тепловыми шумами замедляющей системы. Их мощность пропор­циональна абсолютной температуре. Поэтому для снижения уров­ня шума наряду с улучшением шумовых свойств электронной пушки необходимо охлаждать ЛБВ, например, до температуры жидкого азота. Коэффициент шума (см. гл. 1) современных про­мышленных ЛБВ 6—8 дБ на частоте 3 ГГц. Минимальный коэф­фициент шума, достижимый в настоящее время для ЛБВ, выше, чем у мазеров или полупроводниковых усилителей. Транзистор­ные усилители вытесняют малошумящие ЛБВ вплоть до частоты 12 ГГц с перспективой вытеснения до 18 ГГц. В этих условиях конкуренции идет совершенствование малошумящих ЛБВ с це­лью дальнейшего снижения массы при условии повышения вы­ходной мощности и полосы пропускания на более высоких час­тотах. Разрабатывают малогабаритные малошумящие ЛБВ с частотой до 40—60 ГГц, коэффициентом шума менее 18 дБ, уси­лением 35 дБ и выходной мощностью в режиме насыщения 20 мВт.