4.2. Генерация колебаний в лов типа о

Электронный поток, поступающий в ЗС ЛОВ, начинает взаимодействовать с обратной пространственной гармоникой, амплитуда которой на выходе лампы максимальна. Это приводит к интенсивной модуляции электронов пучка по скорости, переходящую в процессе их движения в модуляцию по плотности. Центром электронного сгустка становится электрон, вошедший в пространство взаимодействия в области перехода поля от ускоряющего к тормозящему. Передача энергии электронным сгустком полю происходит в тормозящем поле волны [1]. Для наиболее полной передачи энергии сгусток должен за время пролета по длине системы пройти всю тормозящую полуволну поля, не переходя, однако, в область ускоряющего поля. Это означает, что разность между изменением фазы волны по длине системы и углом пролета сгустка должна составлять . Возможны также режимы, при которых эта разность составляет (+2n):

, (4.9)

где n– любое целое число, включая ноль. С физической точки зрения режимуn= 1 соответствует движение сгустка на протяжении 1/3 длины системы в тормозящем поле, далее на 1/3 длины – в ускоряющем поле и на последней трети – снова в тормозящем СВЧ поле.

Выражая скорость пучка v₀ через ускоряющее напряжениеU₀ и подставляя в (4.9) для частоты генерации получим:

(4.10)

где – частота генерируемых или усиливаемых колебаний.

Из уравнения (4.10) следует, что лампа обратной волны имеет несколько широких зон генерации f_n(U₀),характеризуемых номерамиn=0, 1, 2... Наибольшую выходную мощность обеспечивает зонаn = 0, так как при этом наиболее полно используется длина ЗС.

Самовозбуждение ЛОВ происходит при значении тока пучка I_пуск, называемого пусковым, соответствующему резкому увеличению коэффициента усиления. Поля пространственных гармоник убывают при удалении от проводников ЗС, причем тем быстрее, чем выше номер гармоники |р|. Поэтому самовозбуждение наблюдается обычно лишь на первой обратной гармонике, т.е. прир = –1. Если пренебречь потерями в ЗС и влиянием пространственного заряда, то в линейном приближении пусковой ток определяется как

, (4.11)

где R_св – сопротивление связи, N – количество длин волн взаимодействующей с пучком пространственной гармоники укладывающихся на длине ЗС. При увеличении тока пучка большем, чем пусковой ток, растет выходная мощность ЛОВ, которуюопределяют по формуле

(4.12)

Качественно зависимость коэффициента усиления и генерируемой мощности ЛОВ от тока пучка I₀ изображена на рис. 4.4. Пусковой ток зон генерацииn>0 значительно превышает пусковой ток нулевой зоны. Причина этого – менее эффективное использование длины ЗС при увеличении номера зоныn. Поэтому практический интерес представляет лишь работа в зоне генерацииn= 0. Для того, чтобы избежать одновременной генерации в зонахn= 0 иn= 1 рабочий ток пучкаI₀ обычно выбирается в 2–5 раз выше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового тока зоныn= 1.

Рис. 4.4. Зависимость коэффициента усиления и генерируемой мощности ЛОВ от тока пучка при U₀=const

Качественно зависимость Р_выхотU₀показана на рис. 4.5 (сплошная кривая 1). При увеличении U₀ выходная мощность ЛОВ растет, так как увеличивается подводимая мощность постоянного токаР₀ =I₀U₀, а затем ростР_выхзамедляется и наступают режимы насыщения и спада, обусловленные увеличениемI_0пуски нелинейными эффектами.

На рис. 4.5 пунктирной кривой 2 показано изменение Р_выхв реальных условиях, когда часть сигнала отражается от устройства вывода энергии и поглотителя.

Рис. 4.5. Зависимость выходной мощности ЛОВ

от ускоряющего напряжения

Выходную мощность также можно изменить регулировкой тока пучка I₀. Однако, при этом несколько изменяется частота (электронное смещение частоты) - при увеличении токаI₀в ЛОВ наблюдается уменьшение частоты.

В ЛОВ типа О электронный поток имеет максимальную модуляцию по плотности в той части ЗС, где СВЧ поле мало по сравнению с ЛБВ типа О, в которой модуляция пучка и поле волны увеличиваются к выходному концу ЗС. Поэтому в ЛОВ типа О мощность, отбираемая полем от электронного потока, невелика и, соответственно низок электронный КПД. Так электронный КПД ЛОВ для линейного режима работыне превышает нескольких процентов и составляет

, (4.13)

где С – параметр усиления.