3.4. Шумы в лбв
Одним из основных параметров входных маломощных ЛБВ является коэффициент шума, определяемый собственными шумами лампы. Главные источники шума в ЛБВ:
а) флюктуации плотности конвекционного тока и скорости электронов в пучке при входе в замедляющую систему, вызываемые дробовым эффектом и разбросом скоростей электронов, покидающих катод;
б) эффект токораспределения при оседании электронов на различные части замедляющей системы, подобный тому, что имеет место в многоэлектродной лампе.
Для уменьшения дробового эффекта, как и в других электронных приборах, необходимо снижать температуру катода, уменьшать ток пучка и его отношение к полному току эмиссии. В настоящее время для этой же цели применяются специальные многоанодные электронные пушки с трубой дрейфа перед входом в замедляющую систему.
Эффект токораспределения уменьшается при помощи сильной фокусировки потока электронов однородным продольным магнитным полем, чем почти полностью исключается оседание электронов на замедляющую систему (ток системы составляет 1–2 % полного тока) и повышается однородность электронного пучка.
Наличие активных потерь также приводит к появлению шумового сигнала, поэтому снижение температуры спирали ведет к снижению общего шума ЛБВ. Для этой же цели необходимо уничтожать вторичную эмиссию электронов с коллектора на спираль. Заметим, что такие факторы, как неоднородность высокочастотного поля в поперечном сечении пучка, наличие радиальной составляющей скорости электронов слабо влияют на шумы ЛБВ.
Коэффициент шума в современных малошумящих ЛБВ имеет очень малые значения, достигая 3–4 дБ в десятисантиметровом диапазоне и возрастает с повышением частоты до 4–5 дБ в трехсантиметровом диапазоне, до 7–8 дБ – в диапазоне длин волн около одного сантиметра.
Мощность входного сигнала, необходимая для нормальной работы ЛБВ, при этом составляет ~1 мкВт.
3.5. Нелинейная теория лбв
В предыдущем разделе рассматривалась линейная теория ЛБВ, которая справедлива для режима малых амплитуд. Допущения, положенные в основу линейной теории, не всегда справедливы в реальных приборах. Это особенно относится к лампам средней и большой мощности. В этом случае амплитуды переменных составляющих скорости, тока и плотности пространственного заряда сравнимы с соответствующими постоянными составляющими, и поэтому в уравнениях линейной теории, описывающих электронный поток, нельзя пренебрегать произведением переменных величин малого порядка. В режиме больших амплитуд электроны под действием высокочастотного поля сильно изменяют свою первоначальную скорость, что приводит к обгону электронов. Поэтому к такому электронному потоку не применимы уравнения гидродинамики идеальной жидкости. В связи с этим анализ работы ЛБВ в режиме больших амплитуд может быть проведен только на основе нелинейной теории. В последние годы теория нелинейных процессов в ЛБВ развивалась весьма интенсивно. Сейчас имеется значительное количество работ, посвященных численному решению уравнений ЛБВ и их анализу [13–16]. Способы учета пространственного заряда и постановка граничных условий также различны у разных авторов. Представляется полезным привести исходные положения нелинейной теории согласно [13].
Уравнения нелинейной теории ЛБВ обобщаются на случай больших значений параметра усиления. При выводе основных уравнений нелинейной теории ЛБВ принимаются следующие допущения:
1) рассматриваются «гладкие» системы, т. е. такие системы, неоднородности которых не сказываются на взаимодействии электромагнитной волны с электронным потоком;
2) скорость электронов и плотность конвекционного тока имеют только продольную составляющую;
3) cкорость электронов намного меньше скорости света, так что релятивистскими эффектами можно пренебречь;
4) ЗС идеально согласована на концах, так что отражение электромагнитной энергии отсутствует.
В режиме больших амплитуд конвекционный ток пучка является несинусоидальной, но периодической функцией времени и, следовательно, содержит бесконечное множество временных гармоник основной частоты. Тогда конвекционный ток пучка может быть разложен в ряд Фурье [14]
i(z,t)
=I0 +Re
,
(3.55)
где I0 – среднее за период значение тока,ik – комплексная амплитудаk-й гармоники.
Каждая гармоника тока возбуждает в
замедляющей системе поле напряженности
Ек(r,z,t), его
усредненное значение по сечению пучка
обозначим через
.
Поле Еможет быть представлено в виде суммы двух полей: поля, обусловленного возбуждением волны в системе, фазовая скорость которой близка к скорости электронов, и поля, обусловленного пространственным зарядом,
=Re
ejkt,
(3.56)
где pk2
– коэффициент депрессии на частотеk,Sk
=Sэф =
=S2/
– эффективная площадь поперечного
сечения пучка на частотеk,S– геометрическое поперечное
сечение пучка,–
функция распределения ВЧ тока по
сечению пучка.
Коэффициент депрессии определяется выражением
p2 = 1 –j0Sэф
,
(3.57)
где
означает
суммирование по всем индексам «холодной»
(без пучка) системы, за исключениемn
= 0,Гn– продольная
постоянная распространения,Rсвn=
– сопротивление связи,Рn– мощность, прошедшая через поперечное
сечение системы,n– фазовая постоянная волны.
Продольная и фазовая постоянная
распространения для «горячих» (система
с пучком) и «холодных» систем, а также
сопротивление связи находятся из
решения соответствующих дисперсионных
уравнений. Поле системы
и переменная составляющая токаikсвязаны между собой соотношением
–Г 20k
=K0kГ0k0kik
. (3.58)
Полное поле в системе определяется суммой всех полей Ек
ejkt
. (3.59)
Введем следующие безразмерные величины:
J=i/I0
,f=
,
,=t
. (3.60)
Тогда соотношения (3.55), (3.58) и (3.59) могут быть записаны в виде
J(,)
= 1 +Re
; (3.61)
;
(3.62)
f =Re
,
(3.63)
где Сk=С=
– параметр усиления.
Амплитуды гармоник конвекционного тока определяются как коэффициенты ряда Фурье
Jk =
. (3.64)
Уравнение движения электрона в безразмерных координатах запишется в виде
Re
. (3.65)
Безразмерная координата зависит не только от текущей фазы, но и от начального момента (времени) влета электрона в пространство взаимодействия. Это время определяется начальной фазой или фазой влета0. Следовательно,
= (,0). (3.66)
В режиме больших амплитуд имеет место обгон электронов, т. е. в данном сечении (= const) одному значению текущей фазыможет соответствовать несколько значений фазы влета0. В дальнейшем примем за независимые переменные безразмерное расстояниеи начальную фазу влета электрона в пространство взаимодействия. Поэтому соотношение (3.66) запишем в виде
= (,0) . (3.67)
Скорость и ускорение электронов определяются формулами
V=
;
(3.68)
W=
. (3.69)
С учетом последнего соотношения уравнение движения электронов запишется следующим образом:
Re
. (3.70)
С учетом закона сохранения заряда Jd=d0выражение для амплитудык-й гармоники конвекционного тока запишется в следующей форме:
Jk =
.
(3.71)
Уравнения (3.62), (3.65) и (3.71) образуют систему, полностью описывающую поведение ЛБВ при конечных уровнях сигнала. Введем подвижную систему координат, движущуюся со скоростью, равной скорости электрона v0на входе в пространство взаимодействия. В подвижной системе координат введем новые переменныеFk(),Ik(),ипо формулам
Fk()
=
;
Ik()
= ejkJk
, (3.72)
= 0 + + (,0), = C = 2CNe ,
где Ne– число электронных длин волн, укладывающихся вдоль участка взаимодействия.
Величина (,0) представляет собой добавку к невозмущенной фазе электрона, обусловленную воздействием на электрон высокочастотного поля. Вместо величины(,0) можно ввести величину
Ф = –=0 +(,0), (3.73)
которая является более удобной для дальнейшего анализа.
Сопротивление связи сильно уменьшается с увеличением номера гармоники. Кроме того, при наличии дисперсии изменение частоты приводит к дополнительной расстройке. Поэтому при рассмотрении возбуждения сгруппированным током поля замедляющей системы можно ограничиться только основной гармоникой тока. При этом уравнения несколько упрощаются и их можно записать в виде
С
+ (2r+Cr2)F = 2j(1 +Cr)(1
+bC)2J1; (3.74)
Re
;
(3.75)
Ik =
,
(3.76)
где r=b–jd,b=
– параметр несинхронности,d–
параметр затухания.
При выводе уравнения (3.74) принята во внимание формула Г0 =je +jeCr. Для решения системы уравнений (3.74)–(3.76)необходимо записать начальные условия, характеризующие поведение пучка и поля на входе в участок взаимодействия. Длина, при которой начинает сказываться влияние обратного излучения на взаимодействие электронного потока с полем бегущей волны, значительно больше длины участка взаимодействия, на которой проявляются нелинейные эффекты. Поэтому при записи граничных условий пренебрежем обратным излучением электронного потока.
В этом случае начальные условия записываются следующим образом:
= 0, Ф = 0,
;
(3.77)
F =F0ej,
=
–jrF0ej,
(3.78)
где F0– амплитуда входного сигнала.
Условие (3.77) соответствует немодулированному электронному пучку на входе в участок взаимодействия. Условие (3.78) определяет ВЧ поле на входе в участок взаимодействия. Величина F0является амплитудой входного сигнала,– фаза поля.
Решение системы уравнений (3.74) – (3.76) следует искать численным методом, а наиболее подходящим является метод крупных частиц [14, 15], который все же требует больших затрат машинного времени.
Интегрируя обе части уравнения (3.75) от 0 до с учетом граничных условий (3.77) и при отсутствии затухания в системе, можно получить выражение, которое определяет КПД ЛБВ
. (3.79)
При наличии затухания мощность, отданная электронным потоком полю, равна сумме высокочастотной мощности, идущей в нагрузку, и мощности потерь. Мощность, идущая в нагрузку, определяет КПД прибора и вычисляется по формуле (3.79).
Мощность потерь определяется соотношением
.
(3.80)
Это соотношение может быть полезным при расчете теплового режима работы ЛБВ.
