16.5. Характеристики и параметры лбв

16.5.1. Амплитудная характеристика

Амплитудной характеристикой (как и в клистронах) называется зависимость выходной мощностиР_вых усилителя от мощности Р_вх. Обратимся к рис. 16.7 и сопоставим режим, отображенный сплошными линиями, с режимом, соответствующим существенно большему значению амплитуды СВЧ-напряжения в первой ячейке, т.е. боль­шей входной мощности сигнала (штрихпунктирные линии). Сравне­ние сплошных и штрихпунктирных линий иллюстрирует тот факт, что в случае большей амплитуды сгу­сток, интенсивнее тормозясь, бы­стрее выходит из синхронизма. По­этому при постоянной длине лам­пы увеличение входного сигнала лишь на начальном этапе, т.е. при малых значениях Р_вх, вызывает (как показывает теория и подтверждают эксперименты) практиче­ски линейное увеличение выходной мощности, что соответствует начальному линейному участку амплитудной характеристики (рис. 16.9, кривая Р_вых). Связанный с увеличением амплитуды вход­ного сигнала преждевременный выход формирующихся сгустков из синхронизма приводит к тому, что в последних ячейках замедля­ющей системы они попадают в ускоряющие полупериоды СВЧ-поля. При этом скорость электронов в сгустках увеличивается, а так как на это увеличение скорости затрачивается часть энергии, рас­пространяющейся вдоль замедляющей системы электромагнит­ной волны, выходная мощность по мере увеличения входной мощ­ности перестает увеличиваться и начинает уменьшаться. Соответ­ственно наблюдается и уменьшение коэффициента усиления мощ­ности ЛБВ (кривая К_р на рис. 16.9).

Таким образом, в отличие от клистронов, в которых постепенный (по мере перехода от малосигнального режима к режиму макси­мальной выходной мощности) спад коэффициента усиления связан с перегруппировкой потока (см. § 15.4.1), в ЛБВ причина спада коэф­фициента усиления связана с выходом сгустков из синхронизма.

Завершая обсуждение амплитудной характеристики ЛБВ, заме­тим следующее. Как видно из ПВД (см. рис. 16.7), ускорившийся в пятой ячейке при большом сигнале сгусток в следующей (шестой) ячейке может снова попасть в тормозящий полупериод, что приве­дет к нарастанию выходной мощности (правая часть амплитудной характеристики). Подчеркнем, что этот эффект, наблюдаемый экс­периментально, не может быть объяснен в рамках линейной тео­рии ЛБВ и следует лишь из численных (исключительно трудоем­ких) расчетов. В то же время при использовании ПВД появление данного эффекта достаточно очевидно.

Говоря об удобстве и наглядности рассмотрения свойств ЛБВ с помощью ПВД, отмечаем еще одно обстоятельство. При рассмот­рении вопроса о пространственных гармониках мы упоминали о том, что формально из выражения (16.15) следует возможность взаимодействия потока с высшими гармониками; при этом поток должен обладать соответствующими скоростями, определяемыми из(16.15) при р = +1, +2и т.д. Эта ситуация также весьма наглядно иллюстрируется с помощью ПВД.

Действительно, если уменьшить скорость электронов, сделав ее такой, чтобы время пролета электронами расстояния L (шага за­медляющей системы) увеличилось по сравнению с временем на целое число периодов Т СВЧ-колебания, то синхронизм (попа­дание электронов в одну и ту же фазу СВЧ-поля) не нарушится. На ПВД это достигается соответствующим выбором угла наклона ли­ний 1, 2 и т.д. (см. рис. 16.7). Нетрудно убедиться, что поскольку сгустки встречаются теперь с СВЧ-полем реже (через 1, 2 и т.д. периода), то эффективность их взаимодействия с волной по мере ро­ста номера гармоник падает.