16.5.2. Коэффициент усиления

Зависимость величины коэффициента усиления по мощности К_р = Р_вых/Р_вх от уровня входной мощности можно проследить, ана­лизируя амплитудную характеристику усилителя (см. рис. 16.9). На линейном участке коэффициент усиления постоянен и максима­лен, затем (как уже отмечалось) по мере замедления роста выход­ной мощности величина К_р начинает уменьшаться. Что касается оценок абсолютной величины коэффициента усиления, то линейная теория показывает [см. (16.26)], что она пропорциональна электрической длине лампы (– длина замедляющей си­стемы; – длина замедленной волны в линии) и параметру усиленияС. Однако следует отметить, что линейная теория при большой длине лампы оказывается несправедливой. В частности (см. § 16.4), эта теория строится при упрощающем предположении о неизменной средней скорости электронов при прохождении ими замедляющей системы, в то время как реально при взаимодейст­вии с полем эта скорость уменьшается. На практике ЛБВ средней и большой мощности имеют К_р =25...40 дБ; в маломощных ЛБВ мак­симальное значение К_р достигает 60 дБ. Заметим, что реально зна­чение коэффициента усиления ЛБВ ограничивается опасностью самовозбуждения. Из-за важности этого вопроса остановимся на нем несколько подробнее.

Как уже отмечалось (см. рис. 16.6), на входе и выходе замед­ляющей системы в ЛБВ устанавливаются согласующие устройст­ва 4, обеспечивающие ее согласование с входным и выходным трактами. Однако обеспечить идеальное согласование в преде­лах широкой полосы пропускания, характерной для усилителей этого типа, естественно, не удается – на каких-то частотах в пре­делах рабочей полосы часть энергии, дошедшей до конца замедляющей системы, отражается и начинает переноситься по замед­ляющей системе ко входу лампы.

Качественно эта ситуация изображена на рис. 16.10,а; кривая 1 соответствует усиливаемой волне, кривая 2 –отраженной; стрелка­ми отмечено направление распространения волн. Поскольку усло­вие синхронизма для отраженной волны из-за несовпадения напра­влений скоростей V_o и V_ф не выполняется, она не усиливается. В предположении отсутствия потерь в замедляющей системе ампли­туду отраженной волны вдоль длины лампы можно считать неиз­менной. Разумеется, амплитуда отраженной волны существенно меньше амплитуды падающей волны на выходе лампы. Дойдя до входного согласователя, отраженная волна, отразившись от него, может оказаться сравнимой по амплитуде с входной волной. А если учесть, что после отражения от входа скорость V_ф дважды отражен­ной волны 3 начинает совпадать по направлению со скоростью элек­тронов V_o, то волна будет усиливаться. При определенных условиях это может приводить к самовозбуждению усилителя.

Для борьбы с этим вредным явлением в замедляющую систему вводится поглотитель, устанавливаемый вблизи середины лампы (на рис. 16.6 –элемент 6). Проходя через поглотитель, и основная и отраженная волны затухают (рис. 16.10,б). Но поскольку к середи­не лампы электронный поток уже заметно сгруппирован, он после поглотителя создает в замедляющей системе наведенный ток и СВЧ поле той же частоты, распространяющееся вдоль замедляю­щей системы с той же скоростью V_ф, что и усиливаемая волна до поглотителя (напомним, что V_ф определяется при неизменной час­тоте только геометрическими размерами замедляющей системы). Поскольку условие синхронизма при этом выполняется, начинает­ся процесс передачи энергии от электронов волне, и последняя на­растает (сплошная кривая 1 на рис. 16.10,б). Что же касается отра­женной от выхода волны, то для нее условие синхронизма (как уже отмечалось) не выполняется, и после прохождения поглотителя, где она затухает практически до нуля, волна нарастать не может. Таким образом, хотя и ценой уменьшения усиления (сравните сплошную и штриховую кривые 1 на рис. 16.10,б), обеспечивается устойчивая работа усилителя на ЛБВ.