16.5.3. Коэффициент полезного действия

При рассмотрении КПД ЛБВ также ограничимся его качествен­ной оценкой с помощью ПВД; это тем более оправдано, что в режи­ме максимального КПД, т.е. на нелинейном участке амплитудной ха­рактеристики, линейная теория дает, как уже отмечалось, сущест­венную погрешность.

Как видно из ПВД на рис. 16.7, скорость электронов вдоль замедляющей системы не остается постоянной, а постепенно уменьшается (рис. 16.11). Что же касается скорости волны, вза­имодействующей с потоком, то она в предположении отсутствия «горячих» фазовых сдвигов остается постоянной (на рис. 16.11 сплошная линия ). Таким образом, если в начале замедляю­щей системы, т.е. там, где , имеет место необходимое для нормальной работы ЛБВ условие , то постепенно эти ско­рости выравниваются. При этом, как видно из ПВД, электроны, отставая от волны, начинают переходить из тормозящего ее по­лупериода в ускоряющий, и отбор энергии от электронов прекра­щается. В § 16.3 мы уже подчеркивали объективный характер этого явления, присущего всем приборам с длительным взаимо­действием, в которых электроны отдают электромагнитному по­лю свою кинетическую энергию, теряя при этом скорость, т.е. вы­ходя из синхронизма.

Произведем оценку электронного КПД. Как известно, элект­ронный КПД представляет собой отношение энергии, отданной потоком, к энергии источника, затраченной на создание потока с начальной скоростью электронов . С учетом замечания о скоро­стях , и качественная оценка величины КПД может быть проведена следующим образом. Электроны влетают в замедляю­щую систему со скоростью , т.е. обладают энергией, пропор­циональной , а вылетают из замедляющей системы со скоростью , т.е. обладают энерги­ей, пропорциональной . Таким образом, энергия, отданная пото­ком волне, пропорциональна величине –. Соответственно для электронного КПД спра­ведлива следующая приближенная оценка:

(16.27)

Поскольку величина в условии синхронизма не может суще­ственно превышать величину , на основании (16.27) может быть сделан вывод о принципиальном ограничении величины КПД ЛБВ.

Приведенная оценка дает результаты, близкие к реальным зна­чениям – без принятия каких-либо специальных мер КПД ЛБВ не превышает 20 %. Теория показывает, что КПД ЛБВ тем выше, чем больше величина , т.е. чем выше сопротивление связи замедляющей системыи ниже, равное отношению напряжения к току луча(). Отсюда следует один из способов повыше­ния КПД, связанный с созданием низковольтных ЛБВ. Тенденция к снижению питающих напряжений, характерная для всех современ­ных электровакуумных приборов СВЧ, будет обсуждаться ниже. Здесь же остановимся на двух других способах повышения КПД ЛБВ – принудительном синхронизме и рекуперации энергии.

Первый способ применяется только в приборах с длительным взаимодействием и связан с принципом действия приборов этого класса. Как уже неоднократно отмечалось, причина выхода сгустков из синхронизма состоит в том, что, тормозясь, они отстают от волны, бегущей вдоль замедляющей системы с постоянной фазовой скоро­стью . Но, как было показано в § 16.2 [см. (16.2), (16.4)], коэффици­ент замедления, определяющий величину , зависит от геометри­ческих размеров замедляющей системы. В частности, изменяя шаг L замедляющей системы, можно добиться увеличения коэффици­ента замедления и соответственно снижения . Реализуя замед­ляющую систему с переменным шагом, можно обеспечить посте­пенное снижение фазовой скорости бегущей вдоль системы волны (рис. 16.11, штриховая кривая) и добиться сохранения синхронизма до больших значений z и соответственно повышения КПД.

Второй способ повышения КПД, который находит широкое при­менение не только в ЛБВ, но и в клистронах, основан на отборе энергии у сгустка непосредственно перед его попаданием на кол­лектор. С этой целью напряжение на коллекторе несколько сни­жают по сравнению с ускоряющим напряжением. При этом в пространстве между замедляющей системой и коллектором созда­ется электростатическое тормозящее поле. Поскольку КПД обыч­ной ЛБВ мал, сгустки на выходе из замедляющей системы облада­ют большой энергией. Однако, попадая в тормозящее поле, элект­роны замедляются, отдавая часть своей энергии источнику коллек­торного напряжения, и лишь оставшуюся энергию выделяют в виде теплоты при ударе о коллектор.

Казалось бы, чем меньше напряжение на коллекторе, тем эф­фективнее оказывается рекуперация (возврат) энергии источнику питания. Однако не следует забывать о разбросе по скоростям, связанным с наличием в потоке как замедленных, так и ускоренных СВЧ-полем электронов. Наиболее замедленные при взаимодейст­вии с СВЧ-полем в замедляющей системе электроны могут не пре­одолеть дополнительного электростатического тормозящего поля перед коллектором и, повернув обратно, начнут двигаться в замед­ляющей системе навстречу основному потоку. Поэтому напряже­ние на коллекторе реально снижается не более чем на 50 %.

Метод рекуперации позволяет повысить КПД ЛБВ до 50 %. По­этому, несмотря на наличие дополнительного источника питания и необходимость принятия специальных мер по борьбе с возврат­ным движением электронов (помимо «отраженных» электронов в пространстве перед коллектором находятся выбитые при ударе электронов о коллектор вторичные электроны), этот метод нахо­дит широкое применение.