16.5.4. Амплитудно-частотная характеристика

В § 16.1 отмечалась принципиальная возможность обеспече­ния широкой полосы усиливаемых частот при использовании бе­гущих волн в замедляющих системах. Однако большинство таких систем обладает дисперсией, т.е. зависимостью фазовой скоро­сти замедленной волны от частоты, входящей в условие синхро­низма. В то же время при фиксированном ускоряющем напряже­нии скорость электронов остается практически постоянной. Сле­довательно, дисперсия влияет на полосу пропускания и для обес­печения широкополосности необходимо использовать линии со слабо выраженной дисперсией.

Кроме дисперсии на полосу пропускания влияют и другие фа­кторы. Например, если уменьшить частоту входного сигнала, то будет уменьшаться число длин волн, укладывающихся вдоль за­медляющей системы, т.е. электрическая длина лампы, и, как следствие, – падать коэффициент усиления. Если увеличить ча­стоту, то увеличится скорость спада продольной составляющей СВЧ-поля в поперечном сечении замедляющей системы: поле «прижмется» к поверхности системы. В то же время поток с це­лью уменьшения «оседания» электронов на замедляющей сис­теме пропускается на определенном расстоянии от ее поверхно­сти. В связи с этим с ростом частоты эффективность взаимодей­ствия потока и поля уменьшается и коэффициент усиления пада­ет. Однако эти факторы, как и дисперсия, при правильно сконст­руированной лампе не препятствуют достижению весьма широ­ких полос пропускания, в ряде случаев превышающих октаву (= 1) и более. Реально полоса пропускания ЛБВ ограничивается трудностями широкополосного согласования входного и выходного трактов с замедляющей системой.

16.5.5. Фазовые и шумовые характеристики

Под фазовыми характеристиками ЛБВ понимают зависимо­сти разности фаз колебаний на входе и выходе лампы от различ­ных факторов: частоты усиливаемых колебаний, ускоряющего напряжения, тока пучка и т.п. Появление этих зависимостей связано с тем, что «горячий» фазовый сдвиг (см. § 16.3) определяет­ся амплитудой СВЧ-напряжения в ячейках замедляющей систе­мы, зависящей от упомянутых факторов. Фазовые характеристи­ки важны с точки зрения искажений сигналов, усиливаемых ЛБВ. Широкое применение ЛБВ в системах связи налагает требова­ния минимальных нелинейных искажений при максимальной широкополосности сигналов. Одной из важнейших характеристик ЛБВ является также уровень собственных шумов, который опре­деляет минимальную величину усиливаемого сигнала. Однако по этому параметру они уступают современным транзисторным усилителям и в настоящее время активно вытесняются последними в тех применениях, где транзисторы обеспечивают требуе­мый уровень мощности. Поэтому выпуск малошумящих мало­мощных ЛБВ сокращается. Вместе с тем в условиях конкуренции с транзисторными усилителями идет совершенствование малошумящих ЛБВ с целью дальнейшего снижения массы при одно­временном повышении выходной мощности и полосы пропуска­ния на более высоких рабочих частотах.

16.6. Тенденции развития электровакуумных приборов с длительным взаимодействием и их применение в технике связи

Обладая уникальным комплексом параметров, усилители на ЛБВ нашли широкое применение во всех важнейших СВЧ-системах: радиолокационных (РЛС), системах радиоэлектронной борь­бы (РЭБ), космической, тропосферной и радиоэлектронной связи и т.п. [7]. Это исключает возможность провести в рамках учебника систематическое обсуждение хотя бы основных областей приме­нения ЛБВ. Можно лишь отметить, что наиболее значительными достижениями последних лет являются: выпуск промышленных ЛБВ для космических станций связи на частоте 45 ГГц, создание ЛБВ в диапазоне 89 ГГц для спутников, выпуск промышленных ЛБВ для РЛС с предельно высоким уровнем мощности (30 кВт в импульсе). Все это убедительно свидетельствует о широком при­менении ЛБВ в технике связи и устойчивых тенденциях дальней­шего развития этого класса приборов.

Общей тенденцией снижения габаритов и массы электрова­куумных приборов СВЧ, в полной мере коснувшейся ЛБВ, явля­ется снижение питающих напряжений, позволяющее существен­но сократить габариты и массу как собственно приборов, так и источников питания и повысить КПД приборов. Весьма эффек­тивным является применение новых магнитных материалов, улучшающих массогабаритные характеристики фокусирующих систем и приборов в целом.

Заметим, что для резонансных приборов (например, клистро­нов) подобные соображения давно уже рассматриваются как об­щие принципы проектирования приборов малой и средней мощно­сти [33]. Потому можно прийти к общему выводу о том, что требо­вания к конструкции и режимам питания приборов с кратковре­менным и длительным взаимодействием, обусловленные необхо­димостью повышения КПД при заданном уровне выходной мощ­ности, аналогичны: это низкие питающие напряжения и элекгро-динамические системы малой длины.

Второй устойчивой тенденцией в технике современных ЛБВ является развитие ЛБВ миллиметрового диапазона. Это вызвано требованиями повышения разрешающей способности и уменьше­ния габаритов бортовых РЛС, обеспечения беспоисковой и бесподстроечной связи и решения проблемы переуплотнения элект­ромагнитного спектра в системах космической связи. Заметим, что системы космической связи в ближайшее время будут активно развиваться, причем именно космическая связь является одним из основных потребителей миллиметрового диапазона. В частно­сти, ожидается создание ЛБВ мощностью 2 кВт на частоте 30 ГГц и 350 Вт на частоте 50 ГГц.

В заключение немного о лампах обратной волны (ЛОВ). Как уже упоминалось (см. рис. 16.5), особенностью ЛОВ является то, что направление движения электронов в этом приборе противо­положно направлению движения энергии по замедляющей сис­теме. При этом поток взаимодействует с одной из отрицатель­ных гармоник (р < 0). Таким образом, формально ЛОВ такое же, как и ЛБВ, устройство с длительным взаимодействием. Однако встречное движение истинной волны (энергии) и электронов пре­допределяет ряд особенностей их взаимодействия, и прежде всего наличие внутренней положительной обратной связи и воз­можность значительной перестройки частоты путем изменения питающего напряжения.

В связи со встречным направлением скорости электронов и групповой скорости вывод энергии в отличие от ЛБВ должен про­изводиться из замедляющей системы со стороны электронной пушки. Соответственно ввод сигнала в усилительной ЛОВ должен

осуществляться в замедляющую систему у коллекторного конца. В генераторных ЛОВ вместо ввода располагается поглощающая (согласующая) вставка.

Появление положительной обратной связи в ЛОВ можно ка­чественно пояснить следующим образом. Формируемый при вы­полнении условия синхронизма электронный сгусток, движущий­ся по замедляющей системе в сторону коллектора, тормозится СВЧ-полем, т.е. увеличивает энергию СВЧ-поля, переносимую в сторону электронной пушки. Поэтому в этом направлении долж­на увеличиваться энергия волны. Но это означает, что следую­щий сгусток будет испытывать более сильное воздействие тор­мозящего поля и передаст больше энергии СВЧ-полю и т.д. На­личие положительной обратной связи позволяет получить в ЛОВ регенеративное усиление, а при выполнении условий самовозбуждения – генерацию колебаний. Скорость электронов входит в баланс фаз, поэтому появляется возможность изменять частоту генерации путем изменения напряжения источника питания (элек­тронная перестройка частоты).

Указанные особенности обеспечили создание на базе ЛОВ СВЧ-генераторов с широким диапазоном электронной перестрой­ки частоты. Такие генераторы применяются в качестве гетероди­нов радиолокационных и связных приемников, в задающих гене­раторах передатчиков РЛС с быстрой перестройкой частоты и ши­рокополосных ЧМ-системах передачи данных, в свип-генераторах измерительной аппаратуры. Однако в последние годы в связи с крупными достижениями в области полупроводниковых прибо­ров СВЧ начался процесс замены ЛОВ во вновь разрабатываемой аппаратуре на частотах до 10... 12 ГГц на полупроводниковые ге­нераторы СВЧ. Поэтому в настоящее время новые типы ЛОВ разрабатываются только в субмиллиметровом диапазоне.