Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Шпоры по ТТЭ - файл ГЛАВА 16.doc


Загрузка...
Шпоры по ТТЭ
скачать (3670.4 kb.)

Доступные файлы (14):

ГЛАВА 10.doc3655kb.15.01.2005 00:00скачать
ГЛАВА 12.doc4472kb.15.01.2005 00:09скачать
ГЛАВА 14.doc1723kb.15.01.2005 00:31скачать
ГЛАВА 16.doc489kb.15.01.2005 00:52скачать
ГЛАВА 18.doc2195kb.15.01.2005 01:20скачать
ГЛАВА 1.doc41kb.13.01.2005 18:16скачать
ГЛАВА 20.doc492kb.15.01.2005 01:44скачать
ГЛАВА 2.doc718kb.13.01.2005 19:41скачать
ГЛАВА 3.doc7420kb.13.01.2005 22:41скачать
ГЛАВА 4.doc233kb.13.01.2005 23:04скачать
ГЛАВА 5 .doc6394kb.14.01.2005 14:44скачать
ГЛАВА 6.doc476kb.14.01.2005 14:59скачать
ГЛАВА 7.doc804kb.14.01.2005 23:05скачать
ГЛАВА 8.doc1338kb.14.01.2005 23:12скачать

ГЛАВА 16.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...

ГЛАВА 16

ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

16.1. Общие сведения


При всех своих достоинствах (удобство эксплуатации, надеж­ность, высокий КПД) приборы с кратковременным взаимодействием (клистроны) обладают принципиальным недостатком, а именно: сравнительно узкой полосой пропускания для усилителей и малым диапазоном электронной перестройки частоты для генераторов. От­меченная ограниченность диапазонных характеристик клистронов связана с тем, что сформированные в электронном потоке клистро­на сгустки при передаче энергии высокочастотному (СВЧ) полю энергосъемника взаимодействуют с этим полем однократно. Имен­но поэтому СВЧ-поле в энергосъемнике должно быть интенсивным – только в этом случае при однократном взаимодействии удается эффективно затормозить сгусток.

Амплитуда СВЧ-поля в энергосъемнике при прочих равных усло­виях определяется его сопротивлением R:

(16.1)

Поскольку значение характеристического сопротивления ре­зонаторов ограничено, то требуемого сопротивления ^ R можно добиться лишь в результате увеличения добротности Q. Если учесть, что по существу те же проблемы возникают и в резонато­рах группирователя в процессе формирования сгустков, то стано­вится понятной причина общего недостатка клистронов как прибо­ров с кратковременным взаимодействием: так как необходимая для эффективного отбора энергии амплитуда СВЧ-поля достига­ется при большой добротности их резонаторов, полоса пропуска­ния этих приборов ограничена.

Приведенное рассуждение справедливо лишь при условии, что образующиеся в результате группировки электронов сгустки взаи­модействуют с СВЧ-полем в резонаторах однократно. Если же обес­печить многократное взаимодействие потока и СВЧ-поля, то в этом случае амплитуда СВЧ-напряжения уже не должна быть очень большой; малую эффективность каждого взаимодействия компенсирует большое число взаимодействий. Но если не требуется большая ам­плитуда СВЧ-напряжения, то отпадает необходимость в высокодобротной электродинамической системе. В результате частотные ха­рактеристики устройства (рабочая полоса, диапазон перестройки) могут быть заметно улучшены.

Именно эти соображения лежат в основе принципа действия приборов с многократным взаимодействием электронного потока с электромагнитным полем. Вопрос лишь в том, как обеспечить многократное (чаще используют термин длительное) взаимодействие потока, имеющего скорость, существенно меньшую скоро­сти света с = 3·108 м/с, с электромагнитной волной, распространя­ющейся со скоростью с. Поскольку увеличить скорость потока электронов до величины с не представляется возможным, прибе­гают к замедлению волны. Это достигается применением специ­альных электродинамических устройств, получивших название замедляющих систем.

^

16.2. Замедляющие системы


16.2.1. Принцип действия и типы замедляющих систем

Принцип действия замедляющих систем (как и резонаторов) должен рассматриваться в курсе «Техническая электродинами­ка». Ограничимся здесь лишь краткими сведениями, позволяющи­ми понять принцип длительного взаимодействия потока и элект­ромагнитной волны.

Все замедляющие системы подразделяются на системы с геометрическим замедлением и системы типа цепочек связанных резонаторов.



В качестве примера первой системы рассмотрим широко рас­пространенную замедляющую систему – спираль (рис. 16.1). Что­бы понять механизм замедления волны в спирали, можно провести следующее рассуждение. Если бы электромагнитная волна распространялась вдоль оси z в свободном пространстве, то скорость ее перемещения вдоль этой оси была бы равна скорости света с. Но если она перемещается с той же скоростью с вдоль прово­локи спирали, т.е. по более длинному пути, то скорость ее перемещения в направлении оси z уменьшается. Эту «кажущуюся» скорость волны (по су­ществу скорость перемещения вдоль оси z фазы волны) называют фазовой скоростью .

Конкретизируем ситуацию и рассмотрим отрезок на оси z меж­ду двумя геометрически подобными точками спирали 1 и 2 (рассто­яние между геометрически подобными точками любой замедляю­щей системы называется шагом (периодом) системы и обознача­ется L). Приближенно скорость смещения поля волны вдоль оси z во столько раз меньше с, во сколько развернутая длина витка спи­рали меньше ее шага L.

Коэффициент п = с/, характеризующий это кажущееся умень­шение скорости волны, носит название коэффициента замедле­ния. Как следует из предыдущего рассуждения, для спирали

(16.2)

Разумеется, реально картина гораздо сложнее (хотя бы тем, что непосредственно вдоль оси действует поле не всей волны, а ее про­дольной составляющей), но существа вопроса это не меняет – если электрон летит вдоль оси z со скоростью , это эквивалентно его движению вместе с некоторой волной, поскольку он все время (непрерывно!) подвергается воздействию в одной и той же фазе.

Условие длительного (непрерывного) взаимодействия

(16.3)

носит название условия синхронизма (в дальнейшем это условие будет уточнено).

Рассмотрим другой пример замедляющей системы с геометри­ческим замедлением – систему «встречные штыри», представ­ленную на рис. 16.2. Обращение к этой замедляющей системе свя­зано с тем, что на ее примере очень наглядно могут быть рассмотре­ны специфические вопросы теории замедляющих систем, существенные для понимания принципа действия ЭВП СВЧ с длительным взаимодействием. Нетрудно видеть, что система «встречные шты­ри» аналогична волнообразно изогнутой двухпроводной линии. Ме­ханизм замедления волны в такой системе можно качественно объ­яснить следующим образом. Предположим, что электроны потока движутся вдоль оси системы z с постоянной скоростью . Введем, как и для спирали, понятие шага (периода) системы L (на рис. 16.2 это расстояние ме­жду точками A, В, С и т.д.). Скорость летящих вдоль оси z электронов много меньше истинной скорости с электро­магнитной волны в двухпроводной линии. Однако в то время как электрон проходит ме­жду точками А и В по прямой расстояние L, волна из-за деформации линии проходит между этими же точками расстояние (L + 2h) > L, т.е. как и в случае спирали, с «точки зрения» электронов скорость дви­жения «кажущейся» волны вдоль оси z меньше, чем в линии. Имен­но поэтому эта система, как и спираль, носит название системы с геометрическим замедлением.

Количественно коэффициент замедления для системы «встре­чные штыри», как следует из проведенного рассуждения, равен

(16.4)

Однако при внешней «схожести» условий синхронизма в спира­ли и в системе «встречные штыри» имеется одно различие. Если в спирали электроны потока и волна (ее продольная составляющая) действительно взаимодействуют непрерывно, то в системе «встреч­ные штыри» электроны и волна «встречаются» лишь в зазорах (ячейках) замедляющей системы. Иначе говоря, здесь более уме­стен термин «многократное взаимодействие». Однако при большом числе ячеек, когда количество взаимодействий растет, в пределе можно и здесь говорить о длительном (непрерывном) взаимодейст­вии волны и потока.

Перейдем к рассмотрению замедляющих систем типа «цепочки связанных резонаторов». Эти системы представляют собой равно­мерно расположенные на расстоянии L друг от друга объемные ре­зонаторы (ячейки), связанные через элементы связи. На рис. 16.3 изображен один из вариантов такой системы – «диафрагмирован­ный волновод» (рис. 1б.3,a) и (для частного случая противофазных колебаний в соседних резонаторах) эквипотенциали электричес­кой составляющей электромагнитного поля, с которым взаимодей­ствует поток (рис. 16.3,б).

В общем случае в ячейках имеются колебания СВЧ-поля, при которых фаза поля в каждой последующей ячейке сдвинута относительно фазы поля в предыдущей на произвольный угол . Еслг подобрать скорость электронов ( – время пролета электро­на между центрами зазоров ячеек), чтобы величина от оказалась равна углу , то, как и в системе «встречные штыри», в каждое ячейке рассматриваемой замедляющей системы электроны будут «встречать» колебания одной и той же фазы. Это и соответствует условию синхронизма электронов с кажущейся бегущей волной, имеющей фазовую скорость :

(16.5)

Так как формально фазовая скорость волны, бегущей вдоль любой линии передачи (в частности, вдоль замедляющей системы в направлении оси z), может быть записана в виде

(16.6)

где – фазовая постоянная, то сопоставив (16.5) и (16.6), получим

(16.7)

Таким образом, условие синхронизма (16.5) для замедляющих систем типа «цепочек связанных резонаторов» имеет простую ин­терпретацию: колебательный процесс в резонаторах, расположен­ных на расстоянии L друг от друга, при постоянном сдвиге по фазе между колебаниями в соседних резонаторах на угол в отношении смещения фазы вдоль оси z эквивалентен бегущей вдоль системы кажущейся замедленной волне с фазовой постоянной , определя­емой выражением (16.7).

Реально зависимость составляющей Ez от координаты z, опре­деляющей взаимодействие поля и электронов, не является синусо­идальной, как в гладких-однородных) линиях передачи. Как же в этом случае представить себе появление кажущихся синусоидальных по координате бегущих волн? Для этого необходимо несинусо­идальную, но периодическую по координате функцию разложить в ряд Фурье не по времени, а по координате z. Получится совокуп­ность синусоидальных по координате составляющих, называемых пространственными гармониками, с неодинаковыми фазовыми постоянными, но с одинаковой частотой изменения во времени, т.е. с фазовыми скоростями

(16.8)

Где р = 0, 1, 2 … называется номером гармоники; . При этом, как видно из (16.8), скорости гармоник могут быть не только положи­тельными (при р > 0), т.е. направленными в ту же сторону, что и групповая скорость , характеризующая направление распростра­нения энергии вдоль замедляющей системы, но и отрицательными (при р < 0). В первом случае гармоники называются положительными или прямыми (нулевая или основная, для которой р = 0, плюс первая (р = 1), плюс вторая (р = 2) и т.д.), во втором – отрицательны­ми или обратными: минус первая (р = –1), минус вторая (р= –2) и т.д. И если скорость одной из гармоник

(16.9)

т.е. имеет место синхронизм (16.3), то процесс многократного взаи­модействия потока электронов со сложным электромагнитным по­лем в ячейках системы связанных резонаторов можно трактовать как процесс непрерывного взаимодействия потока с кажущейся синусоидальной волной (гармоникой).

Итак, обсуждая процесс взаимодействия потоков и полей в за­медляющих системах, мы сталкиваемся с возможностью двух раз­ных подходов к этому процессу. Один из них основан на представ­лении о непрерывном взаимодействии потока с волной (пространственной гармоникой), бегущей с фазовой скоростью вдоль заме­дляющей системы, второй на представлении о многократном (дискретном) взаимодействии потока с реальным полем в ячейках замедляющей системы. Разумеется, оба подхода являются лишь приближениями к реальным процессам.

В соответствии с выбранным подходом по-разному строятся и теории приборов с длительным взаимодействием. Есть теория, в основе которой лежит волновое взаимодействие (теория Пирса см. § 16.4). Есть теория, в которой в основу ставится дискретное взаимодействие. Выбор той или иной теории зависит от того, какая из них более адекватна конкретной замедляющей системе. Выбор же самой системы определяется целым рядом обстоятельств, та­ких как рабочий диапазон частот, ширина полосы, энергетические характеристики и т.п. Рассмотрим в этой связи основные парамет­ры и свойства замедляющих систем.

^ 16.2.2. Параметры замедляющих систем

Рабочая полоса частот. Поскольку в достаточно добротных резонаторах при одной и той же мощности возбуждения амплитуда колебаний вблизи резонансной частоты резко возрастает, взаимо­действие электронов с СВЧ-полем в замедляющих системах с резонаторами оказывается сильно зависящим от частоты. Иначе го­воря, эти системы относительно узкополосны (в отличие от систем с геометрическим замедлением, образованных линиями передач, не обладающими резонансными свойствами). Однако следует под­черкнуть, что в последних системах полосы пропускания чередуют­ся с полосами запирания, так как изгибы в линиях передачи явля­ются точками нарушения регулярности (точками отражения вол­ны). Если волны, отраженные от последовательных неоднородностей, складываются (когда расстояние между неоднородностями равняется целому числу полуволн в линии), система не пропускает волну. В частном случае спиральных систем, в которых нельзя вы­делить места локализации неоднородностей, запирания не наблю­дается, но вблизи частоты, при которой длина витка спирали рав­няется длине распространяющейся по линии волны (пространст­венный резонанс), наблюдается существенная зависимость фазо­вой скорости волны от частоты.

Таким образом, деление замедляющих систем на два класса с точки зрения их широкополосности в известной степени условно и выбор той или иной системы диктуется рядом других свойств, из ко­торых важнейшим является сопротивление связи .

^ Сопротивление связи. Параметр подобен эквивалентно­му сопротивлению резонансной электродинамической системы R и так же, как последний, характеризует «способность» системы соз­давать при введении в нее высокочастотной мощности Р СВЧ-напряжение той или иной интенсивности в том месте, где через систе­му проходит электронный поток:

(16.10)

Особенностью замедляющих систем по сравнению с резонато­рами является распределенный вдоль системы характер взаимо­действия, в связи с чем в качестве «продольного» напряжения в (16.10) следует рассматривать линейный интеграл напряженности электрического поля , направленного вдоль оси z (соответст­вующего синусоидальной пространственной гармонике).

Условимся понимать под амплитудой напряжения линейный интеграл продольного электрического поля от точки z = 0, где на­пряженность продольного поля равна нулю, до точки , т.е. до максимума напряженности поля замедленной волны (здесь , где . Таким образом,

(16.11)

где – фазовая постоянная; Ez – амплитуда соответствую­щей пространственной гармоники.

Подставив (16.11) в (16.10), получим выражение для сопротив­ления связи замедляющей системы:

(16.12)

Если сопоставить выражение (16.12) с известным выражением для эквивалентного сбпротивления резонаторов:

(16.12а)

то упоминавшаяся выше аналогия между величинами и R ста­новится особенно наглядной [наличие в знаменателе (16.12) фа­зовой постоянной связано с тем, что в числителе (16.12) стоит не величина Uz, как в (16.12а), а величина поля Ez, связанная с Uz соотношением (16.11)].

Строгий расчет величины весьма сложен и возможен лишь в простейших случаях. Важную роль в оценках величины игра­ет эксперимент.

^ Дисперсия фазовой скорости. Под дисперсией фазовой ско­рости в замедляющих системах понимается ее зависимость от час­тоты. Начнем рассмотрение этого вопроса с системы «встречные штыри», для которой, как уже отмечалось, понятие дисперсии мож­но объяснить весьма наглядно. Прежде всего заметим, что поток в этой системе (как и в некоторых других системах) взаимодействует не со всеми пространственными гармониками. Этот факт можно объяснить следующим образом. Как следует из (16.4), в системе «встречные штыри» время пролета электронов, соответствующее условию синхронизма с нулевой гармоникой (р = 0),

(16.13)

Для взаимодействия с высшими пространственными гармоника­ми (р= ± 1, ± 2 и т.д.) это время должно отличаться от величины, опре­деляемой выражением (16.13), на целое число периодов Т поля:

(16.14)

т.е. условие синхронизма может быть записано в виде

(16.15)

Однако реально взаимодействие электронов с нулевой и ос­тальными четными гармониками в системе «встречные штыри» от­сутствует. Действительно, как видно из рис. 16.2, между ячейками А и В, разделенными периодом L, имеется еще одна ячейка – А'. Обратим внимание на то, что при переходе от ячейки А в соседнюю ячейку А' направление силовых линий изменяется на противополо­жное. Это означает, что фаза поля при переходе электрона из ячей­ки А в ячейку А' помимо набега фазы на развернутой длине изогну­того участка АА' получает дополнительный сдвиг . Поэтому если обеспечен формальный синхронизм (16.15), электрон, перейдя вдоль оси z из ячейки А в ячейку А' за время , «встретит» в ячейке А' СВЧ-поле противоположной фазы. Соответственно результирующий эффект взаимодействия электрона и поля в двух соседних ячейках рассматриваемой замед­ляющей системы окажется нулевым. Чтобы электрон «встретил» в ячейке А' СВЧ-поле той же фазы, что и в ячейке А, время пролета электронами про­странства между ячейками А и А' должно отличаться от вели­чины на величину или вообще в силу пери­одичности процесса – на , где k=0, 1, 2... Это означает, что в формулах (16.14), (16.15) отличное от ну­ля взаимодействие электронов с СВЧ-полем будет только при нечетных значениях р.

Вернемся к дисперсии. Поскольку с ростом номера гармоник р эффективность взаимодействия потока и поля падает (этот резуль­тат будет прокомментирован ниже), практический интерес предста­вляют гармоники с малыми номерами. При р = 0 принципиально нет взаимодействия, а при р = ±1 из (16.15)

(16.16)

Рассмотрим вначале дисперсионную кривую для прямой гармо­ники, т.е. при р = +1. Из выражения (16.16) следует, что при малых значениях частоты , т.е. рассматриваемая зависимость ли­нейна. Но по мере увеличения частоты f pocт величины замед­ляется; при значение приближается к постоянной вели­чине (рис. 16.4, кривая 1).

Анализ выражения (16.16) показывает, что на низких частотах характер дисперсионных зависимостей для плюс первой и минус первой пространственных гармоник совпадает. Различие начина­ет проявляться по мере увеличения частоты и определяется третьим слагаемым в знаменателе выражения (16.16). С ростом частоты величина этого слагаемого начинает убывать. Однако ес­ли для р = +1 это приводит, как уже отмечалось, к асимптотическо­му приближению дисперсионной кривой к постоянной величине, то для р = –1 фазовая скорость с ростом частоты быстро увеличи­вается. Как видно из (16.16), при некоторой критической частоте fкр скорость стремится к бесконечно большой величине (см. кривую 2 на рис. 16.4).

Здесь полезно сделать следующее замечание. Система «встречные штыри» образована, как уже отмечалось, волнообраз­ной деформацией двухпроводной линии, которая, как известно, не обладает дисперсией. Вместе с тем рассмотренная выше зависимость величины от частоты определяется только последним слагаемым в знаменателе выражения (16.16), появившимся из (16.15) при р=0. Таким образом очевидно, что наличие дисперсии в замедляющей системе на основе двухпроводной линии связано не с особенностями распространения в такой линии электромаг­нитной волны, а только со спецификой взаимодействия с этой вол­ной потока. В частности, при р = 0 последнее слагаемое в знамена­теле выражения (16.15) оказывается равным нулю и дисперсии нет. Однако, как уже отмечалось, при р = 0 волна и поток в такой ли­нии взаимодействовать не могут; взаимодействие волны и потока имеет место лишь при тех значениях скоростей потока, которые со­ответствуют нечетным значениям числа р. Но именно при р ≠ 0 и наблюдается, как следует из (16.15), (16.16), зависимость скорости от частоты, т.е. дисперсия.

Известно, что в зависимости от знака производной дисперсия подразделяется на нормальную (< 0) и аномаль­ную (> 0). В соответствии с этой классификацией диспер­сия системы «встречные штыри» является, как видно из рис. 16.4, аномальной.

Иной характер имеет дисперсионная характеристика для спи­ральной замедляющей системы. Из рис. 16.4, на котором приве­дена качественная зависимость скорости в такой системе от частоты (кривая 3), видно, что дисперсия спиральной системы яв­ляется нормальной и характеризуется широким бесдисперсионным участком, т.е. областью частот, в пределах которой фазовая скорость от частоты практически не зависит. Отметим также дру­гое отличие от системы «встречные штыри»: в спиральной замед­ляющей системе поток взаимодействует с волной и на четных гар­мониках. Но лампы бегущей волны (ЛБВ) со спиральными замед­ляющими системами работают, как правило, на основной гармо­нике, т.е. при р =0.

В заключение еще раз подчеркнем, что характер дисперсион­ных зависимостей для различных замедляющих систем различен. Но общей закономерностью является принципиально аномаль­ный характер дисперсии для отрицательных пространственных гармоник. Отметим также, что в ряде случаев дисперсионные ха­рактеристики удобно рассматривать в других координатах – на­пример, рассматривается зависимость коэффициента замедле­ния п от длины волны в свободном пространстве или зависимость волнового числа в свободном пространстве k = от фазовой по­стоянной системы.

^

16.3. Конструкция и принцип действия ЛБВ


В предыдущих параграфах было показано, что при определен­ных условиях электроны, двигаясь вдоль замедляющей системы, могут длительно взаимодействовать с распространяющейся по си­стеме электромагнитной вол­ной. Это обстоятельство мо­жет быть использовано для создания приборов с длитель­ным взаимодействием – ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ).

Используя «волновую» тер­минологию, т.е. отождествляя перемещение вдоль оси системы точек постоянной фазы истин­ной волны с движением соответствующей пространственной гар­моники замедленной волны, отметим следующее. В ЛБВ электро­ны и гармоника замедленной волны перемещаются в ту же сторо­ну, что и энергия электромагнитного поля в системе (рис. 16.5,а), характеризуемая групповой скоростью . В ЛОВ обеспечивается взаимодействие потока и волны, энергия которой распространя­ется со скоростью навстречу потоку (рис. 16.5,6); формально при этом говорят о взаимодействии потока с обратной пространс­твенной гармоникой. Однако в обоих типах приборов (ЛБВ и ЛОВ) электроны тормозятся и отдают часть своей кинетической энер­гии волне, увеличивая энергию последней.

Конструкция ЛБВ со спиральной замедляющей системой пока­зана на рис. 16.6. Электронная пушка 1 формирует электронный поток с определенным сечением и интенсивностью. Скорость элек­тронов на входе в замедляющую систему 2 определяется ускоряю­щим напряжением . С помощью фокусирующей магнитной систе­мы 3 обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. Электронная пушка, замедляющая система и коллектор 5 размещаются в металлостеклянном или металлокерамическом баллоне 7, а фокусирующая си­стема расположена снаружи. На выходе и входе замедляющей системы есть специальные устройства 4 для согласования системы с линиями передачи. Кроме того, в замедляющую систему вводится поглотитель 6, выполненный в виде стержня из поглощающей ке­рамики или в виде поглощающих пленок, для предотвращения са­мовозбуждения. В простейшем случае напряжение на аноде элект­ронной пушки , замедляющей системе и коллекторе делается одинаковым, т.е. = .

Особенностью спиральной замедляющей системы является то, что если длина волны колебания укладывается на нескольких ее периодах (однородная система), то распределение продоль­ной составляющей напряженности поля Ez по координате z прак­тически синусоидальное. Поэтому можно пренебречь всеми про­странственными гармониками, кроме нулевой (основной) р = 0, и рассматривать взаимодействие электронов с СВЧ-полем как непрерывное взаимодействие с одной синусоидальной бегущей волной. Этот случай достаточно строго анализируется в линей­ном приближении с помощью теории Пирса, представление о ко­торой дается в § 16.4.

Однако при качественном описании принципа действия ЛБВ мы воспользуемся дискретным подходом. Это даст возможность ис­пользовать хорошо знакомый и весьма наглядный метод описания движения и группирования электронов, использованный в гл. 15 для клистронов, а именно метод пространственно-временных диа­грамм (ПВД). Построение ПВД для ЛБВ с дискретным взаимодейст­вием относительно просто и позволяет получить наглядное пред­ставление о принципе действия таких ЛБВ, параметрах и характе­ристиках, в том числе и для нелинейного режима работы. Кстати, переход к непрерывному взаимодействию с полем спиральных за­медляющих систем можно с некоторым приближением предста­вить как увеличение числа ячеек в дискретных системах.

Обратимся к ПВД (рис. 16.7), на которой наглядно представле­но не только движение электронов, но и перемещение точек посто­янной фазы СВЧ-волны со скоростью .

Поскольку фазовая скорость является функцией геометри­ческих размеров замедляющей системы [см. (16.2), (16.4), (16.6)] и для системе постоянным шагом L является величиной постоянной, перемещение вдоль оси z точек постоянной фазы изображается на ПВД прямыми штриховыми линиями с одинаковым наклоном (угол наклона, как и в случае движения электронов, характеризует вели­чину скорости, здесь – скорости ).

Чтобы не усложнять рисунок, здесь и в дальнейшем электрон­ные сгустки на ПВД будем отображать только одним (централь­ным) электроном. Заметим также, что на рис. 16.7 изображены все­го шесть ячеек замедляющей системы, хотя реально их число мо­жет быть много больше.

Входной сигнал через входное согласующее устройство посту­пает в замедляющую систему, образуя в первой ее ячейке напря­жение с амплитудой (синусоида в плоскости первой ячейки изо­бражена сплошной линией на рис. 16.7). Если бы скорость электро­нов потока была в точности равна фазовой скорости , то сплош­ная линия 0 на рис. 16.7, отражающая движение центрального электрона (уже в следующей ячейке вокруг него начнет формиро­ваться сгусток), совпала бы со штриховой линией, отражающей пе­ремещение фазы волны со скоростью .

Но в этом случае центральный электрон попадает в нулевое по­ле, а соседние с ним электроны, идущие раньше или позже, попа­дают соответственно в тормозящее и ускоряющее поле (помечены знаками «минус» и «плюс»). В этом случае результирующий обмен энергией между электронами и полем отсутствует.

Если бы скорость электрона была меньше, чем (соответ­ствующая линия изображена на рис. 16.7 точками), сгусток попал бы во второй ячейке в ускоряющее поле, т.е. не только не отдал бы волне свою энергию, а наоборот, отобрал бы ее у волны. И лишь в случае, когда скорость потока больше скорости волны (этот случай изображен на рис. 16.7 сплошной линией), сгусток по­падает в следующей ячейке в тормозящее СВЧ-поле и, тормозясь, отдает ему свою энергию.

Рассмотренные случаи позволяют сделать очень важный вы­вод – для наиболее эффективной передачи энергии от электронно­го потока электромагнитной волне в устройствах с длительным взаимодействием скорость потока должна несколько превышать скорость перемещения вдоль системы точек постоянной фазы СВЧ-поля. Таким образом, условие синхронизма (16.3) должно быть уточнено и записывается в виде

(16.17)

При выполнении условия (16.17) начинающий формироваться сгусток попадет во второй ячейке в тормозящее СВЧ-поле и начнет отдавать ему свою энергию; соответственно скорость электронов сгустка на вылете из второго зазора уменьшается. Такие же процес­сы будут происходить и в других ячейках. Однако необходимо сде­лать следующее уточнение. При торможении электронов происхо­дит не только уменьшение скорости электронов, но, строго говоря, и уменьшение фазовой скорости волны. Сгусток, пролетая промежу­ток, вызывает появление на поверхности замедляющей системы на­веденного тока с частотой следования сгустков (частотой сигнала). Этот ток является током смещения между сгустками и поверхностью замедляющей системы и эквивалентен емкостной нагрузке. В лини­ях передачи это приводит к уменьшению фазовой скорости волны. Это означает, что во второй ячейке должен возникнуть «горячий», т.е. связанный с электронным потоком, фазовый сдвиг. Действи­тельно, возникающее при торможении сгустка во второй ячейке «го­рячее» напряжение, сложившись с «пришедшим» из первой ячейки «холодным» напряжением, образует результирующее напряжение, сдвинутое по фазе относительно «холодного» напряжения, изобра­женного сплошной линией при . Будем считать, что модулирую­щее напряжение и расстояние между ячейками (период системы) невелики, следовательно, невелика и степень группировки потока при влете во вторую ячейку. Соответственно наводимое там «горя­чее» поле много меньше «холодного», «приходящего» во вторую ячейку из первой. Поэтому на рис. 16.7 при построении результиру­ющего напряжения в плоскости второго зазора влияние на его фазу «горячего» напряжения не учтено.

Важно иметь в виду, что такое соотношение между «горячим» и «холодным» напряжениями сохраняется и в последующих ячейках ЛБВ. Действительно, хотя группировка потока от ячейки к ячейке нарастает и создаваемое им «горячее» напряжение в последую­щих ячейках увеличивается, увеличение «холодного» напряжения происходит быстрее, ибо «холодное» поле в каждой ячейке вклю­чает в себя все «горячие» вклады в предыдущих ячейках. Это об­стоятельство оправдывает пренебрежение (во всяком случае, при качественном рассмотрении) «горячими» добавками к фазовой скорости на протяжении всей длины ЛБВ; соответственно на ПВД точки постоянной фазы СВЧ-напря-жения на рис. 16.7 перемещаются по штриховым прямым линиям. Что же касается амплитуды результирую­щего напряжения, то ее увеличение по мере движения волны от ячейки к ячейке на рис. 16.7 учтено.

Из линейной теории (см. § 16.4) следует, что нарастание амплитуды СВЧ-поля Еz вдоль оси z имеет экс­поненциальный характер (рис. 16.8).

Расчеты показывают также, что по мере движения электронов про­исходит экспоненциальное нарастание амплитуды конвекционного тока. Качественно этот процесс отражен на рис. 16.8. Заметим, что если кривая Еz начинается не с нуля, поскольку в первой ячейке действует входное напряжение, кривая Iк начинается с нуля, ибо в первой ячейке конвекционный ток постоянен (Iк = Iо), т.е. амплитуда его первой гармоники Iк = 0.

По мере движения сгустки электронов последовательно (в каж­дой ячейке замедляющей системы) отдают свою энергию электро­магнитному полю и постепенно замедляются – угол наклона линии 0 на рис. 16.7 постепенно уменьшается. Это неизбежно приводит к попаданию сгустка в какой-то ячейке (на рис. 16.7 это – шестая ячейка) в ускоряющее поле, т.е. к выходу сгустка из синхронизма с волной. Указанное обстоятельство (еще раз подчеркнем, что избе­жать его нельзя, так как отбор энергии от потока не может не сопро­вождаться его торможением) существенно снижает, как будет показано ниже, КПД ЛБВ.

Завершая рассмотрение принципа работы ЛБВ, отмечаем, что в том месте, где поток выходит из синхронизма с волной, распола­гают устройство вывода энергии 4 (см. рис. 16.6). Поток электронов поглощается коллектором 5, а усиленная электромагнитная волна выводится в выходной тракт.

^

16.4. Элементы линейной теории ЛБВ


Основная особенность процессов в ЛБВ, иллюстрируемых рис. 16.7, связа­на, как уже отмечалось, с совмещением процесса группировки электронов при их пролете в ячейках замедляющей системы с процессом отбора энергии от них в каждой ячейке. Напомним, что в клистронах процессы группировки и энергообме­на разделены и лишь в выходном резонаторе, где сгусток попадает под воздейст­вие большого наведенного там напряжения, приходится говорить об эффекте са­мосогласования (см. § 15.4.2).

В отличие от клистронов в ЛБВ принципиальное совмещение процессов группировки и энергообмена приводит к необходимости даже в малосигнальном приближении строить теорию этих приборов как решение самосогласованной задачи. Это обстоятельство существенно усложняет теорию ЛБВ и делает ее мало­наглядной даже при использовании ряда упрощающих предположений. Поэтому (как и в случае многорезонаторного клистрона) ограничимся изложением лишь основных идей, лежащих в основе теоретических выводов. Если при качествен­ном рассмотрении процессов в ЛБВ с помощью ПВД был удобен дискретный под­ход, то изложение основ теории ЛБВ удобнее проводить в рамках волнового под­хода, как непрерывное взаимодействие потока с волной.

Смысл самосогласованного описания сводится к тому, что задача исследо­вания взаимодействия потока с волной разбивается на две задачи. В процессе решения первой из них электромагнитная волна считается заданной, причем рассматривается не вся несинусоидальная по координате z волна, а находящая­ся в синхронизме с электронами ее пространственная гармоника:

(16.18)

где постоянная распространения соответствующей гармоники в общем случае включает в себя как активную , так и реактивную составляющие (). Состав­ляющая определяет изменение амплитуды волны ; в процессе ее взаимодействия с потоком в замедляющей системе, составляющая – фазовую скорость волны вдоль замедляющей системы (напомним, что в результате «горячих» добавок к полю при взаимодействии фазовая скорость волны в общем случае отличается от фазовой скорости в «холодной» замедляющей системе, т.е. при отсутствии потока).

При заданной величине определяется конвекционный ток, возникаю­щий в процессе взаимодействия с волной (16.18) и характеризующий происходя­щую группировку электронов:

(16.19)

При решении второй задачи заданным считается ток и определяется возбуждаемое им, т.е. сгустками, в замедляющей системе поле волны

(16.20)

Затем уравнение движения (16.19) и уравнение возбуждения (16.20) реша­ются совместно:


(16.21)




причем конечной целью решения системы (16.21) является определение посто­янной распространения волны . Действительно, зная величину входного сигна­ла, т.е. поле в начале замедляющей системы, по величине можно определить поле в любом ее сечении и, в частности, на выходе.

Ограничимся малосигнальным одномерным приближением, предполагая гармонический характер происходящих в замедляющей системе процессов. При этих допущениях, используя уравнение движения

(16.22)

в котором входящее в полное поле , поле пространственного заряда определяется из совместного решения уравнения непрерывности:



(– переменная составляющая плотности пространственного заряда) и уравне­ние Пуассона:



после ряда преобразований можно получить уравнение (16.19) в виде

(16.23)

(здесь – плазменная частота, определяемая выражением (15.35)). Уравнение возбуждения (16.20) с использованием введенного выше (см. (16.12)) сопротив­ления связи Rcв может быть записано в виде

(16.24)

Совместное решение уравнений (16.23) и (16.24) дает для постоянной распространения характеристическое уравнение третьей степени, в результате решения которого определяются три значения , и , что истолковывается следующим об­разом. Поступающая на вход замедляющей системы волна (16.18) в процессе взаи­модействия с потоком превращается в три волны, каждая из которых имеет свою по­стоянную распространения. Как показывают расчеты, первая волна имеет положи­тельную активную составляющую > 0, т.е. затухает, вторая волна имеет активную составляющую =0, т.е. распространяется без изменения амплитуды, а третья вол­на имеет отрицательную постоянную распространения < 0, т.е. нарастает по мере движения вдоль замедляющей системы.

Пренебрегая при достаточно большой длине замедляющей системы первой (затухающей) и второй (ненарастающей) волнами по сравнению с третьей (нарастаю­щей) и учитывая, что амплитуда каждой из трех волн на входе равна , получаем для амплитуды нарастающей (усиливаемой) волны на выходе системы

(16.25)

где , – длина замедляющей системы вдоль оси z; .

Соотношение (16.25) позволяет получить для коэффициента усиления ЛБВ следующее выражение:

(16.26)

где – электрическая длина замедляющей системы.

Учитывая большое число допущений, сделанных при выводе выражения (16.26) и ограничивающих его точность [например, сле­дующий из (16.26) ошибочный вывод о неограниченном нарастании коэффициента усиления при увеличении длины ], рассмотрим да­лее характеристики ЛБВ качественно, используя при этом ПВД.

^

16.5. Характеристики и параметры ЛБВ16.5.1. Амплитудная характеристика


Амплитудной характеристикой (как и в клистронах) называется зависимость выходной мощности Рвых усилителя от мощности Рвх. 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 Рвх, вызывает (как показывает теория и подтверждают эксперименты) практиче­ски линейное увеличение выходной мощности, что соответствует начальному линейному участку амплитудной характеристики (рис. 16.9, кривая Рвых). 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 Кр 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, +2 и 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.

^ 16.5.2. Коэффициент усиления

Зависимость величины коэффициента усиления по мощности Кр = Рвыхвх 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 Кр 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 усиления С. 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 Кр =25...40 дБ; в маломощных ЛБВ мак­симальное значение Кр 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 Vo и Vф 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 Vф дважды отражен­ной волны 3 начинает совпадать по направлению со скоростью элек­тронов Vo, 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 Vф, что и усиливаемая волна до поглотителя (напомним, что Vф 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.

^ 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 системы и 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.

^ 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.




Скачать файл (3670.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru