Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

щаются в область ускоряющего поля волны и начинают отбирать энергию от поля. Следовательно, дополнительное усиление и уве­ личение к. п. д. можно получить, увеличивая пребывание электро­ нов сгустка в тормозящем поле волны.

Причина смещения сгустка в ускоряющее поле волны заключает­

по определенному закону геометрии замедляющей системы, напри­ мер непрерывным уменьшением шага спирали. В изохронных ЛБВО, таким образом, все время поддерживается оптимальное соотноше­ ние (синхронизм) между

ляющую систему на достаточно большое число секций с одинако­ выми коэффициентами замедления и установить для каждой секции свое определенное напряжение. Однако из-за технических труд­ ностей ограничиваются небольшим числом секций со скачками потенциала. В специально разработанных ЛБВ к. п. д. может быть доведен до 40—50%.

В обычных и изохронных ЛБВ внешний сигнал модулирует на входе замедляющей системы непрерывный электронный поток. Однако имеется возможность возбуждения замедляющей системы предварительно модулированным по плотности электронным пото­ ком. Идеальной считается форма вводимых электронных сгустков в виде б-функции. Практически желательно получить возможно более короткие сгустки.

Эту возможность возбуждения можно реализовать в секциони­ рованной ЛБВ (рис. 3.13). Сигнал подводится к первой секции, поэтому она работает как в обычной ЛБВ, создавая модуляцию по плотности непрерывного электронного потока. Образовавшийся электронный сгусток входит во вторую секцию, которая исполь­ зуется для получения полезного выходного сигнала.

К чему приводит такой способ возбуждения второй секции? На входе обычной ЛБВ при точном синхронизме сгусток образуется в области нулевого поля (см. рис. 3.1, а) при переходе от ускоряю­ щей полуволны к тормозящей. Это означает, что первая гармоника конвекционного тока сдвинута относительно поля на угол я/2. Во второй секции сгусток вызывает наведенный ток, который соз­ дает такое СВЧ-поле в системе, что оно по закону сохранения

77

энергии должно тормозить электронный сгусток. Таким образом, на входе второй секции должно возбуждаться поле, противофазное первой гармонике конвекционного тока. Это увеличивает передачу энергии от электронного потока полю и приводит к росту к. п. д.

Расчеты показывают, что возбуждение идеализированными сгуст­ ками увеличивает к. п. д. примерно в два раза по сравнению с обыч­ ной ЛБВ. Этот выигрыш, однако, уменьшается с ростом плотности объемного заряда.

Необходимо отметить, что разрыв между секциями устраняет обратную связь в ЛБВ и эквивалентен поглотителю 8 на рис. 3.2.

Создать короткий сгусток можно с помощью пролетного клист­ рона. Комбинированный (гибридный) прибор, в котором группиро-

Вход

вание электронов производится клистронной секцией, а получение выходной мощности — в секции ЛБВ, называют твистроном (рис. 3.14). Твистрон сочетает достоинства пролетных клистронов и ЛБВ, т. е. имеет преимущество перед каждым из них. Для твистронов характерны высокий к. п. д. (40—50%), широкая полоса про­ пускания (до 10—15%) и большая выходная мощность в импульсном режиме (нескольких десятков мегаватт при средней мощности до 30 кВт).

Очень эффективным методом повышения к. п. д. в любой ЛБВ считается метод торможения электронов после замедляющей сис­ темы.

Предположим, что потенциал спирали остался прежним (U0), а по­ тенциал коллектора уменьшен. В этом случае выходная мощность ЛБВ останется прежней, а мощность, потребляемая от источника питания коллектора, снизится, что означает повышение к. п, д. Физически это объясняется тем, что электроны тормозятся в про­ странстве между спиралью и коллектором и рассеивают на коллек­ торе меньшую кинетическую энергию. Торможение означает переход некоторой части кинетической энергии в энергию электроста­ тического поля или возврат (рекуперация) энергии в источник питания.

78

В мощных ЛБВ существует большой разброс значений скорости электронов, выходящих из замедляющей системы. Поэтому тормо­ зящее поле может самые медленные электроны вернуть в замедляю­ щую систему, что нежелательно, так как приводит к нестабильно­ сти работы и самовозбуждению ЛБВ.

Фазовые характеристики. Фазовыми характеристиками ЛБВ называют зависимость разности фаз выходного и входного сигнала от различных факторов, например от частоты сигнала или ускоряю­ щего напряжения. Знание этих характеристик необходимо для

должно приводить к значительному изменению фазы выходного сигнала Дер. ЛБВ, используемую для регулировки сдвига фазы,

называют фазовращательной ЛБВ.

Зависимость приблизительно выражается формулой Аср ä; — 105 N (AUJU0) град,

где N — число длин волн, укладывающихся вдоль оси замедляю­ щей системы. Например, при АU0/U0 =0,01 и N = 20 Аф ä 20 град. Когда нежелательно сильное изменение фазы, необходимо стаби­ лизировать напряжение U0.

Следует иметь в виду, что при усилении в ЛБВ модулированных по амплитуде сигналов может появиться паразитная фазовая моду­ ляция, так как мощность, отбираемая полем от электронного потока, связана с уменьшением кинетической энергии или скорости элект­ ронов. Зависимость Дфот входного сигнала, показанная на рис. 3.15, сопоставлена с амплитудной характеристикой.

Шумовые характеристики. Важная особенность ЛБВ — это возможность получения низкого уровня шумов.

Для ЛБВ характерны следующие виды шумов: дробовой шум; шум, связанный с флюктуацией разброса скоростей электронов, эмиттируемых катодом; поверхностный шум катода; шумы токораспределения, связанные, например, с флюктуацией числа электронов, падающих на спираль из-за поперечных колебаний; ионизацион­ ные шумы, вызванные влиянием ионов остаточного газа; шумы из-за вторичной электронной эмиссии и тепловые шумы, вызван­ ные разогревом спирали.

79

Уменьшение дробового шума достигается снижением тока пучка в малошумящих ЛБВ до 100—200 мкА. Такой ток получают при пониженной температуре катода, что, в свою очередь, уменьшает шумы, связанные с флюктуацией разброса скоростей электронов. Стремятся повысить однородность материала катода, уменьшить его загрязнение и снизить газовыделение из элементов электронной пушки.

Уменьшение тока пучка в малошумящих ЛБВ облегчает также начальное формирование пучка и его фокусировку. Улучшение фо­ кусировки приводит к уменьшению шумов токораспределения.

Необходимо отметить, что в прикатодной области пространства между катодом и началом замедляющей системы разброс скоростей электронов сравним со средней скоростью упорядоченного движе­ ния. Поэтому прикатодная область сильно влияет на шумовые ха­ рактеристики. В малошумящих ЛБВ применяют специальные кон­ струкции электронных пушек, в которых с помощью системы элект­ родов (диафрагм) создается определенное, обычно экспоненциаль­ ное, нарастание потенциала от катода к началу спирали. Кроме того, целесообразно применять сильное продольное магнитное поле, при котором уменьшается влияние поперечных колебаний электро­ нов на шумы.

Для ослабления влияния вторичной электронной эмиссии с по­ верхности коллектора на шумы принимаются меры, препятствующие попаданию вторичных электронов внутрь спирали.

Тепловые шумы спирали можно снизить охлаждением ЛБВ до низких температур.

Шумы ЛБВ оцениваются коэффициентом шума Кш =

= (/Зсиг//^>ш)вх/(^сиг/-рш)вых> который показывает, во сколько раз отношение мощности сигнала и шума на входе ЛБВ больше, чем

ЛБВ К ш = 20-f-1000 (13—30. дБ).

Для характеристики шумов используют также понятие шумовой

Для нешумящей ЛБВ Кш = 1 и Тш = 0°К. Значениям К]ш =

=2,5-=-20, характерным для малошумящих ЛБВ, соответствуют

Тш = 435ч-5510°К.

§ 3.5. Особенности устройства и параметры ЛБВО

По величине выходной мощности в режиме насыщения ЛБВ подразделяются на ЛБВ малой мощности (доли милливатта—I Вт), средней мощности (1—100 Вт), большой мощности (более 100 Вт) и сверхмощные (более 100 кВт). По режиму работы различают ЛБВ непрерывного и импульсного действия.

80