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

которая двигается к нагрузке, через обратную пространственную гармонику взаимодействует с электронным потоком и после первого отражения от нагрузки идет по замедляющей системе к коллектор­ ному концу, но уже не взаимодействуя с электронами. При отсутст­ вии поглотителя у коллекторного конца пришедшая волна снова отражается и опять двигается к нагрузке, взаимодействуя с электронным потоком. Таким образом, распределение поля — это результат наложения первичной волны и дважды отраженной. Если их фазы совпадают, то выходная мощность возрастает, если противоположны, то уменьшается. Так как сдвиг фазы при данной длине ЛОВ зависит от частоты, то должны наблюдаться колеба­ ния выходной мощности по рабочему диапазону частот. Можно сказать, что поглотитель устраняет паразитную обратную связь, которая возникает при неполном согласовании с нагрузкой. При идеальном согласовании системы с нагрузкой поглотитель вблизи коллектора был бы не нужен.

Следует отметить, что из-за флюктуаций в электронном потоке в замедляющей системе ЛОВ имеются и прямые волны, идущие к кол­ лекторному концу. Направления групповой скорости этих волн и электронов совпадают, поэтому происходит взаимодействие электро­ нов с какой-то прямой волной (точнее, с прямой пространственной гармоникой). Энергия этой волны увеличивается. При отсутствии поглотителя около коллектора часть энергии волны отразится и снова пойдет по замедляющей системе к электронной пушке, но уже не взаимодействуя с электронами. Если отраженная волна после прохождения замедляющей системы окажется в фазе с первичной волной, то возможно самовозбуждение колебаний. Однако в этом случае оно происходит на прямых волнах: получается генератор с использованием принципа работы ЛБВ, но с внутренней положи­ тельной обратной связью, вызванной отражением волны. Таким образом, введение поглотителя, хорошо согласованного с замедляю­ щей системой в рабочем диапазоне частот, устраняет также и возмож­ ность генерации колебаний в ЛОВ на прямых волнах.

§ 4.3. Параметры и характеристики генераторных ЛОВО

Частота генерируемых колебаний. Частоту колебаний в общем случае находят из баланса фаз автоколебательной системы, т. е. из условия, что сумма всех сдвигов фазы в замкнутом контуре, определяющем усиление и положительную обратную связь, кратна величине 2л. Это условие удобно применять для расчета частоты в том случае, если цепь обратной связи является внешней. Особен­ ность ЛОВ состоит в том, что в ней обратная связь внутренняя и осуществляется через электронный поток на любом элементе дли­ ны. Поэтому удобнее фазовое условие самовозбуждения колебаний связывать с условием наилучшей передачи энергии от электронного потока СВЧ-полю.

87

В ЛОВ происходит взаимодействие электронного потока с по­ лем бегущей волны обратной пространственной гармоники. Наилуч­ шие условия для передачи энергии от потока полю в том случае, если образовавшийся сгусток электронов не выходит из тормозяще­ го поля волны. Другими словами, необходимо, чтобы относитель­ ный сдвиг фазы Ф0 волны и сгустка не превышал л, т. е.

где (ol/Ѵф р определяет сдвиг фазы, создаваемый волной обратной пространственной гармоники, а и//н0 — электронным потоком.

Очевидно, что в общем случае Ф0 может быть равно нечетному числу л:.

Число п называют порядком колебаний в ЛОВ или номером зоны колебаний.

Для зоны п = 1 Ф0 =3л, поэтому 2/3 пути электронные сгустки проходят в тормозящем, а 1/3 — в ускоряющем поле, отбирая на этом участке энергию от поля волны. В связи с этим результирую­ щее значение энергии, передаваемой от электронного потока полю, становится меньше, чем в зоне п = 0. Передача энергии умень­ шается при больших номерах зон. Наибольшая выходная мощность

и поля пусковой ток, требуемый для начала самовозбуждения, уве­ личивается с ростом номера п. Расчеты показали, что пусковой ток для зоны п = 1 примерно в шесть раз выше, чем для зоны п = 0. При токе пучка, большем пускового тока для зоны п — 1, возможно одновременное существование колебаний обеих зон.

Фазовые условия (4.2) используют и для определения частоты генерируемых колебаний в различных зонах, если известна диспер­ сия фазовой скорости обратной пространственной гармоники. Оче­ видно, что частота будет зависеть от номера зоны п, а в выбранной зоне от п0, т. е. от ускоряющего напряжения U0. Зависимость час­ тоты генерируемых колебаний от ускоряющего напряжения назы­ вают электронной перестройкой частоты. Например, с увеличением U0 возрастает скорость электронов ѵ0 и для выполнения условия (4.2) необходимо увеличение Ѵф_р. Так как дисперсия фазовой ско­ рости обратных пространственных гармоник аномальная, то уве­ личение Ѵф р может произойти только в результате возрастания час­ тоты о генерируемых колебаний. Другими словами, увеличение U0 должно сопровождаться ростом частоты колебаний.

Для нулевой зоны (га = 0) на основании (4.1) можно сделать более конкретные выводы, если предположить, что сдвиги фазы со//Ѵф'Ри со//ѵ0значительно больше я. В этом случае для выполнения фазового условия (4.1) скорость электронов ѵ0должна быть немного больше фазовой скорости иф , т. е. необходимо выполнение усло-

88

вия синхронизма, обеспечивающее передачу энергии от электрон­ ного ^потока бегущей волне. Поэтому частоту генерируемых коле­ баний в зоне п = 0 при сделанном предположении можно опреде­ лить из условия синхронизма приближенно, считая, что Вф.р* о 0.

Мы уже отмечали, что при большом токе пучка возможно одно­

различны. Такой двухчастотный режим работы недопустим, поэтому необходимо принимать меры для устранения колебаний в зоне п = 1- Для этого ток пучка устанавливают больше пускового тока нулевой зоны, но меньше пускового тока первой зоны.

Ширина диапазона электронной перестройки характеризуется коэффициентом перекрытия диапазона 8П== /макс//мин, где fMaKC, fмин — максимальная и минимальная граничные частоты диапазона. Для ЛОВ с коаксиальным выводом энергии обычно бп « 2, ас вол­ новодным выводом определяется полосой пропускания стандартного волноводного тракта и равен 8П= 1,5-4-1,6.

Для характеристики зависимости частоты от напряжения ис­ пользуют крутизну электронной перестройки частоты 5ЭПЧ= = df/dU0. Примерная зависимость частоты от напряжения пока­ зана на рис. 4.5, а (кривая 1). Крутизна электронной перестройки частоты уменьшается с ростом U0. Для ЛОВ сантиметрового диа­ пазона крутизна не больше нескольких мегагерц на вольт, а для миллиметрового — десятки мегагерц на вольт. В действительности кривая электронной перестройки частоты имеет «волнистый» харак­ тер (кривая 2). Объясняется это влиянием отражений энергии от поглотителя замедляющей системы и от элементов системы вывода энергии и внешнего тракта.

Выходная мощность и электронный к. п. д. В ЛОВО электронный поток имеет максимальную модуляцию по плотности (наибольшую амплитуду первой гармоники конвекционного тока на рис. 4.1, б) в той части замедляющей системы, где СВЧ-поле (E z) мало в отличие от ЛЕВО, в которой / (1) и E z увеличиваются к выходному концу замедляющей системы (см. рис. 3.8, б). Поэтому в ЛОВО мощность, отбираемая полем от электронного потока, невелика и составляет

89

от нескольких десятков милливатт до нескольких ватт, как у отра­ жательных клистронов. Соответственно электронный к. п. д. ЛОВО низок.

Выходную мощность генераторной ЛОВ определяют по формуле

жению U0. Поэтому зависимость Р вых от 0 п имеет вид сплошной кривой 1 на рис. 4.5, б. Сначала Р вых растет, так как увеличивается подводимая к ЛОВ мощность постоянного тока Р0 — I 0U0, а затем

Рвых в реальных условиях, когда мощность отражается от поглоти­ теля замедляющей системы и от системы вывода энергии в нагрузку.

Степень неравномерности кривой РВЬІХ в диапазоне электрон­ ной перестройки оценивается коэффициентом

Выходную мощность можно изменить регулировкой тока пучка / 0. Однако при этом несколько изменяется частота (электронное смещение частоты). При увеличении тока / 0 в ЛОВ наблюдается уменьшение частоты. Этот эффект характеризуется коэффициентом электронного смещения частоты: Кэсч — df/dl0.

§ 4.4. Особенности устройства и параметры ЛОВО

В ЛОВО в качестве рабочей пространственной гармоники ис­ пользуется нулевая, если она обратная, или обратная гармоника с номером р = — 1. Замедляющая система должна обеспечивать получение достаточно большой амплитуды рабочей гармоники. Выбор типа замедляющей системы зависит также от диапазона ра­ бочих частот. ЛОВО широко используют как маломощные гене­ раторы в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом и даже суб­

(см. рис. 3.3, г) и др.

Как уже отмечалось, выходная мощность ЛОВО составляет от нескольких десятков милливатт до нескольких ватт, а к. п. д. по­ рядка нескольких процентов. Конструкция системы фокусировки пучка, вывода СВЧ-энергии в ЛОВО имеет много общего с маломощ­ ными ЛЕВО.

В табл. 3 приведены электрические параметры ЛОВО, работаю­ щих в различных диапазонах частот.

90

В генераторной ЛОВ, как и в других генераторах, невозможно совместить требования широкого диапазона электронной перестрой­ ки частоты и высокой стабильности частоты: первое требование вы­

повышение стабильности частоты за счет уменьшения диапазона электронной перестройки.

На рис. 4.6 показана генераторная ЛОВ без поглотителя, за­ медляющая система на одном конце короткозамкнута и создает полное отражение. На другом конце замедляющей системы перед на­ грузкой установлена диафрагма Д, частично отражающая энергию.

Рис. 4.6

Наличие отражений уменьшает крутизну электронной перестройки и повышает стабильность частоты в фиксированных точках диа­ пазона. Такие ЛОВ называются резонансными, так как замедляю­ щая система, ограниченная короткозамыкателем и диафрагмой, является резонатором. В рабочем диапазоне перестройки ЛОВ имеется несколько резонансных частот, для которых крутизна электронной перестройки будет минимальной. При этом чем выше добротность резонатора, тем меньше крутизна.

На рис. 4.7 показаны характеристики электронной перестрой­ ки (а) и. области генерации (б) резонансной ЛОВ.

91