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

Из формулы (6.7) следует, что при увеличении коэффициента замедления волны Кзаи и напряжения U0происходит рост электрон­ ного к. п. д. Принципиальных ограничений для увеличения к. п. д. нет. Однако следует иметь в виду, что при росте U0 необходимо од­ новременно пропорционально увеличивать индукцию магнитного поля В, чтобы переносная скорость электронов оставалась постоян­ ной и условие синхронизма не нарушалось. В действительности к. п. д. всего прибора оказывается меньше рассчитанного по формуле (6.7), так как не все электроны достигают анода замедляющей систе­ мы, а электроны, попавшие на анод, рассеивают свою кинетиче­ скую энергию в виде тепла. Кроме того, часть энергии СВЧ-поля расходуется на ускорение электронов, двигающихся в неблаго­ приятной фазе.

Для повышения к. п. д. при заданном U0 требуется брать мень­ шие значения Ucnmр, т. е. необходимо вводить поток электронов возможно ближе к холодному катоду на рис. 6.1. Однако напряжен­ ность СВЧ-поля резко уменьшается при удалении от анода замед­ ляющей системы. Поэтому при приближении электронного потока к холодному катоду для получения прежнего группирования потока потребуется больший входной сигнал, что снизит коэффициент уси­ ления. Следовательно, условия получения высокого к. п. д. и боль­ шого коэффициента усиления в ЛБВМ несовместимы. При большом входном сигнале к. п. д. может быть высоким (50—70%).

Коэффициент усиления. Наибольшая передача энергии от элек­ тронного потока бегущей волне, а следовательно, и наибольший коэффициент усиления в приборах типа М достигается при точном синхронизме электронов и волны. Коэффициент усиления ЛБВМ рассчитывают на основе линейной теории, которая приводит, как в ЛБВО, к характеристическому уравнению (см. § 3.3). Однако различие в процессах взаимодействия проявляется при условии пренебрежения влиянием пространственного заряда в том, что характеристическое уравнение ЛБВМ имеет вторую степень, т. е. СВЧ-поле можно представить двумя парциальными волнами. При точном «холодном» синхронизме между волной и электронами, когда параметр рассинхронизма (3.39) Ъ = 0, парциальные волны имеют одинаковую фазовую скорость, равную фазовой скорости «холодной» волны. Амплитуда одной волны по длине ЛБВМ экс­ поненциально растет, а второй — экспоненциально убывает. На­ чальные амплитуды этих волн одинаковы. В случае отклонения от условия холодного синхронизма {Ьф 0) фазовые скорости парциаль­ ных волн различны. При достаточно большой длине ЛБВМ можно пренебречь амплитудой убывающей волны, тогда коэффициент

Здесь А — коэффициент, учитывающий распределение поровну между волнами энергии входного сигнала (А — 201g 1/2 — — 6);

108

D —параметр усиления, аналогичный по смыслу параметру усиления С в ЛБВО; N — электрическая длина замедляющей системы, а В — коэффициент, связанный с параметром «холодного» рассинхронизма соотношением

Используя (6.8) и (6.9), можно сделать вывод, что при b = 0 коэф­

как в ЛБВО, поэтому коэффициент усиления, определенный по формуле (6.10), составляет 30—50 дБ и более. В ЛБВМ условия достижения высокого к. п. д. и большого коэффициента усиления противоречивы. Однако возможно компромиссное решение, при ко­ тором к. п. д. сравнительно высокий (40—60%), а коэффициент усиления, хотя и ниже, чем в ЛБВО, но достаточно велик (20— 25 дБ).

Амплитудная характеристика. На рис. 6.4 приведена зависи­ мость выходной мощности от входного сигнала при постоянном токе пучка / 0. При увеличении входного сигнала выходная мощность возрастает и достигает насыщения при некотором значении входного сигнала. Причина насыщения рас­ сматривалась ранее. На этом же рисунке показаны зависимости коэффициента усиления от вход­ ного сигнала.

Увеличение тока пучка /0при постоянном входном сигнале при­ водит к пропорциональному росту выходной мощности, так как уве­ личивается энергия, отдаваемая электронным пучком полю. Уве­

личение амплитуды поля улучшает группировку электронов и уве­ личивает пульсации границ пучка. При переходе в режим насыщения пульсации границ достигают анода и все большее число электронов попадает на анод: увеличение поля способствует более быстрому выходу электронов на анод. Теоретически в усилительных приборах типа М нет ограничения по мощности, так как зависимость Р ,ЫІ от /0 не имеет насыщения. Однако зависимость электронного к. п. д. от тока имеет насыщение, т. е. т)э стремится к постоянной величи­ не, так как Р0 = 10U0 также увеличивается с ростом тока.

ЛБВ типа М разрабатывают для' непрерывного и импульсного режимов работы. Лампы непрерывного режима имеют мощность до нескольких киловатт и к. п. д. порядка 40%, а у импульсных ЛБВМ

109

(рис. 6.5) рассматриваемый эффект проявляется По-иПОму, так как условие синхронизма связано с угловой, а не линейной скоростью.

Достоинство ЛБВМ кроме высоких выходной мощности и к. п. д., сравнительно большого коэффициента усиления, широкой полосы пропускания состоит в хорошей фазовой стабильности выходного сигнала. Недостаток ЛБВМ по сравнению с ЛБВО— это высокий уровень шумов (20—25 дБ), вызванный взаимодействием электро­ нов с отраженной волной и флюктуациями в области электронной пушки. Однако в последние годы появились сообщения об ЛБВМ, коэффициент шума которых примерно такой же, как у малошумящих ЛБВО. Создание малошумящих ЛБВМ позволит использовать их также для усиления слабых сигналов. Сейчас ЛБВМ применяют

* При слабом сигнале.

„как мощные выходные усилители в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.

В табл. 4 приведены характеристики некоторых ЛБВМ. Схема устройства ЛБВМ цилиндрической конструкции приведена на рис. 6.5, а внешний вид на рис. 6.6.

§ 6.3. Принцип работы лампы обратной волны типа М (ЛОВМ)

Устройство ЛОВМ. В лампах обратной волны типа М, которые

•могут быть генераторными или усилительными устройствами, взаимодействие электронного потока происходит с обратной про­ странственной^ гармоникой. Схема устройства цилиндрической ге­ нераторной ЛОВМ показана на рис. 6.7.

Электроны, эмиттируемые катодом, под действием поля управ­ ляющего электрода и магнитного поля двигаются примерно по циклоидальной кривой и входят в пространство взаимодействия, образованное верхним электродом (анодом) замедляющей системы

111

и нижним электродом (холодным катодом). При выполнении таких же условий, как в ЛБВМ, электрон при отсутствии СВЧ-поля двигается по окружности (или по прямой линии при плоских элект­ родах) и попадает на коллектор. При выполнении условия синхро^- низма (5.22)—равенстве переносной скорости электронов и фазовой скорости обратной пространственной гармоники и токе пучка, большем пускового, в ЛОВМ возникают колебания. У коллектор­ ного конца лампы расположен поглотитель, который поглощает энергию, отраженную от выходного устройства, если согласование в нем недостаточно хорошее. Отсутствие поглотителя создает до­

ЛОВМ

Поглотитель

Рис. 6.7

полнительную паразитную обратную связь, которая ухудшает рав­ номерность частотной характеристики, так же как в ЛОВО (см. § 4.2). Если вместо поглотителя сделать ввод энергии и установить ток меньше пускового, то ЛОВМ будет работать в усилительном режиме.

электроны в тормозящем поле, продольное — вызывает поперечное

ческому уравнению второй степени относительно коэффициентов распространения, как и в ЛБВМ. Однако корни этого уравнения таковы, что поле в замедляющей системе представляется суммой двух парциальных (горячих) волн с одинаковыми и неизменными по всей длине системы амплитудами, но с различными фазовыми скоро­ стями. Обе волны движутся от катодного конца лампы и, интерфе­ рируя между собой, создают поле стоячей волны с пучностью у ка-

112