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

Амплитрон очень удобен для усиления больших входных сиг­ налов и получения высоких выходных мощностей. Поясним этот вывод с помощью рис. 8.3, на котором показано изменение границ электронного потока при последовательном переходе от ЛБВМ

к амплитрону.

Ранее (см. § 6.1) отмечалось, что в ЛБВМ при очень большом входном сигнале электроны начинают попадать на анод, не доходя до конца замедляющей системы (см. рис. 8.3, а). Это приводило

Рис. 8.3

к прекращению роста выходной мощности, т. е. к насыщению. При дальнейшем увеличении входного сигнала группировка проис­ ходит более интенсивно и электроны еще раньше попадают на анод.

Длина пути, на котором происходит взаимодействие, становится меньше (см. рис. 8.3, б), но выходная мощность в обоих случаях остается практически одинаковой. Дальнейшее увеличение выход­ ной мощности происходит только с ростом числа электронов в пучке (тока пучка). Увеличение тока пучка в приборах типа М с инжекти­ рованным электронным потоком (ЛБВМ, ЛОВМ) представляет серьезную проблему из-за сложной электронной оптики этих при­ боров.

Предположим, что в ЛБВМ вместо одного катод а К сделано два, так что в статическом режиме образуются два подобных электрон-

136

ных пучка, которые инжектируются в пространство взаимодействия (см. рис. 8.3, в). Электроны в первом пучке взаимодействуют с СВЧполем и при большом входном сигнале попадают на анод замедляю­ щей системы (режим насыщения). Усиленное поле должно взаимо­ действовать со вторым электронным пучком. При этом происходит уменьшение потенциальной энергии электронов во втором пучке и они также попадают на анод. Поэтому режим насыщения остается, но выходная мощность увеличивается по сравнению с одним катодом. В предельном случае, когда нижний электрод ЛБВМ на всей длине эмиттирующий, т. е. перестает быть холодным катодом, форма элект­ ронного потока будет иметь вид, показанный на рис. 8.3, г. Электрон­ ный поток имеет форму спиц, в каждой из которых непрерывно про­ исходит движение электронов от катода к аноду, как в многорезо­ наторном магнетроне. Свернув в кольцо систему, показанную на рис. 8.3, г, и замкнув в кольцо поток, получим схему амплитрона. Электронный поток возвращается к началу пространства взаимодей­ ствия (куда подводится входной сигнал) сгруппированным, в виде спицы, начинающейся у катода и заканчивающейся на аноде. Все спицы в пространстве взаимодействия одинаковы. Таким образом, амплитрон является усилителем, работающим в режиме насыщения.

Спицы пространственного заряда должны иметь такую же перио­ дичность, как и СВЧ-поле усиливаемого сигнала. Электронный поток устойчив (стационарен) при условии

СВЧ-поля на одну ячейку анодного блока. Условие (8.1) аналогично условию цикличности СВЧ-поля в магнетроне. Амплитрон может

Действительно, в этом случае спица, образующаяся в тормозя­ щем СВЧ-поле, совершив один оборот вокруг катода, снова попадет

вмаксимум тормозящего поля и будет взаимодействовать с ним

ит. д. Если частота не удовлетворяет условию (8.2), то спица после одного оборота не попадет в прежнюю фазу входного сигнала, а будет происходить опережение или отставание по фазе. Если сдвиг по фазе ф окажется больше ± 90°, спицы после одного оборота попа­ дают в ускоряющее поле и будут распадаться. Это рассуждение позволяет приближенно определить полосу пропускания амплит­ рона, пользуясь соотношением

ФN = 2я п ± ф.

Если ф = 0, то наилучшие условия взаимодействия получают при

137

Ф — 13Г. Граничным сдвигам фазы ф = + 90° соответствуют Фмин= 123° и фмакс = 139°, так что допустимы отклонения Дф/ф ж Ä, + 6 % . Если известна дисперсионная характеристика замед­ ляющей системы, то можно определить полосу пропускания. Если связь фазы и частоты была бы линейной, то полоса пропускания амплитрона в нашем примере составляла 12% средней частоты. При реальных дисперсионных характеристиках полоса оказывается еще меньше. Приведенная оценка очень приближенна, так как она сделана для предельного сдвига ф = + 90°. По-видимому, следует допускать меньшие отклонения фазы, что дополнительно уменьшит полосу пропускания. Эксперименты подтверждают вывод, что

вамплитронах полоса пропускания меньше, чем в приборах типа М

синжектированным потоком, и не превышает 10% средней частоты. Таким образом, в амплитронах ограничение полосы пропускания связано с требованием сохранить устойчивым замкнутый электрон­ ный поток и широкополосность замедляющих систем не исполь­

зуется полностью.

§ 8.2. Характеристики и параметры амплитрона

Амплитудная характеристика. Наибольший интерес представ­ ляет амплитудная характеристика амплитрона (рис. 8.4). Экспе­ риментально обнаружено, что амплитрон-устойчиво работает в огра­ ниченной области входных сигналов, причем ширина этой области

усиление. Поясним эту особенность амплитрона.

Амплитрон является системой с об­ ратной связью. Если электроны взаимо­ действуют с обратными пространствен­ ными гармониками, то природа обрат­ ной связи такая же, как в ЛОВМ. Одна­ ко обратная связь в амплитроне воз­ можна и при взаимодействии с прямыми

пространственными гармониками, так как электронный поток замк­ нут, как в магнетроне. Наибольшая опасность самовозбуждения за счет обратной связи при отсутствии входного сигнала или при слабом сигнале. В этом режиме работы выходной сигнал имеет случайный шумовой характер. Предполагают, что обратная связь имеет случайный характер: с изменением электрического режима работы амплитрона и поля шумовой СВЧ-волны непрерывно про­ исходит переход от одних частот колебаний к другим.

138 •

При слабом сигнале не формируются устойчивые спицы прост­ ранственного заряда, необходимые для нормальной работы амплитрона. Но начиная с определенного достаточно мощного входного сигнала, частота которого лежит в области рабочих частот амплитрона, происходит формирование спиц, обеспечивающих усиление входного сигнала.

Таким образом, амплитрон можно рассматривать как автоколе­ бательную систему с принудительной синхронизацией внешним сигналом.

Начиная с порогового входного сигнала выходная мощность растет при увеличении входного сигнала. Вначале существует ли­ нейная связь Рвых и Рвх. Затем наступает «излом» характеристи­ ки, и хотя РВЬІХ растет коэффициент усиления уменьшается —: амплитрон переходит в режим насыщения. Дальнейшее увеличение выходной мощности возможно только при росте числа электронов, т. е. при увеличении тока пучка. Для увеличения Рвых и коэф­ фициента усиления при том же входном сигнале необходимо увели­ чение мощности источника питания Р0. В режиме насыщения Рвых и к. п. д. максимальны, но коэффициент усиления невелик. Поэтому амплитрон оказался удобным прибором для усиления очень боль­ ших входных сигналов и получения больших к. п. д., т. е. для при­ менения в мощных оконечных каскадах усиления.

Амплитудно-частотная характеристика. Уже отмечалось, что полоса рабочих частот амплитрона в основном ограничена замкнутым характером электронного потока. Кроме того, она зависит от режима работы амплитрона и степени согласования в элементах ввода и вывода энергии. В амплитроне полоса сильно зависит от амплитуды входного сигнала, с ростом которого полоса увеличивается. Полоса рабочих частот амплитрона достигает 5—10%.

Нагрузочные характеристики амплитрона. Характерная особен­ ность амплитрона — это слабое влияние нагрузки на выходную мощность. Линии постоянной мощности на нагрузочной диаграмме образуют почти окружности.

Фазо-частотная характеристика и электронное смещение фазы.

Фазо-частотная характеристика, снимаемая при постоянном анод­

жения) приводит к дополнительному небольшому изменению фазы выходного сигнала относительно входного — электронное смещение

фазы (ЭСФ).

Величина ЗСФ обычно не превышает 0,5—0,8° на 1 % изменения анодного тока. Малое ЗСФ является важной особенностью амплитрона.

Выходная мощность и к. п. д. В амплитроне принципиально не существует ограничения на выходную мощность. Однако практиче­

139

ски она определяется эмиссионной способностью катода и допусти­ мой мощностью, рассеиваемой на анод§. В непрерывном режиме мощность достигает 500 кВт, а в импульсном — 10 МВт. Обычно амплитроны имеют к. п. д. не менее 55—60%, а отдельные типы мощ­ ных и сверхмощных приборов 70—85%. В табл. 6 приведены пара­ метры некоторых амплитронов.

Т а б л и ц а 6

Параметры некоторых амплитронов и стабилотронов

§ 8.3. Принцип работы стабилотрона

Стабилотрон — это генератор высокостабильных по частоте колебаний, выполненный на основе платинотрона. Схема устройства стабилотрона показана на рис. 8.5, а внешний вид — на рис. 8.6. На выходе платинотрона расположен отражатель — фазовращатель и нагрузка, ко входу присоединены высокодобротный резонатор и нагрузка.

Если на выходе платинотрона появился шумовой сигнал, то часть его отразится от фазовращателя и начнет двигаться в обратном направлении. Отраженный сигнал практически без затухания про-

ходит через замедляющую систему на вход платинотрона и по­ падает в резонатор. Часть пришедшей энергии отразится от резона­ тора и пойдет к входу платинотрона, усилится в нем и вернется к фазовращателю, опять отразится и т. д. Таким образом, появляется замкнутая цепь обратной связи. Если сдвиг фазы по петле обратной

140