Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

позволяет получить из уравнений, определяющих процессы в электронном потоке и свойства замедляющей системы, алге­ браическое уравнение. Корни этого уравнения, называемого характеристическим уравнением ЛБВ, дают значения посто­

янной распространения.

Рассмотрение начнем с введения эквивалентной линии, за­ меняющей замедляющую систему. Эта линия в общем виде может быть представлена сеткой из активных и реактивных сопротивлений, которая обеспечивает распространение бес­ конечного числа видов колебаний, как это имеет место в волноводе. Бесконечное число видов колебаний в эквива­ лентной линии появляется вследствие наличия связи между

заменим сетку сопротивлений более простой моделью. В при­ нятом здесь рассмотрении процессов в ЛБВ внешнее поле, связанное с зарядами на замедляющей системе, и поле объ­ емных зарядов в электронном потоке вводятся независимо. Поэтому из всех возможных видов колебаний, распростра­ няющихся в замедляющей системе, интересны только те, для которых возможно эффективное взаимодействие с электрон­ ным потоком, т. е. имеется связь между системой и потоком. Так как здесь принимается линейное приближение, что апри­ орно снимает вопрос о возможности связи замедляющей си­ стемы с гармониками тока, то связанный с потоком вид колеба­ ний имеет частоту усиливаемого сигнала. Для этих колебаний

ной линии без потерь с распределенными реактивной прово­ димостью В и реактивным сопротивлением X, имеющий про­ тяженность по оси 2 , равную dz. Отсутствие в принятой экви­ валентной линии потерь не повлияет в первом приближении на точность проводимых расчетов. Причем значительное

39

упрощение характеристического уравнения ЛБВ и его реше­ ния при первоначальном пренебрежении распределенными по­ терями полностью оправдывает такой подход. Отметим, что введение постоянных величин В и X строго справедливо для заданной частоты сигнала. При ее изменении значение этих величин может меняться. При таком определении В и X они могут отражать любую сложную сетку реактивных сопротив­

лений.

Как видно из рис. 14, на входе показанного на нем эле­ мента эквивалентной линии, т. е. между зажимами ab, имеет

место разность потенциалов 0. К точке b подтекает ток / из левойпо отношению к этой точке части эквивалентной линии и «питающий» ток г'п из электронного потока. На выходе элемента линии, т. е. между точками cd, вследствие падения напряжения на сопротивлении Xdz разность потенциалов бу­

дет U — dU, т. е. на рассматриваемом элементе эквивалент­ ной линии имеется изменение разности потенциалов

Ток, оттекающий от точки d вправо, будет соответственно I — dl, причем его изменение определяется шунтирующим действием проводимости В и добавлением элементарного «пи­ тающего» тока dln. Он равен в соответствии с законом Кирх­ гофа изменению полного тока гр, определяемого движением электронов по оси z, т. е.

=T d z -

При этом величина

Полученные выражения для dU и dl дают после сокраще­ ния на dz следующие уравнения:

(2.40) EK=jXi.

40

Определяя из последнего соотношения значение /, подстав­

Это алгебраическое уравнение третьей степени дает три значения постоянной 6, определяющей три прямые волны. При выводе пренебрегали членами, содержащими С в степени более высокой, чем первая, что равносильно пренебрежению четвертой обратной волной.

Анализ постоянных распространения показывает, что од­ на из прямых волн распространяется без изменения ампли­ туды, вторая — нарастает, а третья — убывает по амплитуде.

В ЛБВ для усиления мощности используется прямая вол­ на с нарастающей амплитудой. Двумя другими прямыми вол­ нами обычно в расчетах можно пренебречь при больших ко­ эффициентах усиления.

Однако распределение мощности возбуждения между тре­ мя прямыми волнами на входе необходимо учитывать. Если считать, что входная мощность распределяется равномерно между всеми волнами, то коэффициент усиления ЛБВ по

41

где А = —9,54 — величина начальных потерь, обусловлен­ ная распределением мощности возбужде­ ния между тремя прямыми волнами;

В — усиление по мощности нарастающей вол­ ны в децибелах при единичном параметре усиления (С=1) на одну электронную вол­ ну (N= 1).

На рис. 15 приведена схема устройства ЛБВ с замедляю­ щей системой в виде спирали, где 1 — катод; 2 — ускоряющий электрод; 3 — замедляющая система; 4 — поглощающая вставка; 5 — входной и выходной волноводы и 6 — коллектор.

Для фокусировки электронного потока используются фо­ кусирующие системы в виде соленоидов или системы из по­ стоянных магнитов. Поглощающая вставка препятствует возникновению самовозбуждения ЛБВ за счет энергии, кото­ рая может переноситься вдоль замедляющей системы с вы­ хода на вход замедляющей системы.

Замедляющая система типа спиральной линии обычно ис­ пользуется в маломощных ЛБВ. Важнейшей особенностью ЛБВ для усиления слабых сигналов, используемых как вход­ ные лампы в приемниках СВЧ диапазона, является примене­ ние малошумящих электронных пушек. Такие приборы вы­ полняются в стеклянной колбе, внутри которой жесткость спиральной линии обеспечивается продольными кварцевыми

трубками.

В отличие от маломощных ЛБВ, где, наряду с необходи­ мостью получения большого усиления в широкой полосе ча­ стот, решающим является малый уровень собственных шу­

42

мов, в мощных ЛБВ решающим параметром является высо­ кий КПД.

Теория и эксперимент показывают, что широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применени­ ем спиральных замедляющих систем. При достижении вели­ чины средней мощности порядка сотен ватт можно применять спиральные замедляющие системы с принудительным охлаж­ дением, но выполнение длинных спиральных замедляющих систем с жидкостным охлаждением представляет значитель­ ные конструктивные и технологические трудности.

При переходе к мощностям порядка киловатт и более при­ ходится применять системы типа диафрагмированного волно­ вода или цепочки резонаторов, которые при использовании

вЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот.

Внастоящее время ЛБВ является широкополосным усили­ телем (коэффициент усиления до 60 дБ при полосе усиливае­ мых частот до нескольких октав) при значительных выход­ ных мощностях (до нескольких мегаватт в импульсе при сред­

ней мощности до киловатта). - Однако следует отметить, что получить все предельные

значения параметров в одном приборе невозможно. Так, на­ пример, малый коэффициент шума (несколько децибел) и большие выходные мощности получить одновременно не уда­ ется. ЛБВ используется в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Наихудшие параметры (в пер­ вую очередь по величине КПД и выходной мощности) имеют ЛБВ миллиметрового диапазона.

§ 2.4. Лампа обратной волны. Рассмотренная выше лампа бегущей волны может использоваться как генератор, если часть выходной высокочастотной мощности подавать на вход, т. е. осуществить необходимую для возникновения генерации положительную обратную связь.. Однако такой генератор получается узкополосным. •

Лампа обратной волны (ЛОВ) в отличие от ЛБВ обычно представляет собой широкодиапазонный генератор. В таком генераторе усиление обеспечивается взаимодействием обрат­ ной волны, распространяющейся в замедляющей системе, с электронным потоком, который служит для переноса части колебательной мощности с начала замедляющей системы, где подключается выход, к ее концу, где возникает обратная вол­ на. Таким образом, электронный поток одновременно исполь­ зуется и как регулируемая по фазе (при изменении ускоряю­ щего электроны потенциала) обратная связь, что обеспечи­ вает перестройку, генерируемой частоты в широком диапа­ зоне.

43