Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
PFE / ПФЭ / Глава3Б.doc
Скачиваний:
85
Добавлен:
15.02.2016
Размер:
318.98 Кб
Скачать

Как видно из рисунка, максимум коэффициента усиления достигается на некоторой частоте f0. При отклонении частоты

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемых колебаний

от f0 коэффициент усиления уменьшается. Уменьшение коэффициента усиления можно объяснить дисперсией ЗС. Фазовая скорость волны в ЗС зависит от частоты. Поэтому оптимальным образом усло- вия синхронизма выполняются только в сравнительно небольшом диапазоне частот вблизи f0. При больших расстройках происходит нарушение условий синхронизма и уменьшение

коэффициента усиления. Кроме того, как видно из (3.53), коэффициент усиления прямо пропорционален количеству длин волн N, укладывающихся вдоль оси ЗС. С уменьшением частоты длина волны возрастает, следовательно, уменьшается N, что приводит к уменьшению коэффициента усиления. При изменении частоты происходит изменение распределения электромагнитного поля в ЛБВ. В области высоких частот компоненты электромагнитного поля «поджимаются» ближе к периодической поверхности замедляющей системы. Поэтому поле в той части ЛБВ, где движется электронный поток, уменьшается (в частности уменьшается составляющая Ez). Поэтому уменьшается величина Rсв (Rсв=Ez2  2P, где  – фазовая постоянная ЗС, а P – подводимая к замедляющей системе мощность). Уменьшение Rсв приводит к уменьшению параметра усиления С, а значит, и коэффициента усиления.

3.3.2. Амплитудная характеристика лбв

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость выходной мощности усилителя от мощности, подаваемой

Рис. 3.6. Амплитудная характеристика ЛБВ

на его вход. Вид амплитудной характеристики ЛБВ представлен на рис. 3.6.

При малых значениях входной мощности (мощность сигнала не превышает уровня собственных шумов лампы) усиления не происходит и на выход лампы проходят только собственные шумы. При достаточной мощности сигнала на входе

происходит группирование электронного потока и сигнал, проходя через ЛБВ, усиливается. При дальнейшем увеличении мощности входного сигнала группирование электронного потока и отбор энергии от электронных сгустков происходит более эффективно и мощность на выходе нарастает. До точки 1 это нарастание происходит практически по линейному закону. При дальнейшем увеличении входной мощности сначала рост выходной мощности замедляется, а затем наступает уменьшение выходной мощности. Это объясняется тем, что при больших входных мощностях сгруппировавшийся в тормозящей фазе поля сгусток электронов, испытывая сильное торможение, быстро теряет свою скорость. Если это торможение очень сильное, электронный сгусток может, не дойдя до конца замедляющей системы, переместиться из тормозящей фазы поля в ускоряющую. При этом электроны начинают отбирать энергию от электромагнитного поля волны и происходит уменьшение мощности на выходе.

Для получения максимальной выходной мощности необходимо, чтобы насыщение наступило в конце ЗС. Другими словами, при заданном входном сигнале имеется оптимальная длина ЛБВ, дальнейшее увеличение длины не приводит к росту выходной мощности и коэффициента усиления. При малом входном сигнале оптимальная длина больше, чем при большом сигнале. Обычно в ЛБВ типа О длина ЗС составляет 10–30 длин волн пространственной рабочей гармоники, т. е. в формуле (3.53) N = = 1030. Очевидно, что формула (3.53), полученная на основе линейной теории ЛБВ типа О, неприменима при нелинейном режиме работы и справедлива только для начального линейного участка амплитудной характеристики.

3.3.3. Характеристика взаимодействия и кпд

Рис. 3.7. Зависимость выходной мощности и коэффициента усиления ЛБВ типа О от постоянного ускоряющего напряжения U0 при фиксированной частоте

Характеристикой взаимодействия называется зависимость выходной мощности и коэффициента усиления от ускоряющего напряжения. Вид характеристики изображен на рис. 3.7.

Изменение ускоряющего напряжения приводит к изменению скорости движения электронов. Поскольку при снятии этой характеристики частота входного сигнала f остается неизменной, фазовую скорость волны можно

считать постоянной. Изменение U0 приводит к изменению соотношения между v0 и vф. При некотором U0опт условия синхронизма выполняются оптимальным образом и выходная мощность, а также коэффициент усиления достигают максимума. При отклонении U0 от значения U0опт происходит резкое уменьшение выходной мощности. Нижний предел скорости электронов определяется фазовой скоростью замедленной волны. Поэтому величина КПД с физической точки зрения должна быть тем больше, чем значительнее превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в ЗС. Однако при увеличении рассинхронизма ухудшается группирование на входном участке ЗС и резко уменьшается коэффициент усиления (рис. 3.7). Таким образом, требования максимального КПД и максимального усиления в ЛБВ типа О оказываются противоречивыми.

Нелинейная теория и некоторые упрощенные рассуждения показывают, что величина максимального электронного КПД усилительной лампы прямой бегущей волны равна

, (3.54)

где С – параметр усиления, определяемый уравнением (3.37).

Безразмерный коэффициент К, входящий в (3.54), имеет величину от 2 до 8. Наибольшим значениям К соответствует максимально допустимое превышение начальной скорости электронов над фазовой скоростью волны в «холодной» ЗС.

Коэффициент полезного действия маломощных ЛБВ, используемых во входных каскадах, невелик и составляет 2–5 %.

В мощных оконечных лампах бегущей волны, которые работают в нелинейном режиме, КПД может достигать 40–50 %.

Существует несколько путей повышения КПД ЛБВ.

Один из путей – постепенное уменьшение фазовой скорости волны вдоль оси ЗС. Электроны, теряя кинетическую энергию, не выходят в этом случае из синхронизма с волной и продолжают отдавать ей свою энергию. Создание подобных изохронных ЛБВ представляет большой интерес, хотя и требует решения сложных расчетных и конструкторских проблем, связанных с созданием ЗС с переменным (програмированным ) коэффициентом замедления.

Другим путем повышения КПД является использование непрерывного или скачкообразного повышения скорости электронов по мере их движения вдоль ЗС. Очевидно, что ЗС ЛБВ должна быть разделена при этом на секции, находящиеся под различным постоянным напряжением по отношению к катоду. Возможно также скачкообразное уменьшение фазовой скорости волны в выходной секции ЗС при неизменном постоянном напряжении на всей системе.

Более доступным путем повышения КПД ЛБВ типа О, как и пролетных клистронов, является снижение постоянного напряжения на коллекторе в сравнении с постоянным ускоряющим напряжением U0. Расчеты показали, что даже используя одноступенчатую рекуперацию и снижая напряжение коллектора до (0,30,5) U0, можно поднять КПД до 50 % и выше [2]. Важную роль при использовании рекуперации играет конструкция коллектора, которая должна предотвращать обратное движение электронов от коллектора в пролетный канал ЗС.

Рекуперация обеспечивает в ЛБВ больший успех, чем в клистронах, ввиду менее эффективного механизма взаимодействия электронов с СВЧ полем и меньшего разброса скоростей электронов на выходе из пространства взаимодействия ЛБВ. Поэтому рекуперация более широко используется в ЛБВ, в особенности в лампах средней мощности. Сочетание рекуперации на коллекторе с изохронными ЗС позволяет довести КПД опытных образцов ламп до 60–70 %.

Соседние файлы в папке ПФЭ