Параметры и характеристики ЛБВО

В заключение рассмотрим параметры и характеристики ЛБВО. Одним из основных параметров является коэффициент

усиления

Амплитуды <^_2т0 продольной составляющей волны на входе и Г_2т, на выходе ЗС связаны между собой соотношением.

где I — длина ЗС, у — параметр усиления.

Выходная мощность однозначно определяется входной амплитудой.

а выходная мощность.

где Сг_вых и G_BX — соответственно выходная и входная проводимости.

При полном согласовании ЗС с выходной и входной СВЧ-линиями G_BbIX = G_BX, поэтому коэффициент усиления по мощности К = Р_вых/Р_вх с учетом соотношений (13.20)—(13.22) равен К = = ехр (2у/) и в децибелах выражается соотношением.

сопротивление связи; /₀ — ток электронного пучка; Г/₀ — напряжение ускорения электронов; А.₃ — длина замедленной волны.

Если использовать параметры С и ТУ, то, как показывает теоретический анализ, коэффициент усиления К ~ CN. Реальные значения N «10…30, С ~ 0,02…0,5, а К = 20…50 дБ.

Электронный коэффициент полезного действия ЛБВО определяется соотношением т_е — Р_вых/(^о/₀) — Мощность Р_вых пропорциональна уменьшению кинетической энергии электронов в результате взаимодействия с волной. Если принять, что конечная скорость электрона равна фазовой скорости волды, то изменение кинетической энергии электрона, обусловленное взаимодействием его с волной, будет равно ДЖ_КИН = (ти§ /2) — (ту| /2). Оценки показывают, что ДИ’кин ~ С (то §/2), где С — параметр усиления, ти§/2 = У₀ — энергия, которая затрачивается на ускорение электронного потока, т. е. Р₀ = ?/()/₀ ~ И^/₀. Тогда электронный КПД ц_е = А№_КИН/У₀ ~ ²⁵ С. Для увеличения КПД в ЛБВО применяют такие ЗС, в которых у_ф уменьшается по мере замедления электрона. В результате время пребывания сгустков в тормозящем поле волны увеличивается, что и позволяет получить дополнительное усиление и большую выходную мощность. ЗС, в которых Уф уменьшается вдоль системы, называются изохронными.

Существует еще ряд способов увеличения КПД. В специально разработанных ЛБВО КПД может быть доведен до 50…60%,.

а выходная мощность — до нескольких десятков кВт в непрерывном режиме.

Одним из достоинств усилителей на ЛБВО является возможность получения низкого уровня шума, в частности путем охлаждения спирали, снижения тока вторичных электронов из коллектора на спираль, использования малошумящих электронных пушек. В малошумящих ЛБВО коэффициент шума (см. гл. 22) принимает значения.

Рассмотрим основные характеристики ЛБВО. На рис. 13.17 изображена зависимость выходной мощности Р_вых(/ф _к) от тока /_{ф к} в фокусирующей катушке Р_вх = const, со = const и U₀ = U_0onr = = const. Фокусирующая катушка в ЛБВО предназначена в основном для предотвращения поперечной расфокусировки электронных сгустков, происходящей под действием объемного заряда электронов в сгустках. (В современных ЛБВО вместо соленоида в основном применяются системы постоянных магнитов.) Следовательно, изменение тока /_{ф к} в фокусирующей катушке приводит к изменению напряженности продольного магнитного поля Н. При малых токах, протекающих через катушку, напряженность магнитного поля, препятствующая уходу электронов на ЗС, недостаточна, и значительная часть электронов попадает на ЗС, т. е. не участвует в процессе преобразования энергии, поэтому выходная мощность мала. По мере увеличения тока /_{ф к} возрастает удерживающая со стороны магнитного поля сила, и все большее число электронов передает энергию бегущей СВЧ-волне. В результате выходная СВЧ-мощность возрастает. При больших напряженностях магнитного поля (большие токи /_{ф к}) выходная мощность падает из-за уменьшения сопротивления связи (электроны «прижимаются* полем ближе к оси ЛБВО и взаимодействуют с продольным электрическим СВЧ-полем меньшей напряженности).

Характеристика взаимодействия

KuJUo) ^ПР^{И Р}.х = COnSt, 1_фк =.

= /_ф.к.опт ^{= const}" to ⁼ const И при.

Рис. 13.17.

постоянных напряжениях на остальных электродах показана на рис. 13.18.

При изменении напряжения на спирали изменяется скорость электронов, поступающих в ЗС, где распространяется электромагнитная волна. Доля кинетической энергии, передаваемой электронным потоком волне, зависит от разницы в скоростях и_ф

и и_еу т. е. от относительного угла пролета.

При Фо = я усредненная за период энергия, передаваемая волне от электронов, максимальна. В этом случае электронный сгусток находится все время в тормозящем поле волны и отдает максимум энергии. При увеличении v_e (по сравнению со случаем ф₀ = к) угол пролета (р возрастает. В этом случае уменьшается коэффициент модуляции электронного потока по скорости. Электроны группируются в сгустки дальше от входа ЛЕВО (ближе к выходу), и сгусток вблизи выхода оказывается в ускоряющем полупериоде и отбирает у волны часть энергии.

При уменьшении v_e (по сравнению со случаем <�р₍₎ = п) уменьшается относительный угол пролета, а коэффициент модуляции по скорости возрастает, что может приводить к разгруппировке электронного потока, особенно на выходе ЛЕВО (см. далее объяснение амплитудной характеристики на рис. 13.19). При некотором значении о_е < и_ф мощность падает до нуля, в этом случае электроны формируются в сгустки в области ускоряющего поля волны, т. е. они ускоряются волной и, следовательно, отбирают энергию у нее.

Амплитудная характеристика Р_ВЫХ(Р_ВХ) при «= const, U₀ = U_0onv = - const, /_{ф к}. _опт ⁼ const и постоянных напряжениях на остальных электродах изображена на.

Рис. 13.18.

Рис. 13.19.

При увеличении амплитуды входного СВЧ-сигнала возрастает коэффициент модуляции электронного потока по скорости, вследствие чего электронные сгустки формируются ближе ко входу замедляющей системы и, следовательно, возрастает расстояние, на котором сформированный сгусток взаимодействует с волной. Доля передаваемой кинетической энергии от сгустка волне увеличивается, что приводит к росту выходной мощности Р_8ЫХ. При дальнейшем росте входной мощности Р_вых начинает уменьшаться, что может быть связано с перегруппировкой электронного сгустка из-за большой разности скоростей электронов, образующих сгустки. Электроны, образующие сгустки, имеют разные скорости, и при большой амплитуде входного сигнала это различие может быть значительным, что и вызывает продольную разгруппировку сгустков. Часть электронов сгустка при приближении к выходу ЛБВО может попадать в ускоряющую область СВЧ-волны и забирать у нее энергию, что и вызывает уменьшение Р_вых.