ЛБВО. Лбв типа о механизм усиления свч поля в приборах типа О. Пространственновременная диаграмма. Условия усилений

• Название: Лбв типа о механизм усиления свч поля в приборах типа О. Пространственновременная диаграмма. Условия усилений
• Дата: 16.12.2022
• Размер: 267.89 Kb.
• Имя файла: LBV_tipa_O.docx
• Тип: Документы; #847964

ЛБВ типа О

1. 
   Механизм усиления СВЧ поля в приборах типа О. Пространственно-временная диаграмма. Условия усилений.
   

В клистроне электроны отдают СВЧ полю часть кинетической энергии в течение короткого промежутка времени, поэтому для увеличения мощности взаимодействия в пролетных клистронах необходимо увеличивать амплитуду высокочастотного электрического поля в зазоре резонатора. Для этого следует увеличить добротность резонаторов, что сужает рабочую полосу частот. Узкополосность является одним из основных недостатков усилительных клистронов.

Для создания широкополосных приборов необходимо использовать принцип непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе. В приборах с длительным взаимодействием, так же как и в клистронах, используется модуляция скорости электронов и плотности электронного потока. При сравнительно слабом входном сигнале в результате длительного взаимодействия электронов с полем бегущей волны получается необходимое группирование электронов. Очевидно, что обмен энергией между электронами и полем происходит в результате взаимодействия электронов с составляющей напряженности электрического поля, совпадающей по направлению со скоростью электронов.

Для эффективного взаимодействия электронов с бегущей волной нужно, чтобы скорость электрона v_e была приближенно равна фазовой скорости электромагнитной волны v_ф в направлении движения электронов. Это называется условием фазового синхронизма и записывается следующим образом:

v_e – v_ф ≈ 0 (4.1)

Так как скорость электронов всегда меньше скорости света & свободном пространстве, то для выполнения (4.1) необходимо уменьшать фазовую скорость волны, взаимодействующей с электронами. Для этого используются специальные устройства, которые называются замедляющими системами.

Наглядное представление о группировании электронов дает пространственно-временная диаграмма, представленная на рис. 4.1. В системе координат, движущейся с фазовой скоростью волны, сплошными линиями показано смещение электронов ∆z относительно волны, а пунктирными — движение электронов в этой же системе координат при отсутствии поля волны. Процесс группирования зависит от соотношения скорости электронов v_e скорости электромагнитной волны v_ф.



Если v_е=v_ф, то электроны группируются в области нулевого значения высокочастотного поля (рис. 4.1 а) и электронный поток не обменивается энергией с бегущей волной. Если V_еф, то электроны отстают от волны и группируются в области ускоряющего высокочастотного поля (рис. 4.1 б), которое сообщает электронам дополнительную скорость. В результате входной сигнал не усиливается, а ослабляется. Если V_е>V_ф, то электроны, находящиеся в ускоряющем поле, приобретают ускорение и перемещаются в область тормозящего поля (рис. 4.1 в), где их движение, замедляется. Следовательно, электроны будут сосредоточены в тормозящем поле и передадут частично свою кинетическую энергию бегущей волне. Амплитуда электромагнитной волны по мере распространения вдоль замедляющей системы будет возрастать. Поэтому необходимым условием усиления ЛБВ является такое соотношение между скоростями V_е и V_ф, при котором скорость электронов V_е немного превышает скорость электромагнитной волны.

Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с полем будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны. Необходимо такое различие в скоростях, чтобы за время движения сгустка вдоль всей длины замедляющей системы он не вышел из области тормозящего поля.

2. 
   Назначение замедляющих систем. Способ взаимодействия электронного потока с СВЧ полем бегущей волны. Реальные замедляющие системы.
   

Наибольшее распространение в технике СВЧ получили замедляющие системы, представляющие собой линии передачи с периодически повторяющимися неоднородностями. Некоторые из них представлены на рис. 4.3, где 1 — спираль, 2 — гребенка, 3 —встречные штыри, 4 — сдвоенный меандр на диэлектрической подложке, 5 — диафрагмированный волновод, 6 —диафрагмированный волновод с индуктивными щелями связи, 7 — “лист клевера”, 8 — меандр на диэлектрической подложке.

Широко используется замедляющая система в виде цилиндрической спирали. Эта замедляющая система была использована Р. Компфнером в 1944 г. в первой ЛБВ, и сейчас большинство серийно выпускаемых ЛБВ тоже использует спиральную замедляющую систему, что объясняется многими ее достоинствами. Ни, одна из известных замедляющих систем не может конкурировать, со спиралью в отношении широкополосности. При упрощенном рассмотрении процессов в такой системе можно предполагать, что волна Т распространяется со скоростью света с вдоль спирального проводника. Пусть D будет средний диаметр спирали, a L – ее шаг. Тогда время, за которое волна обегает один виток,



Если шаг спирали много меньше диаметра, т. е. L<<πD, имеен t<<πD/c. Волна за то же время проходит вдоль оси спирали путь, равный L. Следовательно, фазовая скорость волны v_e вдоль оси спирали равна L/t или v_ф=cL/πD.

Обычно замедляющую систему характеризуют коэффициентом замедления К_зам, равным отношению скорости света к фазовой скорости замедленной электромагнитной волны.



Тогда K_зам=c/v_ф=πD/L (4.2)

Коэффициент замедления тем больше, чем больше отношение длины витка к шагу спирали. Изменяя диаметр спирали D и ее шаг L, можно в широких пределах изменять коэффициент замедления.

3. 
   Устройство и принцип действия ЛБВ липа О. Назначение электродов. Схема подключения источников питания.
   

Принцип действия ламп бегущей волны (ЛБВ) основан на рассмотренном выше механизме длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны. На рис. 4.2 схематично представлено устройство ЛБВ. Электронная пушка формирует электронный пучок с определенным сечением и интенсивностью. Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы 3, создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка на всем пути вдоль замедляющей системы. В ЛБВ электронная пушка, спиральная замедляющая система 2 и коллектор 5 размещаются в металлостеклянном или металлокерамическом баллоне 7, а фокусирующий соленоид 3 располагается снаружи. Спираль крепится между диэлектрическими стержнями, которые должны обладать малыми потерями на СВЧ и хорошей теплопроводностью. Последнее требование важно для ламп средней и большой выходной мощности, когда спираль нагревается из-за оседания электронов и нужно отводить это тепло, чтобы не было прогорания спирали.

На входе и выходе замедляющей системы есть специальные устройства 4 для согласования ее с линиями передачи. Последние могут быть либо волноводными, либо коаксиальными. На вход поступает СВЧ сигнал, который усиливается в приборе и с выхода передается в нагрузку.

Трудно получить хорошее согласование во всей полосе усиления лампы. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, при этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции усилителя. Для устранения самовозбуждения вводится поглотитель 6, который может быть выполнен в виде стержня из поглощающей керамики или в виде поглощающих пленок.

4. 
   Характер распределения СВЧ электрического поля в пространственно-периодической волноводной структуре. Пространственные гармоники.
   

Рассмотрим некоторые общие закономерности распространения электромагнитных волн в замедляющих системах. Замедляющие системы представляют собой периодические структуры, имеющие свойства полосовых фильтров с бесконечным числом полос пропускания. В приборах используется чаще всего полоса, пропускающая самые низкие частоты, она называется основной. Остальные полосы называются высшими.

Поле в периодической структуре удовлетворяет теореме Флоке, которая утверждает, что среди решений уравнений Максвелла, удовлетворяющих граничным условиям, всегда найдется такое решение, при котором поля в соседних ячейках отличаются лишь постоянным множителем p=e^-r, т. е. E(z+L)=e^-r Е(г). В полосе пропускания для систем без потерь величина Г=iψ – мнимая. Это означает, что поле в соседних ячейках отличается лишь сдвигом по фазе на угол ψ. Введем обозначение ψ=β₀L (β₀—постоянная распространения волны) и умножив обе части равенства на ехр^iβo(L+z), при этом заметим, что функция E₀(z)=E(z)ехр^iβoz=E(z)ехр^iβo(z+L) — периодическая, а ее период совпадает с периодом структуры L. Отсюда следует, что поле в системе E(z) можно представить в виде произведения двух периодических функций: E₀(z) и ехр^iβoz. Учитывая и временной множитель ехр^iωt, можно записать

E(z,t)=E₀(z)e^i(ωt-βoz) (4.3)

Функция E₀(z) — периодическая, L — ее период. Разложение E₀(z) в ряд Фурье дает

 (4.4)

где



Подставляя (4.4) в (4.3), получим

 (4.5)

Распределение поля в системе представлено в виде суммы бесконечного числа бегущих волн с амплитудами a_m(x,у) и постоянными распространения

 (4.6)

Эти волны называются пространственными гармониками.

5. 
   Свойства пространственных гармоник: частоты, фазовые и групповые скорости, амплитуды, дисперсия фазовых скоростей.
   

Распределение поля в системе представлено в виде суммы бесконечного числа бегущих волн с амплитудами a_m(x,у) и постоянными распространения

 (4.6)

Эти волны называются пространственными гармониками. Их совокупность удовлетворяет периодическим граничным условиям. Решение в виде одной пространственной гармоники не может удовлетворить граничным условиям. Все гармоники изменяются с одной и той же частотой. Каждой пространственной гармонике соответствует своя фазовая скорость, которая определяется соотношением

 (4.7)

Групповая скорость всех пространственных гармоник одинакова:

 (4.8)

Зависимость фазовой скорости (или коэффициента замедления) от частоты в свободном пространстве называется дисперсией замедляющей системы, а графики этих зависимостей — дисперсионными характеристиками или кривыми дисперсии. Каждой пространственной гармонике соответствует определенная ветвь дисперсионной характеристики.



Рис. 4.4

Волна (или пространств венная гармоника), у которой направления групповой и фазовой скоростей одинаковые, называется прямой волной, волна с противоположными направлениями скоростей — обратной волной.

В зависимости от знака производной d|v_фm|/dω дисперсия может быть нормальной (d|v_фm|/dω<0) и аномальной (d|v_фm|/dω >0). При увеличении частоты нормальная дисперсия характеризуется уменьшением абсолютного значения фазовой скорости, а аномальная — ростом. Для всех обратных гармоник дисперсия аномальная, прямые гармоники могут иметь как нормальную, так и аномальную дисперсию.

На рис 4.4. показана дисперсионная характеристика замедляющей системы. По оси абсцисс отложен фазовый сдвиг на один период замедляющей системы β_mL, определяемый (4.6), а по оси ординат—частотаω. Сплошные кривые относятся к гармоникам т=0, ±1, ±2. Нулевая гармоника (m=0) соответствует изменению угла от 0 до π. Эти пределы в соответствии с теорией фильтров определяют полосу пропускания, заключенную между ω₀ и ω_π. Сдвиг фазы для гармоники m=+1 по определению (4.6) на 2π больше, чем при т=0, поэтому кривая для т=+1 существует в пределах (2 3)π.Соответственно смещаются на 2π вправо кривые при каждом увеличении на единицу номера т. Переход от т=0 к т=-1 эквивалентен смещению кривой в область фазы от -π до -2π и т. д. Полоса пропускания для всех пространственных гармоник одинакова и равна полосе пропускания замедляющей системы.

Фазовая скорость гармоники с учетом (4.7) пропорциональна тангенсу угла наклона у прямой, проведенной через начало координат и точку дисперсионной кривой для выбранной частоты <0. Групповая скорость гармоники пропорциональна производной в данной точке, т. е. tg a. Очевидно, что на границах полосы пропускания групповая скорость гармоник равна нулю (экстремальные точки кривых). Групповая скорость всех пространственных гармоник при данной частоте ω одинакова и положительна. Для варианта замедляющей системы, дисперсионная характеристика которой приведена на рис. 4.4, наибольшая фазовая скорость у нулевой гармоники. С увеличением положительного номера т фазовая скорость уменьшается, фазовые скорости гармоник m= -1, -2 отрицательны (противоположны направлению групповой скорости) и также уменьшаются с ростом номера. В рассматриваемом случае гармоники m=0, +1, +2 — прямые, а m= -1, -2 — обратные.

Используя дисперсионные кривые, можно выяснить зависимость фазовой скорости любой пространственной гармоники от частоты. В нашем примере прямая нулевая гармоника имеет нормальную дисперсию (фазовая скорость уменьшается с ростом частоты). Обратные гармоники (т= -1, -2) обладают аномальной дисперсией. Легко убедиться, что для прямой гармоники т=+2 вблизи границ пропускания дисперсия нормальная, а в остальной области аномальная.

6. 
   Основные параметры и характеристики ЛБВ типа О. Амплитудно-частотная характеристика. Влияние дисперсии Vф на ширину полосы пропускания, возможность электронной перестройки. Амплитудная характеристика. Коэффициент усиления. Факторы, влияющие на фазовый сдвиг. Амплитудно-фазовая конверсия. КПД и способы его увеличения.
   

Коэффициент усиления. Можно доказать, что энергия на входе лампы равномерно распределяется между тремя волнами. Следовательно, амплитуда каждой волны равна Е_(z=o)/3. Тогда напряженность электрического поля в конце замедляющей системы для нарастающей волны



Постоянная распространения в системе без электронного потока для пространственной гармоники с длиной волны Λ: Г₀=2π/Λ,

поэтому с учетом (4.12)



где N=l/Λ — электрическая длина замедляющей системы.Используя величину β_el ,получим

 (4.19)

Зная амплитуды волн в начале и в конце замедляющей системы, можно определить коэффициент усиления ЛБВ по напряжению в децибелах

 (4.20)

Значение K=9,54 дБ — это начальные потери, обусловленные тем, что амплитуда входного сигнала ЛБВ распределяется поровну между тремя волнами, т. e. напряженность поля нарастающей волны на входе ЛБВ в 3 раза меньше напряженности входного сигнала.

Формула (4.20) широко используется при расчетах ЛБВ для линейного режима (малого сигнала). Параметр С называется параметром усиления. Согласно (4.16) параметр С увеличивается при увеличении сопротивления связи замедляющей системы. Коэффициент усиления ЛБВ прямо пропорционален параметру усиления и электрической длине лампы, определяемой N.

Существуют пределы, ограничивающие рост коэффициента усиления. При большой длине ЛБВ линейная теория, из которой получена формула (4.20), оказывается несправедливой на конечном участке ЛБВ. Кроме того, существует опасность самовозбуждения вследствие возможного отражения сигнала от нагрузки. Для борьбы с самовозбуждением применяют поглотитель (элемент 6 на рис. 4.2), ослабляющий отраженную волну.

Реально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВ обычно 25—40 дБ, т. e. несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов. В маломощных ЛБВ коэффициент усиления выше и может достигать 60 дБ.

7. 
    Рис. 4.5
   

Амплитудная характеристика. Типичная зависимость выходной мощности и. коэффициента усиления от уровня входной мощности приведена на рис. 4.5. Начальный участок характеристик линеен. С увеличением входной мощности наступает насыщение, вызванное смещением сгустка в область нулевого поля волны вследствие торможения электронов при взаимодействии с волной. Коэффициент усиления ЛБВ имеет наибольшее значение Па линейном участке характеристики, а электронный КПД — в максимуме амплитудной характеристики. Поэтому при работе ЛБВ в качестве входного усилителя, когда важен высокий коэффициент усиления, используют линейный участок амплитудной характеристики. В мощных выходных усилителях передатчик ЛБВ работают в режиме максимального КПД.

Коэффициент полезного действия. Для определения максимального значения электронного КПД необходимо рассматривать работу ЛБВ в нелинейном режиме и учесть влияние пространств венного заряда. Кулоновские силы расталкивания, препятствуй группированию электронов, вызывают уменьшение коэффициента усиления и электронного КПД. Существует оптимальный режим при котором электронный КПД имеет максимальное значение η_{э max}. При не очень больших параметрах усиления (С<0,1)

η_{э max}=(2÷3)С. (4.21)

Параметр С определяет не только коэффициент усиления лампы (4.20), но и максимальный КПД. Следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать С (4.16), т. е. повышать сопротивление связи замедляющей системы и увеличивать отношение I₀/U₀. Реальный КПД мощных ЛБВ меньше, чем у мощных многорезонаторных клистронов, и составляет примерно 25 – 30%.

Один из известных методов повышения КПД заключается, использовании замедляющих систем с переменным коэффициентом замедления (4.2) для сохранения синхронизма между скоростью электронов и фазовой скоростью электромагнитной волны. Дело в том, что электроны, отдавая энергию волне, постепенно замедляют свое движение и электронный сгусток смещается в область ускоряющей полуволны поля. Тем самым нарушается первоначальное условие синхронизма. Поэтому замедляющую систему конструируют так, чтобы было некоторое увеличение коэффициента замедления к выходному концу лампы. При спиральной замедляющей системе это достигается плавным уменьшением шага спирали. Такие ЛБВ называются изохронными.

Эффективен и широко распространен метод повышения КПД с помощью торможения электронов после замедляющей системы. При этом понижается потенциал коллектора по сравнению с потенциалом замедляющей системы. Пучок электронов после прохождения замедляющей системы поступает на коллектор, где рассеивается оставшаяся кинетическая энергия. Так как в ЛБВ весь ток пучка идет в цепи коллектора, потенциал которого обычно равен потенциалу замедляющей системы, то от источника питания коллектора потребляется мощность P₀=I₀U₀. Если теперь потенциал замедляющей системы остался неизменным, а потенциал коллектора уменьшился, то выходная мощность ЛБВ останется прежней, а мощность, потребляемая от источника питания коллектора, снизится, что означает повышение КПД. Физически это объясняется тем, что электроны тормозятся в пространстве между замедляющей системой и коллектором и рассеивают на коллекторе меньшую кинетическую энергию. Торможение означает переход некоторой части кинетической энергии в энергию электростатического поля и возврат (рекуперация) энергии в источник питания.

Поскольку в пучке присутствуют электроны с различными энергиями, увеличение КПД достигается наиболее эффективно в секционированных коллекторах, в которых на секции подаются различные потенциалы. Степень допустимого понижения напряжения на коллекторе определяется распределением электронов по скоростям и ограничивается возможностью возникновения обратной связи за счет обратных электронов, летящих с коллектора, которые вызывают нагрев замедляющей системы.

Частотная характеристика ЛБВ — зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты при фиксированной входной мощности. Такая характеристика приведена на рис. 4.6. По ней можно определить ширину рабочей полосы частот ЛБВ, которая составляет от нескольких десятков до сотни процентов средней частоты диапазона. Широкополосность — особенно ценное свойство ЛБВ.

 Рис. 4.6

Фазовые характеристики ЛБВ определяют зависимость разности фаз колебаний на входе и выходе от различных причин: частоты усиливаемых колебаний, изменения ускоряющего напряжения, тока пучка и т. д. Фазовые характеристики необходимы для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых ЛБВ.

Широкое применение ЛБВ в системах связи налагает определенные требования к характеристикам этих приборов. Это, прежде всего требование минимальных нелинейных искажений усиливаемых сигналов. В системах связи необходимо одновременно усиливать несколько сигналов с близкими частотами, поэтому в ЛБВ, как и в любом нелинейном элементе, возникают следующие искажения: изменение фазы сигнала на выходе в зависимости от уровня входного сигнала, появление в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, кратными частотам усиливаемых сигналов, а также сигналов на суммарной частоте, появление комбинационных составляющих вида mf₁±nf₂. Степень зависимости фазы выходного сигнала от уровня входного сигнала называется коэффициентом преобразования амплитудной модуляции в фазовую и определяется в градусах на децибел.

При усилении многочастотного сигнала в ЛБВ наиболее существенны комбинационные составляющие, которые вызывают искажение полезной информации в соседних каналах связи. Теоретически и экспериментально показано, что формированием входного сигнала специальной формы можно существенно уменьшить уровень комбинационных составляющих третьего порядка на выходе. Оптимальным будет входной сигнал, содержащий составляющие удвоенной частоты усиливаемых сигналов.

Шумовые характеристики. Одной из важных характеристик маломощных ЛБВ является уровень собственных шумов, который определяет минимальный сигнал, подлежащий усилению.

Наиболее существенны собственные шумы электронного потока. Эмиссия с катода вызывает шумы в виде случайных изменений плотности конвекционного тока и скоростей электронов (дробовой эффект). Уровень шумов зависит от конструкции электронной пушки и режима ее работы. Шумы электронного потока, уменьшают, создавая определенные изменения потенциала между катодом и началом замедляющей системы, для чего применяют электронные пушки специальной многоанодной конструкции.

Другим источником шумов ЛБВ является шум, который возникает из-за оседания части электронов пучка на электродах пушки и на замедляющей системе. Влияние токораспределения на уровень шумов можно уменьшить хорошей фокусировкой пучка обеспечивающей практически прямолинейные траектории электронов. Возникновение собственных шумов в ЛБВ связано также тепловыми шумами замедляющей системы. Их мощность пропорциональна абсолютной температуре. Поэтому для снижения ypoвня шума наряду с улучшением шумовых свойств электронной пушки необходимо охлаждать ЛБВ, например, до температуря жидкого азота. Коэффициент шума современных промышленных ЛБВ 6—8 дБ на частоте 3 ГГц. Минимальный коэффициент шума, достижимый в настоящее время для ЛБВ, выше, чем у мазеров или полупроводниковых усилителей. Транзисторные усилители вытесняют малошумящие ЛБВ вплоть до частоты 12 ГГц с перспективой вытеснения до 18 ГГц. В этих условиях конкуренции идет совершенствование малошумящих ЛБВ с целью дальнейшего снижения массы при условии повышения выходной мощности и полосы пропускания на более высоких частотах. Разрабатывают малогабаритные малошумящие ЛБВ частотой до 40—60 ГГц, коэффициентом шума менее 18 дБ, усилением 35 дБ и выходной мощностью в режиме насыщения 20 мВт.