Параметры и характеристики лбво

Коэффициент усиления. Энергия электромагнитного поля на входе ЛБВО распределяется поровну между тремя волнами, поэто­му амплитуда продольной составляющей электрического поля каж­дой волны в начале замедляющей системы равна , а в конце –

(4.8)

Постоянная распространения в системе без электронного по­тока для пространственной гармоники с длиной волны равна , поэтому

где – электрическая длина замедляющей системы.

Следовательно, амплитуда поля в конце замедляющей системы

Таким образом, для коэффициента усиления по мощности имеем:

(4.9)

В выражении (4.9) необходимо учесть потери в поглотителе , поэтому окончательно

, дБ (4.10)

Формула (4.10) используется при расчетах ЛБВО в режиме малого сигнала (линейный режим). Параметр называют пара­метром усиления. Существуют пределы, ограничивающие рост коэффициента усиления с увеличением . При больших линей­ная теория ЛБВО оказывается несправедливой на конечном учас­тке ЛБВО. Кроме того, появляется возможность самовозбужде­ния прибора вследствие отражения сигнала от нагрузки (для борь­бы с самовозбуждением и применяют поглотитель). Поэтому ре­ально достижимое значение коэффициента усиления ЛБВО средней и большой мощности составляет 25-40 дБ, т.е. несколько ниже, чем у многорезонаторных клистронов (60 дБ). В маломощных ЛБВО ко­эффициент усиления может достигать 60 дБ.

Амплитудная характеристика.

Т ипичная зависимость выходной мощности и коэффициента усиления от уровня входной мощности приве­дена на рис. 4.3. Начальный участок линеен. С увеличением входной мощ­ности наступает насыщение, вызван­ное смещением сгустка в область ну­левого значения поля.

Рис. 4.3

Коэффициент усиления ЛБВО имеет наибольшее значение на линейном участке характеристики, а электронный КПД – в её мак­симуме. Поэтому при работе ЛБВО в качестве входного усилите­ля слабого сигнала используют линейный участок; при работе в качестве выходного усилителя мощного сигнала – участок макси­мума КПД.

Коэффициент полезного действия.

Максимальное значение электронного КПД у ЛБВО наблю­дается в нелинейном режиме при не очень больших значениях па­раметра усиления и составляет сравнительно небольшую величину

(4.11)

Для увеличения КПД необходимо повышать сопротивление свя­зи замедляющей системы и увеличивать отношение .

Широко применяются два метода: метод изохронизма и ме­тод рекупирации электронов.

Метод изохронизма основан на применении замедляющих си­стем с переменным коэффициентом замедления, постепенно уве­личивающимся к выходу прибора (изохронные ЛЕВО).

В изохронных ЛБВО электроны, тормозясь в поле волны и те­ряя свою скорость, не смещаются в ускоряющий полупериод поля вследствие одновременного уменьшения фазовой скорости усили­ваемой волны. Это позволяет отобрать дополнительную кинети­ческую энергию у электронного потока и повысить выходную (по­лезную) мощность при прежней мощности источника питания.

Метод рекупирации электронов основан на их торможении пос­ле замедляющей системы в поле коллектора, для чего потенциал коллектора делают ниже потенциала замедляющей системы. Тор­можение приводит к возврату (рекупирации) части оставшейся ки­нетической энергии электронов электростатическому полю коллек­тора и уменьшению потерь на нагрев коллектора вследствие уменьшения кинетической энергии рассеяния электронов. Поскольку в пучке присутствуют электроны с различными скоростями, наибольшее уве­личение КПД достигается в секционированных коллекторах, где на секции подаются различные потенциалы. Степень допустимого по­нижения напряжения на коллекторе определяется распределением электронов по скоростям и ограничивается возможностью возник­новения обратной связи (за счет возвращающихся электронов), ко­торая приводит к нагреву замедляющей системы.

Частотная характеристика ЛБВО определяет зависимость выходной мощности (или коэффициента усиления) от частоты при фиксированном значении входной мощности. По этой характерис­тике можно определить ширину рабочей полосы частот ЛБВО, ко­торая в зависимости от добротности замедляющей системы со­ставляет от нескольких десятков до ста процентов средней часто­ты диапазона.

Фазовая характеристика ЛБВО определяет зависимость раз­ности фаз колебаний на входе и выходе ЛБВО от различных причин: частоты усиливаемых колебаний, изменения ускоряющего напряже­ния, тока пучка и т.д. По этой характеристике можно определить такие искажения широкополосных сигналов, усиливаемых ЛБВО, как изменение фазы сигнала на выходе в зависимости от его уровня на входе и появление в спектре выходного сигнала составляющих с частотами, кратными частотам усиливаемых сигналов.

Шумовые характеристики. Наиболее существенными в ЛБВО являются собственные шумы электронного потока. Эмис­сия с катода вызывает шумы в виде случайных изменений плотно­сти конвекционного тока и скоростей электронов (дробовой эффект). Уровень этих шумов зависит от конструкции электронной пушки, и для его снижения применяют электронные пушки специальной многоанодовой конструкции. Возникновение собственных шумов ЛБВО связано также с тепловыми шумами замедляющей системы, кото­рые пропорциональны абсолютной температуре. Для снижения этих шумов ЛБВО необходимо охлаждать, например, до температуры жидкого азота. Коэффициент шума современных промышленных ЛБВО 10-12 дБ, поэтому на частотах до 18 ГГц они вытесняются транзисторными усилителями.

Особенности применения и устройства ЛБВО.

Лампы бегущей волны типа О в зависимости от уровня вы­ходной мощности подразделяются на маломощные (до 1 Вт), сред ней мощности (до 100 Вт), большой мощности (до 100 кВт) и сверх­мощные (более 100 кВт). По режиму работы они бывают импуль­сного и непрерывного действия. В ЛБВО малой и средней мощно­сти применяют спиральные замедляющие системы, в мощных ЛБВО - цепочки связанных резонаторов. Маломощные ЛБВО при­меняются во входных усилителях, средней мощности - в про­межуточных усилителях, большой — в выходных усилителях мощ­ности СВЧ колебаний.