ЭП СВЧ с распределенным взаимодействием

3.1. Лампы бегущей волны типа «О»

ЭП типа ламп бегущей волны типа «О» (ЛБВ-О) были предложены для расширения полосы частот усиления сигналов СВЧ. Это возможно осуществить, если сформированный сгусток электронов (импульс конвекционного тока) будет достаточное время двигаться в тормозящей фазе продольной электрической составляющей электромагнитного поля бегущей волны с одинаковой с ней скоростью (синхронизм). Поскольку использование околосветовых скоростей волны и электронного потока нецелесообразно из-за высоких напряжений для разгона электронов, то для взаимодействия электронов и волны используют замедляющие системы с коэффициентом замедления

>>1, (3.1)

где с – скорость света, υ_фк – фазовая скорость к-й прямой (или обратной – для лампы обратной волны ЛОВ-О) пространственной гармоники, распростра-няющейся при данной частоте сигнала, при этом υ_фк << с.

Указанное взаимодействие электронов и электрической составляющей пере-менного электромагнитного поля волны будет происходить хотя и в широкой, но ограниченной полосе частот, поскольку, во-первых, скорость электронов умень-шается ввиду отдачи ими энергии волне и торможении, и синхронизм нарушается, а во-вторых, фазовая скорость волны (пространственной гармоники) в замедляю-щих системах (ЗС) зависит от частоты. Для основной (нулевой) пространственной гармоники в полосе пропускания ЗС υ_фо уменьшается с частотой (рис. 3.1) – имеет место нормальная дисперсия (n_зам растет), а для минус первой обратной пространственной гармоники её υ_ф-1 с ростом частоты увеличивается (аномальная дисперсия, n_зам уменьшается). Прямые и обратные гармоники с большими номера-ми в электронике СВЧ не используются из-за малой амплитуды поля Е_mz.

Рис. 3.1. Дисперсионные характеристики ЗС

Амплитуда поля гармоники Е_mz в ЗС характеризуется сопротивлением связи, т.е. отношением эквивалентного продольного напряжения U_mz поля ЗС на оси z потока электронов к амплитуде продольной составляющей переменного тока I_mz в ЗС за счет проходящей через ЗС мощности Р_~ СВЧ [1]:

R_св= = /2Р_~= /β²2Р_~ (3.2)

Сопротивление связи R_св в ЗС зависит от её конструкции и влияет на коэф-фициент усиления в усилителях и амплитудное условие самовозбуждения в автогенераторах. Здесь − постоянная распространения гармоники в ЗС, Е_mz – напряженность продольной составляющей электрического поля.

В ЛБВ-О организовано взаимодействие усиливаемого сигнала в виде бегу-щей волны, распространяющейся вдоль спиральной или иной ЗС со скоростью υ_фо в том же направлении, что и электронный поток, ускоренный до скорости υ_о, приближенно равной υ_фо. Равномерный электронный поток, проходя в начале ЗС с υ_о = υ_фо, будет модулироваться по скорости, образуя через некоторое время сгустки электронов в месте перехода знака амплитуды волны Е_mz через ноль с положительного (ускоряющего электроны) значения к отрицательному (тормозя-щему). Сформированный в районе нуля поля сгусток не будет взаимодействовать с волной. Очевидно, что для возникновения режима отдачи сгустками энергии необходимо, чтобы они сместились в область тормозящей (отрицательной) фазы электрической составляющей Е_mz поля волны. Для этого необходимо, чтобы оптимальным образом было

υ_о > υ_фо . (3.3)

Необходимое значение υ_о обеспечивается регулировкой ускоряющего напря-жения U₀, а величина тока пучка I₀, а значит, и выходная мощность ЛБВ-О регу-лируется управляющим напряжением. В более мощных ЛБВ-О роль управ-ляющего электрода выполняет первый анод, а ускоряющего электрода – второй. Чтобы на электроны при влете в ЗС не действовали постоянные потенциалы, вто-рой анод соединен с ЗС, а последняя – с коллектором, предназначенным для сбора электронов (рис. 3.2). Для безопасности коллектор всегда заземлен (соединен с корпусом).

Рис. 3.2. Электрическая схема включения ЛБВ-О

В ЛБВ-О входит также подогреватель П катода К, создающего эмиссию электронов, фокусирующих электрод Ф, пакетированная магнито-периодическая система М, вход и выход СВЧ-сигнала. Стрелка вдоль ЗС показывает направление распространения энергии волны (направление групповой скорости υ_гр). В ЗС ЛБВ-О вблизи середины помещается поглощающая вставка 10÷15 дБ для предотвращения самовозбуждения лампы за счет отражённого от не полностью согласованного выхода СВЧ-сигнала.

Анализ работы ЛБВ-О достаточно сложен. Из него получено теоретическое значение коэффициента усиления для этой лампы:

K_у = 47,3 CN – D – A₀, (3.4)

где С = – параметр усиления (параметр Пирса); I₀ – ток пучка; U₀ – уско-ряющее напряжение; R_св – сопротивление связи; N = – количество замедлен-ных длин волн, укладывающихся в ЗС (N = 10÷30); D – затухание, вносимое пог-лощающей вставкой; A₀ – потери на входе за счет возбуждения в ЗС волн со скоростями, отличающимися от υ_фо.

Электронный КПД η_э ЛБВ-О пропорционален (коэффициент пропорциональ-ности близок к единице) параметру усиления С, значение которого у маломощных ЛБВ-О составляет 0,02÷0,03, а у мощных – до 0,1 (режим линейного усиления). В нелинейном режиме электронный КПД ЛБВ-О η_э = может достигать значе-ния 15÷20 %. Для повышения η_э можно разделить цепи малого и большого токов: замедляющую систему (со вторым анодом) и коллектор, запитав их от разных источников питания вплоть до понижения напряжения на коллекторе (отключен-ного от ЗС) до отрицательного напряжения катода. Такой метод повышения КПД называется рекуперационным и осуществляется для мощных ЛБВ-О, достигая значения 30÷40 %.

Рабочие характеристики ЛБВ-О включают в себя амплитудную (рис. 3.3), амплитудно-частотную (АЧХ) (рис. 3.4), анодную (рис. 3.5) и управляющую (рис. 3.6, а,б). Амплитудная характеристика ЛБВ-О похожа на аналогичную характеристику усилительного пролетного клистрона (рис. 2.2, б). Усиление АМ-сигналов осуществляется на линейном участке характеристики, а ЧМ и ФМ – на участке вблизи Р_{вх. опт} (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Амплитудная характеристика ЛБВ-О

При Р_вх < Р_{вх. опт} в ЛБВ-О будет недогруппировка электронов вблизи выхода, при Р_вх > Р_вх – перегруппировка (растягивание сгустков), и Р_вых уменьшается.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ЛБВ-О у разных типов ламп может иметь полосу частот от 10 % до 1÷2 октав, а отношение верхней f_в и нижней f_н частот полосы усиления Неравномерность АЧХ обусловлена неидеальным согласованием выходного и входного вывода и ввода энергии СВЧ. Уменьшение коэффициента усиления К_ус с понижением частоты связано с понижением числа N в формуле (3.4). Дальнейшее достаточно быстрое уменьшение К_ус связано с увеличением υ_фо и прекращением процесса усиления на частоте f_minпри υ_фо = υ_о. Для возобновления усиления на данной частоте необходимо повысить напряжение U₀ до нового значения U_{0 опт}, при котором лампа усиливает оптимальным образом (рис. 3.4).

При повышении выше средней частоты полосы ∆f ЛБВ-О, несмотря на рост числа N в формуле (3.4), происходит уменьшение сопротивления связи R_св в выражении для С, а также нарушение из-за дисперсии υ_фо оптимального её соотно-шения со скоростью электронного потока υ_о. Ввиду отдачи энергии сгустками их скорость υ_о уменьшается и оптимальный синхронизм нарушается. Для его сохра-нения по всей длине ЗС последнюю можно выполнить с возрастанием коэф-фициента замедления n_зам по длине, что позволяет реализовать сверхшироко-полосные ЛБВ-О.

Рис. 3.4. АЧХ ЛБВ-О

Анодная характеристика позволяет подобрать оптимальное значение U_{0 опт} для конкретного узкого диапазона частот ∆f_вхили для f_ср(рис.3.5).

Рис. 3.5. Анодная характеристика ЛБВ-О

Форма управляющей характеристики зависит от типа управляющего электрода. В маломощных ЛБВ-О управляющий электрод подобен управляющей сетке в электронных лампах, когда управление током пучка осуществляется изме-нением отрицательного напряжения на сетке (рис. 3.6, а). В мощных ЛБВ-О управление током пучка осуществляется изменением напряжения положительной полярности на первоманоде, который эквивалентен экранирующей сетке в тетро-де или пентоде (рис. 3.6, б)

а) б)

Рис. 3.6. Управляющие характеристики для маломощных (а) и мощных (б) ЛБВ-О

Применение находит несколько конструкций ЛБВ-О.

1. Сверхмалошумящие для радиоприемников СВЧ с коэффициентом шума

К_ш=10lg =4÷8 дБ, (3.5)

где Р_с и Р_ш − мощности сигнала и шума соответственно на входе и выходе ЛБВ-О. Их выходная мощность составляет 0,1 ÷ 10 мВт. Для снижения шумов за счет флюктуации скоростей электронов и перехвата электронов электродами и ЗС обычно добиваются более узкой фокусировки пучка в ЗС магнитной системой и снижают температуру катода.

2. Маломощные ЛБВ-О дают выходную мощность от одного до нескольких десятков Вт в непрерывном режиме и используются для систем радиорелейной связи. Здесь одно из направлений совершенствования – миниатюризация, напри-мер, «карандашная» конструкция с вводом и выводом СВЧ в торцах соосно с лампой или реализация дисковидной конструкции со спиральным расположением ЗС и применением печатных плат из керамики.

3. ЛБВ-О средней мощности (сотни Вт–единицы в непрерывном и десятки кВт в импульсном режимах) используются как для систем связи, так и в качестве предварительных усилителей для мощных ЛБВ-О.

4. Мощные ЛБВ-О имеют максимальные мощности сотни кВт в непрерывном режиме и единицы МВт в импульсном. Обычно их полоса частот составляет 10÷20 %, так как в них обычно используются более узкополосные неспиральные ЗС (типа цепочек связанных резонаторов, гребенчатых и других ЗС).

Для спутниковой связи ЛБВ-О встраиваются в модули, содержащие источни-ки питания и развязывающие устройства на входе и выходе, системы защиты от перезагрузок для ЛБВ-О. Для маломощных ЛБВ-О масса такого модуля состав-ляет единицы килограмм при максимальном размере единицы дециметров. В отличие от полупроводниковых усилителей СВЧ ЛБВ-О почти нечувствительны к проникающему излучению космоса и надежны в работе.