Цейтлин М.Б., Кац А.М. Лампа с бегущей волной

Подождите немного. Документ загружается.

Висимость сопротивления связи спиральной замедляю-1

щей системы от фазовой скорости. Анализ проведем дляi

изохронности, выведенной из условия постоянства раб!

стройки между начальной скоростью электронов и фазоЦ

вой скоростью возмщ

щенной волны.

На рис. V.48 и V.49]

представлены резуль-;

таты расчета для зна|

чений параметров I

='1,б; —=0,5. Пунктир-j

ными линиями приведе-j

ны результаты, полу-|

ченные в приближении':

однородной замедляю--

щей системы. На рис.1

V.48 представлена зЩ

висимость к. п. д. изо-!

•кронной ЛБВ от пара-

метра усиления для

<7=1. 'Видно, что учет);

н ео д н о р о д н ост и з а м е д\

ляющей системы приво-

дит к несколько мень-/

шим значениям к. п. д.;|

однако погреш н ость,,

получаемая при йополь-*;

зовании уравнения воз-1

буждения однородной линии, невелика. То же относит-

ся и к зависимости параметра несинхронности от длины

участка взаимодействия. Эта зависимость представлена

на рис. V.49. Длина, на которой достигается максималь-'

ная выходная мощность, одинакова для однородной и

неоднородной систем.

Анализ работы изохронной ЛБВ показал, что воз|

можно существенное повышение к. п. д. прибора путем

изменения фазовой скорости волны вдоль системы. Одна-|

ко это увеличение к. п. д. наблюдается только для зна-

чения параметра несинхронности, соответствующего ^ма-

ксимальному усилению в линейном режиме. При боль^

ших значениях параметра несинхронности введение изо|

хронности не приводит к увеличению к. п. д. К такому^

.244

/ А

—

/ /

(

0,05

0,1 0,15

Рис. V. 48. Зависимость к.п.д. изохрон-

ной ЛБВ от параметра усиления;

<7=1.

Пунктирной кривой показана та же зави-

симость, полученная в приближении одно-

родной замедляющей системы.

Же выводу «пришли авторы работы (12], в kofopoft иЗО*

хронность вводится на основании рассмотрения «жест*

кого» сгустка, находящегося в фазе с максимальным

тормозящим ВЧ полем, не деформирующегося в процес-

се своего движения.

В '§ V.4 показано, что можно получить существенное

увеличение <к. п. д. ЛБВ, увеличивая параметр несин-

. X у

/у

0 12 3 4 5 6 0

Рис. V.49. Зависимость параметра .несинхронности изохронной

ЛБВ от длины участка взаимодействия; ЩШ С=0,1.

Пунктирной кривой показана та же зависимость, полученная в при-

ближении однородной замедляющей системы.

хронности (т. е. скорость электронов). Сравненье ре-

зультатов расчета к. п. д. изохронной ЛБВ с результа-

тами, приведенными в § V.3, показывает, что к. п. д.

у изохронной ЛБВ не выше, чем к. п. д. ЛБВ, работаю-

щей при больших значениях параметра несинхронности.

Поэтому введение изохронности имеет смысл только для

увеличения коэффициента усиления (или уменьшения

длины замедляющей системы) при максимальном к. п. д.

Действительно, для того чтобы получить максимальный

к. п. д. при увеличении параметра несинхронности, не-

обходимо либо увеличить длину замедляющей системы

при постоянном уровне входного сигнала, либо увели-

чить уровень входного сигнала при постоянной длина

.245

Замедляющей системы, что приводит к уменьшению ко-

эффициента усиления в режиме насыщения. При вве-

дении изохронности длина, при которой наступает на-

сыщение и достигается максимальный к. н. д., равна

максимальной длине насыщения (для данного уровня

входного сигнала), которая получается для значения

параметра несинхронности, соответствующего макси-

мальному усилению в линейном режиме.

Повышение коэффициента полезного действия путем

торможения электронов в коллекторе

Низкий коэффициент полезного действия ЛБВ в зна-

чительной степени обусловлен недостаточно эффектив-

ным торможением электронов в участке взаимодействия,

в результате чего «отработавшие» электроны сохраняют

еще значительную кинетическую энергию, бесполезно

рассеиваемую на коллекторе. Повышение к. п. д. ЛБВ

может быть достигнуто за счет торможения «отработав-

ших» электронов в постоянном электрическом поле кол-

лектора. Такое торможение электронов может быть по-

лучено при. понижении потенциала коллектора относи-

тельно потенциала замедляющей системы. При этом

выходная мощность ЛБВ не изменяется, но уменьшает-

ся потребляемая мощность (т. е. мощность источников

питания), что приводит к увеличению полного >к. п. д.

прибора.

Полный к. п. д. прибора, определяется формулой

где U{ — потенциал (относительно катода) /-го электро-

да, потребляемого ток 1%.

В ЛБВ весь ток в основном идет на коллектор. По-

этому, естественно, что чем ниже потенциал коллектора,

тем меньше мощность источников питания и тем выше

полный к. п. д. Однако при значительном понижении

потенциала коллектора электроны, отдавшие -кинетиче-

скую энергию СВЧ полю, могут не попасть на коллек-

тор. Действительно, если разность" потенциалов между

.246

(V.48)

замедляющей системой и коллектором больше умень-

шенной скорости электронов в пучке, выраженной

в вольтах, то эти электроны не смогут пройти потен-

циальный барьер между замедляющей системой и кол-

лектором. Возврат электронов из коллектора в про-

странство взаимодействия может привести к самовоз-

буждению ЛБВ.

Таким образом, понижение потенциала коллектора

ограничивается началом «выброса» наиболее замедлен-

ных электронов, имеющих наименьшую кинетическую

энергию, из зазора между пространством взаимодей-

ствия и коллектором. Поэтому для определения макси-

мально возможного к. п. д. следует найти распределе-

ние электронов по скоростям после выхода их из про-

странства взаимодействия. Спектр электронов по ско-

ростям может быть найден из решения основных урав-

нений нелинейной теорий (IV.20), (IV.21) и (IV.35). На

рис. 50,а, б ив представлена зависимость отношения

тока коллектора /

к полному току /

от относительной

разности потенциалов на замедляющей системе U

и на

коллекторе Щ для различных значений пространствен-

ного заряда. Зависимость построена для значения С=

=0,1. Каждая пара кривых (рис. V.50,a, бив) соответ-

ствует режимам максимального усиления (кривые 1) и

максимального »к. п. д. (кривые 2) при постоянном уров-

не входного сигнала. Распределение скоростей электро-

нов в пучке рассматривалось в точке, соответствующей

насыщению. Эти кривые позволяют определить мини-

мально возможный потенциал коллектора, при котором

все электроны попадают на коллектор. Из кривых видно,

что для малых значений q небольшое изменение потен-

циала коллектора вблизи его минимального значения

сильно уменьшает ток коллектора. Это обусловлено тем,

что для малых q большое число электронов имеют оди-

наковую скорость. С увеличением q разброс скоростей

электронов увеличивается и кривые становятся более

пологими. Зная минимально допустимое значение потен-

циала коллектора можно вычислить максимальное уве-

личение к. п. д. при понижении потенциала коллектора

по формуле

Ч,

.247

На рис. V.51 дана зависимость полного к. п. д. ЛБВ

от параметра пространственного заряда для

= 0,1.

Кривая 1 построена для значения параметра несинхрон-

л.

0.9

0.7.

0.5

0.3

0.1

9Ы

а)

1о.

0.9

«7

0.5

0.3

0.1

б) I

Рис. V.50,a, б, в. Зависимость отношения тока

сти потенциалов на замедляющей

а) 7-0,5; б)

<7=1;

ности, соответствующего максимальному усилению, кри-

вая 2 соответствует режиму максимального к. п. д.

При построении кривых кроме графиков рис. 50,а, б

и в были использованы графики рис. V.5 и V,?7. Сопо-

.248

ставление этих кривых показывает, что для больших

значений С выигрыш в Щ а. д. при понижении потенциа-

ла коллектора мал.

Анализ спектра скоростей, приведенный на рис. V.50,

показывает, Ш) можно осуществить более эффективный

отбор отработанных электронов и, следовательно, по-

высить полный к. п. д. ЛБВ, если применить многоэлек-

тродный коллектор и на каждый электрод подать соот-

ветствующий потенциал *. При этом минимальный по-

тенциал первого электрода подбирается таким, чтобы не

допустить обратного движения и оседания электронов

на замедляющую систему. Для получения максимально-

го к. п. д. следует значения потенциалов на электродах

коллектора подбирать таким образом, чтобы знамена-

тель правой части соотношения (V.48) был минималь-

ным. При этом, естественно, надо учесть распределение

скоростей электронов,' т. е. воспользоваться кривы-

ми на рис. V.50. На рис. V.52 представлена зависи-

мость оптимальных потенциалов электродов для одно-

коллектора к току пучка от относительной разно-

системе и на коллекторе; 0=0,'1.

в) <7=2.

* Возможность повышения к. п. д. клистрона путем торможения

электронов в многоэлектродном коллекторе исследована в диссерта-

ции И. Р. Геккера [13].

.249

двух- й трёхсвкЦйОннОго коллектора От прострайствёй-

ного заряда. На рис. V.53 представлена зависимость то-

ка, приходящегося на каждую секцию при оптимальном

значении потенциала от пространственного заряда. Кри-

Рис. V.51. Зависимость полного к. п. д.

от параметра пространственного заря-

да; С=0,1.

Кривая 1 соответствует режиму максималь-

ного усиления; кривая 2

—

режиму макси-

мального к. п. д.

электронов по скоростям (рис. V.50) при минимизации

правой части соотношения (V.48). При этом предполага-

лось, что ток на замедляющую систему равен нулю. На

рис. V.54 дана зависимость максимального полного

к. п. д. от пространственного заряда для одно-, двух- и

трехсекционного коллектора. Увеличение к. п. д.

ЛБВ при использовании многосекционного коллектора

.250

Рис. V.52. Зависимость оптимальных потенциалов

электродов коллектора от пространственного заряда.

Римскими цифрами указано число электродов коллектора.

!ж

0,9

0,6

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Рис. V.53. Зависимость отношения тока на

каждую секцию коллектора к току пучка от

пространственного заряда.

Римскими цифрами указано число электродов кол-

лектора.

n=f(I)

ff N

N \

—

0,5 1 щ г о

рассчитано также в работе 114]. При этом была исполь-

зована кривая распределения электронов по скорости,

экспериментально полученная Катлером [15].

Рис. V.54. Зависимость максималь-

ного полного к. 'п. д. ЛБВ с ,много-

электродным коллектором от про-

странственного заряда.

Приведенный анализ показал, что метод повышения

к. п. д. ЛБВ путем торможения электронов в коллекто-

ре является достаточно эффективным. При использова-

нии трехсекц-ионных коллекторов значения к. п. д. ЛБВ

в достаточно широком интервале изменения параметров

прибора сравнимы с к. п. д. усилителей М-типа.

.253