Приемно-передающие устройства радио­технических систем: Учебное пособие, страница 12

Если бы в системе оставить только выходное устройство, ана­логичное входному, то проходя его, электроны отдали бы ему свою энергию, уменьшив радиус движения и наводя в нем колеба­ния сигнальной частоты. Таким образом, получилась бы пассивная линия передачи с последовательным преобразованием энергии сигнала в кинетическую энергию потока и обратно.

Описанный процесс не является процессом усиления колебаний сигнала. Энергия циклотронной волны равна затраченной на ее образование энергии сигнала с учетом энергии потерь во входном устройстве.

Для усиления циклотронной волны необходимо увеличить ра­диус вращения электронов. Тогда энергия волны возрастет про­порционально квадрату радиуса. Увеличение радиуса движения электронов можно получить, увеличивая скорость движения их по окружности. Тогда в силу постоянства угловой скорости радиус движения будет возрастать. С этой целью используется попереч­ное переменное электрическое поле накачки, ускоряющее электроны и вращающееся с той же скоростью, что и электроны.

Для обеспечения линейного усиления необходимо, чтобы ампли­туда напряженности усиливаемого поля возрастала линейно по мере удаления от оси электронной спирали, т. е. пропорционально радиусу. Такое поле можно создать с помощью четырехполюсного (кадрупольного) конденсатора, пластины которого имеют попереч­ное сечение в виде гиперболы. Противоположные пластины кон­денсатора соединены между собой и к ним приложено напряжение накачки   (рис.  2.14).

            Частота напряжения накачки выбирается равной удвоенной циклотронной частоте.

            Амплитуда напряженности поля накачки в любой точке между пластинами  равна:

где— амплитуда напряжения накачки на пластинах;  — расстояние от оси конденсатора до пластин;  — радиус движения  электрона.

Рассмотрим движение электрона, вошедшего в область между пластинами и имеющего начальную траекторию в виде спирали, ось которой совпадает с осью квадрупольного конденсатора, а на­чальный радиус равен r0. Предположим, что электрон войдет в про­странство между пластинами в точке А в момент, когда поле для этого электрона будет ускоряющим. В этом случае он будет про­должать движение по спирали с увеличенной скоростью. При по­стоянной угловой скорости это приведет к увеличению радиуса движения электрона. Через четверть периода циклотронной частоты электрон переместится на четверть оборота и окажется в точке В. Но так как частота накачки в два раза выше циклотронной часто­ты, то электрон снова окажется в ускоряющем поле.

Таким образом, электрон все время остается в ускоряющем электрическом поле накачки, увеличивая свой радиус вращения Электрон выходит из области квадрупольного конденсатора, дви­гаясь   по   спирали,   но   со   значительно   большим   радиусом:

Если электрон войдет в область квадрупольного конденсатора в точке С (рис. 2.14), то он окажется в тормозящем электрическом поле. Радиус вращения такого электрона будет убывать и из об­ласти квадрупольного конденсатора он войдет, двигаясь по спирали с меньшим  радиусом

Поскольку вероятность входа электрона в область квадруполь­ного конденсатора с ускоряющим полем и тормозящим полем оди­накова, то половина электронов будет увеличивать свой радиус вращения, а половина уменьшать. Следовательно, окончательный эффект увеличения кинетической энергии электронов определяет­ся средним радиусом

Средний радиус вращения всегда будет больше начального r.

Процесс увеличения радиуса циклотронного движения электро­нов является параметрическим. Вращающийся с циклотронной частотой электронный поток можно рассматривать как колеба­тельный контур, настроенный на частоту сигнала. Энергоемким параметром такой колебательной системы является ее радиус вращения, увеличивающийся при взаимодействии электронов в луче с неоднородным поперечным вращающимся с гой же часто той  полем  накачки  квадрупольного  конденсатора.

Процесс увеличения радиуса циклотронного движения электро­нов может быть достигнут и в случае подачи на квадрупольный конденсатор постоянного напряжения. Однако при этом не­обходимо пластины конденсатора разрезать перпендикулярно оси и повернуть отдельные части с шагом, равным периоду циклотрон­ной частоты. В этом случае по мере продвижения электрона через область квадрупольного конденсатора он будет постоянно нахо­диться  в ускоряющем  поле.

Такой механизм усиления реализуется в электростатическом параметрическом усилителе (ЭСУ). Достоинством ЭСУ является отсутствие генератора  накачки. Технические параметры обоих типов усилителей одинаковы.

Отвод усиленного сигнала осуществляется с помощью выход­ного устройства. Электроны, движущиеся между пластинами кон­денсатора выходного контура, наводят на его пластинах ЭДС. В результате в контуре возникает переменный ток с частотой сигнала, и между пластинами возникает электрическое поле, которое является тормозящим для движущихся в нем электронов. Элек­троны отдают энергию электрическому полю и уменьшают радиус своего движения. Для отвода электронов, вышедших из выходного контура,  ставится  коллектор.

Основные параметры ЭГ1У. Диапазон рабочих частот — 0,6...6 ГГц. Коэффициент усиления мощности определяется элек­тронным коэффициентом усиления мощности (Крэ), коэффициен­тами полезного действия входного устройства µвх) и выходного устройства (µвых):

Практически  КР  составляет величину 20...26 дБ. Полоса пропускания ЭПУ в основном определяется свойствами входного устройства

где—оптимальная нагруженная добротность входного резонатора, равная его длине в электронных волнах.

В современных ЭПУ полоса пропускания составляет (1...10)% от рабочей  частоты.  Коэффициент  шума — 1,2...2.

Малый коэффициент шума ЭПУ достигается тем, что на уровень его собственных шумов почти не влияет дробовой эффект. Это объясняется тем, что процесс усиления не связан с плотностью электронного луча, а определяется только наличием поперечной составляющей скорости электронов.