Лампа бегущей волны. Принцип работы ЛБВ О-типа. Теория ЛБВ в режиме малого сигнала, страница 4

Усиление ЛБВ характеризуется положительной мнимой частью x₂(y) – верхним графиком из точек на данном рисунке. Крайняя левая точка зоны усиления соответствует отрицательной величине параметра , где электроны перестают сгущаться в тормозящем поле. Это объясняется тем, что, при наличии тока пучка, волны в замедляющей линии замедляются добавочной реактивностью от тока пучка, сгущающегося вокруг нулей продольной напряженности E_z поля. Наибольшая величина мнимой части  достигается при  и в диапазоне , таким образом, зона скоростей электронного потока для усиления . Поскольку параметр усиления (Пирса) ограничен по величине  Скорость электронов пропорциональна корню ускоряющего напряжения , поэтому соответствующий диапазон допустимого ускоряющего напряжения  примерно в два раза больше и составляет 10%¸20% .

Частотные зависимости и коэффициент усиления

Рассмотрим частотные зависимости и коэффициент усиления G. Коэффициент усиления, как мы выяснили, определяется параметром Пирса . Волновое сопротивление связи   определяется через продольное поле линии E_z в области взаимодействия с пучком : , отсюда можно написать . Через мощность бегущей волны в линии  получаем выражение  для сопротивления связи , из которого видно, что оно растет с квадратом длины волны в замедляющей системе l.  Значит параметр Пирса возрастает в степени 2/3 от l. Однако второй фактор усиления – количество длин волн, укладывающихся по длине области взаимодействия, уменьшается обратно пропорционально l. Кроме того, фазовая скорость может меняться в зависимости от частоты (слабо растет с ростом l). В результате ЛБВ оказывается самым широкополосным усилителем СВЧ с полосой усиления порядка октавы

Амплитудные характеристики ЛБВ

Мы провели анализ линейной части характеристики ЛБВ. Нелинейные эффекты приводят к ограничению коэффициента усиления G величинами порядка 30дБ¸50дБ   и выходной мощности величинами, соответствующими КПД порядка 10%¸15%. Если изменять фазовую скорость или скорость электронов вдоль системы, то можно увеличить КПД до величин вплоть до 50% ценой уменьшения диапазонов усиливаемых сигналов.

Элементы конструкции ЛБВ

1.  Замедляющая система

2.  Ввод и вывод СВЧ сигнала

3.  Антипаразитный поглотитель СВЧ

4.  Электронно – оптические и фокусирующие системы

1). Замедляющая система.

Основные характеристики: Замедление , (m > 0 !), сопротивление связи . В этом разделе рассматриваем “холодные” параметры , ,  .

Кроме того, важное значение часто имеет дисперсионная характеристика замедляющей системы – зависимость фазовой скорости от частоты, и, соответственно, скорости распространения сигналов – групповой скорости. Групповую скорость можно определить, как скорость перемещения пучности огибающей суммы двух волн очень близкой частоты и одинаковой амплитуды.

Из соотношений , ,  путем дифференцирования

 выражаем групповую скорость через зависимость фазовой скорости от частоты. При наличии дисперсии фазовая скорость является функцией частоты (не постоянна, как, например, скорость света в вакууме), и групповая скорость не равна фазовой, то есть . Как в оптике, случай  принято называть нормальной дисперсией (при росте частоты коэффициент замедления растет, а фазовая скорость падает), а случай  - аномальной дисперсией , (при росте частоты коэффициент замедления падает, а фазовая скорость растет). При этом групповая скорость (распространение энергии, сигнала) может быть направлена в ту же сторону, что фазовая скорость – в технике СВЧ это называют положительной дисперсией, и в  противоположную сторону по отношению к фазовой скорости, что называется отрицательной дисперсией и  используется в ЛОВ.