Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности работы релятивистской лампы обратной волны вблизи порога возбуждения 15
1.1. Общие свойства и математическая модель релятивистской ЛОВ 15
1.2 Работа релятивистского ЛОВ-генератора 23
1.3 Работа релятивистской ЛОВ в режиме усиления 41
1.4 Работа релятивистской ЛОВ в режиме захвата генерации внешним сигналом 50
Глава 2. Высокочастотные шумы электронных потоков и их влияние на работу релятивистской лампы обратной волны 53
2.1 Особенности инжекции электронов в процессе взрывной эмиссии и основные характеристики дробового «эктонного» шума 54
2.2 Влияние собственных шумов электронного потока на работу релятивистского ЛОВ-генератора 59
2.3 Влияние собственных шумов электронного потока на работу релятивистской ЛОВ в режиме усиления 65
Глава 3. Экспериментальное исследование переходных процессов в релятивистской ЛОВ вблизи порога возбуждения
3.1. Условия эксперимента 74
3.2. Работа в режиме возбуждения 78
3.3 Работа в режиме усиления 8 2
3.4. Жесткое возбуждение ЛОВ 86
Глава 4. Микроволновые усилители на основе релятивистской ЛОВ 88
4.1 Введение. Секционированные усилители на основе релятивистской лампы обратной волны 88
4.2 Усилитель на основе каскадного соединения двух релятивистских ЛОВ 92
4.3. Линейное усиление 95
4.4 Нелинейное усиление 102
Заключение 116
Список литературы
- Работа релятивистской ЛОВ в режиме усиления
- Влияние собственных шумов электронного потока на работу релятивистского ЛОВ-генератора
- Работа в режиме усиления
- Усилитель на основе каскадного соединения двух релятивистских ЛОВ
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Лампы обратной волны (ЛОВ) явились исторически первым
эффективным микроволновым генератором с сильноточным релятивистским
электронным пучком [1],[2]. В них электронный пучок взаимодействует с
замедленной гармоникой электромагнитной волны периодических
волноводов с плавной неглубокой гофрировкой боковых стенок, причем
фазовая скорость волны близка к скорости электронов, а групповая скорость
направлена навстречу электронному потоку. Благодаря первому условию
электроны в процессе движения подвергаются эффективному,
накапливающему действию поля волны, группируются в сгустки, и возникает высокочастотная составляющая тока. И, поскольку групповая скорость волны направлена навстречу электронному потоку, в системе обеспечивается наличие внутренней обратной связи, что приводит к возможности развития автоколебаний. Благодаря механизму внутренней обратной связи ЛОВ обладает высокой адаптивностью к изменениям параметров электронного пучка и малым временем установления генерации.
С момента первой реализации было разработано множество модификаций релятивистской ЛОВ с целью повышения выходной мощности, КПД и электропрочности. В частности, были предложены ЛОВ с переменным импедансом связи [3] и фазовой скоростью [4]; ЛОВ с модулирующим резонатором на входе в пространство взаимодействия [5,6] (в этих вариантах были достигнуты рекордные для релятивистской ЛОВ уровни мощности 4-6 ГВт в 3-см диапазоне длин волн). Также были реализованы ЛОВ с брэгговскими отражателями для оптимизации поперечной структуры выходного излучения [7] и ЛОВ, работающие на эффекте сверхизлучения, пиковая мощность в которых может превышать мощность электронного потока [8]. И по сей день релятивистская ЛОВ остается одним из самых распространенных источников мощного СВЧ излучения.
В подавляющем большинстве случаев релятивистская ЛОВ используется как автогенератор. Вместе с тем, для решения таких задач как радиолокация высокого разрешения или ускорение частиц в суперколлайдерах, особый интерес представляют источники мощного СВЧ излучения с управляемой частотой и фазой выходного сигнала. Известно, что управление параметрами выходного излучения может быть осуществлено либо в режиме усиления внешнего сигнала, либо в режиме синхронизации частоты. Также важно отметить возможность когерентного суммирования нескольких синфазных генераторов с одинаковыми начальными условиями, определяемыми, например, идентичным фронтом импульса ускоряющего напряжения [9]. Однако полноценное управление частотой и фазой выходного излучения возможно лишь под действием внешнего управляющего сигнала.
Использование релятивистской ЛОВ под воздействием внешнего электромагнитного сигнала затруднено в силу нижеперечисленных причин.
Короткоимпульсный режим работы. Длительность импульса мощных релятивистских электронных пучков, как правило, составляет величину порядка нескольких сотен периодов высокочастотных колебаний, что может оказаться сравнимым с временами переходных процессов, протекающих в ЛОВ. Особо заметно это сказывается при использовании ЛОВ в режимах управления параметрами выходного излучения (усиление и захват частоты) в силу присущих им больших времен переходных процессов, обусловленных узкой частотной полосой усиления/влияния внешнего сигнала.
Существенное отличие характерной мощности выходного сигнала сигнала ( - Вт) и мощности сигнала, подаваемого на вход прибора, которая обычно не превышает Вт (при использовании традиционных источников электромагнитного излучения). Это означает, что амплитуда внешнего сигнала может оказаться недостаточной для того, чтобы оказать значимое влияние на работу прибора.
Нестационарность параметров электронного потока. В первую очередь она вызвана расширением области прикатодной плазмы, проводящим к увеличению диаметра пучка во время работы прибора. Немаловажную роль при реализации неавтономных режимов работы играют излучение переднего фронта импульса тока и наличие собственных шумов в системе, связанных с использованием взрывоэмиссионных катодов. Они порождают ограничения на минимальный уровень входного сигнала, различимый на их фоне, и, следовательно, способного оказать сколь-либо значимое влияние на работу прибора.
Поэтому, несмотря на упоминание в литературе о реализации режимов усиления [10],[11] и захвата частоты [12] в экспериментах, в этой области остается ряд спорных вопросов и нерешенных проблем. Так, в работе [12] наблюдался эффект синхронизации в ЛОВ с отражениями на концах, которой свойственны большие времена установления колебаний. Для синхронизации прибора даже при небольшой отстройке частоты (20 МГц) требовался существенный уровень внешнего сигнала (порядка 400 кВт на частоте 9.3 ГГц), труднодостижимый для традиционной микроволновой электроники. Кроме этого, длительность импульса генерации не превышала 40 нс, что затрудняло контроль совпадения столь близких частот. Для усилителей нерешенными проблемами остаются обеспечение устойчивой к паразитному возбуждению работы в комбинации с получением большого усиления и достижение приемлемого уровня КПД.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию динамики переходных процессов в релятивистской лампе обратной волны как в автономном режиме, так и под воздействием внешнего сигнала. В работе обсуждаются пути решения вышеперечисленных проблем, а также уделяется внимание задаче построения мощных усилительных систем на основе релятивистской ЛОВ.
Цели диссертационной работы
При выполнении диссертационной работы ставились следующие цели:
исследование особенностей установления колебаний в релятивистской ЛОВ, работающей вблизи порога возбуждения, в частности: разграничение различных сценариев установления генерации, выделение областей параметров, оптимальных для использования релятивистской ЛОВ в режимах управления параметрами выходного сигнала (усиление, захват частоты);
исследование механизмов возникновения высокочастотных шумов в интенсивных релятивистских электронных потоках и анализ их влияния на работу генераторов и усилителей на основе релятивистской ЛОВ;
исследование перспективной схемы релятивистского усилителя на основе каскадного соединения двух ламп обратной волны.
Научная новизна работы обусловлена полученными в ней
оригинальными результатами, перечисленными ниже.
-
Исследованы переходные процессы в релятивистской ЛОВ вблизи порога возбуждения. Проведен теоретический анализ: а) установления стационарной генерации в окрестности жесткого режима; б) жесткой нестационарной генерации, при которой реализуются автомодуляционные режимы работы ЛОВ; в) динамики ЛОВ-усилителя. Экспериментально реализованы режимы усиления внешнего сигнала и жесткого возбуждения ЛОВ-усилителя, подтверждена возможность ускорения старта в релятивистской ЛОВ под воздействием внешнего сигнала.
-
Проведен анализ одного из механизмов возникновения высокочастотных шумов интенсивных электронных потоков, формируемых взры-воэмиссионными катодами. Выполнена оценка основных энергетических характеристик шумовой компоненты электронного потока и исследовано ее влияние на работу релятивистской ЛОВ. Проведены оценки а) скорости установления колебаний в ЛОВ-генераторах; б) минимального уровня входного сигнала, необходимого для устойчивой работы ЛОВ-усилителя.
-
Предложена перспективная схема релятивистского усилителя на основе каскадного соединения двух ЛОВ. Проведен параметрический анализ этой схемы с целью получения большого усиления (>35 дБ) при приемлемом КПД (25%). Определены условия реализации устойчивого усиления и основные эффекты, ограничивающие коэффициент усиления.
Научная и практическая значимость диссертации
Проведенные исследования позволили определить основные эффекты, определяющие длительность переходных процессов в релятивистских ЛОВ.
Результаты анализа особенностей реализации режимов усиления и захвата частоты в релятивистских ЛОВ могут быть использованы при проектировании мощных усилительных систем на их основе.
Предложена перспективная схема релятивистского усилителя на основе каскадного соединения двух ЛОВ. Усилители с такими выходными характеристиками могут применяться для создания радиолокационных систем, а также для разработки ускорителей элементарных частиц нового поколения и высокочастотных ондуляторов для коротковолновых лазеров на свободных электронах.
Публикации и апробация результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на семинарах ИПФ
РАН. По материалам диссертации сделаны доклады на 13-й (2008) и 14-й
(2009) Нижегородской сессии молодых ученых, на Международной
конференции по электромагнитным волнам (Лозанна, 2008), на 14-й
Международной зимней школе-семинаре по электронике сверхвысоких
частот и радиофизике (Саратов, 2009), на 37-й Международной конференции
по плазменным наукам (Сан-Диего, 2009), на 4-й Евроазиатской конференции
по импульсным источникам EAPPC 2012 совместно с 19-й Международной
конференцией по мощным пучкам элементарных частиц BEAMS 2012
(г. Карлсруэ, Германия), на 20-й Международной конференции по мощным
пучкам элементарных частиц совместно с 41-й Международной
конференцией по физике плазмы ICOPS/BEAMS 2014 (г. Вашингтон, США).
Результаты, полученные в ходе выполнения исследования,
рекомендованы для представления в научный совет РАН в 2006 году. Проведенные исследования были отмечены стипендией им. академика Г.А. Разуваева в 2009 году, поощрительной грамотой на конкурсе молодых ученых ИПФ РАН в 2009 году.
Результаты исследований по теме диссертации отражены в 12 публикациях [А1-А12], включающих 5 статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах, 5 публикаций в сборниках тезисов всероссийских и международных конференций и 2 публикации в сборниках трудов международных конференций.
Личный вклад автора
Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.
В работах [А1] и [А2] автору принадлежит большинство результатов численного моделирования, а также физическая интерпретация результатов. Большая часть аналитических соотношений, позволяющих понять природу существования режима жесткой генерации в релятивистской ЛОВ, в работе [А3] была получена автором лично.
В работах [А4–А6] автором были рассчитаны характеристики шумов
электронного потока и доработана математическая модель для
моделирования влияния шумов на работу релятивистской ЛОВ. Автором
также было проведено исследование влияния шумов на работу ЛОВ-генераторов и усилителей.
Вклад автора в исследование каскадного усилителя на основе
релятивистской ЛОВ [А7-А9] является определяющим: им была произведена
оптимизация параметров и рассчитаны выходные характеристики
предлагаемой схемы.
В рамках экспериментальных исследований работы релятивистской ЛОВ под воздействием внешнего сигнала [А10-А12] автор выполнял расчеты параметров и разработку конструкций экспериментальных макетов, проводил обработку экспериментальных данных и интерпретацию полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту
-
В коротких релятивистских ЛОВ возможно жесткое возбуждение колебаний в режимах периодической и стохастической автомодуляции. Режим стационарной генерации при этом смещается ниже порога возбуждения.
-
Дробовой эффект, обусловленный дискретным характером взрывной эмиссии электронов, является одним из основных источников высокочастотного шумового излучения в релятивистских приборах черенковского типа.
-
Экспериментально продемонстрировано, что режим усиления в релятивистской ЛОВ реализуется в узкой частотной полосе (~0.5%), которая граничит с областями многочастотных режимов работы, обусловленными паразитным жестким возбуждением прибора. Получение большого усиления (~20 дБ) требует тонкой настройки и стабильных параметров электронного потока. Внешний электромагнитный сигнал может существенно сократить времена установления колебаний в релятивистском ЛОВ-генераторе.
-
Релятивистский усилитель на основе каскадного соединения двух ЛОВ, позволяет получить большое усиление (более 35 дБ) и высокий КПД (20%-25%). Основными факторами, ограничивающими усиление в системе, являются паразитное жесткое возбуждение секций электромагнитным сигналом и модулированным электронным потоком, а также большая чувствительность к значению параметра пространственного заряда.
Структура и объем диссертации
Работа релятивистской ЛОВ в режиме усиления
Одной из существенных особенностей релятивистской ЛОВ как автогенератора является возможность двух сценариев возбуждения прибора: мягкого и жесткого. При реализации мягкого режима возбуждения, амплитуда установившейся генерации зависит от рабочего тока следующим образом: при J Jst лампа покоится, а после превышения порога возбуждения амплитуда колебаний плавно (начиная с нуля) увеличивается с ростом рабочего тока. Отличительной чертой жесткого режима возбуждения является возможность существования стационарной генерации ниже порога возбуждения. Переход в эту область возможен либо путем возбуждения прибора в обычном режиме с последующим плавным уменьшением рабочего тока до значений ниже стартового, либо приданием системе начального возмущения, роль которого может играть, например, внешний электромагнитный сигнал. Кроме этого, для систем с жестким возбуждением характерен гистерезис: возникновение и исчезновение колебаний происходят при разных значениях рабочего тока, причем колебания появляются и прекращаются с различными и в обоих случаях конечными амплитудами.
Следует отметить, что возможность существования в ЛОВ режимов с жестким возбуждением автоколебаний, неоднократно отмечалась в литературе [29,30], однако, подробно специфика работы ЛОВ в окрестности жесткого режима до сих пор не рассматривалась. Вместе с тем, характерные параметры большинства релятивистских ЛОВ с большим КПД таковы, что в них оказывается возможным проявление жесткого режима возбуждения. Для исследования режимов работы релятивистской ЛОВ вначале удобно пользоваться стационарной моделью (1.2) с граничными условиями (1.4), так как решение в области жесткой генерации может оказаться двухзначным. На рисунке 1.2 представлена зависимость КПД прибора гі от параметра связи S для ЛОВ с различной длиной пространства взаимодействия. Здесь и далее параметр пространственного заряда а, если специально не оговорено, полагается равным нулю. Пунктирная вертикальная прямая определяет границу возбуждения, соответствующую условию CkST =1-57, которое может быть найдено, например, из решения линеаризованной системы (1.8) с граничными условиями (1.9) [3]. Здесь Sst - значение параметра связи, соответствующее стартовому току Jst. 12 О
Зависимость эффективности ЛОВ-генератора от параметра связи в окрестности стартового значения. Кривые 1, 2, 3 соответствуют значениям длины прибора , равным 1, 3, 5 Из рисунка 1.2 видно, что в зависимости от длины пространства взаимодействия, релятивистские ЛОВ могут быть разделены на два типа: приборы с мягким и жестким режимом возбуждения колебаний. Первый случай реализуется в достаточно длинных приборах (С, С =4). Для них характерно отсутствие генерации при S Sst, малая амплитуда выходного излучения вблизи порога возбуждения, которая плавно увеличивается вместе с ростом сопротивления связи (рисунок 1.2, кривая 3). Для коротких ЛОВ (С, С =4) возможен жесткий сценарий возникновения генерации (рисунок 1.2, кривые 1, 2). В них существуют решения при S Sst, зависимость КПД от параметра связи в этой области становится двузначной, причем, как и для всех систем с жестким возбуждением (см. например, [31]), устойчивым является решение с более высоким КПД. Переход к этому решению возможен из области мягкого возбуждения S Sst при плавном уменьшении тока пучка (рисунок 1.3) или с помощью начального возмущения внешним электромагнитным сигналом.
Так как для релятивистских ЛОВ оптимальная с точки зрения эффективности взаимодействия длина генератора составляет L 2 [25] (или в используемой нормировке СК К), то для этого класса приборов работа в окрестности области жесткого возбуждения оказывается вполне типичной.
Следует отметить, что «жесткая» форма зависимости (S) (кривые 1 и 2 на рисунке 1.2) обуславливает некоторые важные особенности в динамике генераторов. Прежде всего, в таких ЛОВ максимальная эффективность может быть достигнута уже при небольшом превышении рабочего тока над стартовым, причем, благодаря существованию области жесткой генерации, такой режим оказывается устойчивым по отношению к флуктуациям параметров электронного потока. Далее, скорость установления генерации в таких ЛОВ должна быть выше, чем в генераторах с мягким возбуждением (при одинаковом превышении рабочим током стартового значения). 0,6 0,4 0,2 0, Рисунок 1.4. Установление автоколебаний в «короткой» (k=3) и «длинной» (k=5) ЛОВ при одинаковом превышении параметра связи над стартовым значением. Сплошные линии – амплитуда выходного сигнала, пунктирные – инкремент колебаний На рисунке 1.4 сравнивается динамика переходных процессов ЛОВ различной длины при одинаковом превышении параметра связи над стартовым значением: короткой ЛОВ (k = 3), для которой характерно жесткое возбуждение, и относительно длинной ЛОВ (Сk = 5) с мягким режимом установления генерации. Здесь время нормировано на длину прибора т/Сk Видно, что в ЛОВ с жестким режимом возбуждения переходные процессы протекают быстрее, причем для «жесткого» генератора существует интервал амплитуд, на котором относительная скорость роста амплитуды (dld)\n A, оказывается выше, чем на участке линейного взаимодействия (A«\). Это делает короткие ЛОВ привлекательными для построения короткоимпульсных источников микроволнового излучения: времена установления генерации в них сокращаются как за счет меньшего времени распространения волны вдоль пространства взаимодействия, так и за счет жесткого сценария возникновения колебаний. Помимо этого, немаловажным является тот факт, что при жестком сценарии возникновения генерации большой КПД достигается уже при небольшом превышении параметра связи S над стартовым значением, а также то, что эти ЛОВ оптимальны с точки зрения эффективности отбора энергии у электронного потока.
Одной из характерных особенностей нестационарной динамики ЛОВ является возникновение автомодуляционного режима генерации [26], который обычно проявляется при существенном превышении током стартового значения. Следует, однако, отметить, что величина отношения S/Sst, соответствующая потере устойчивости стационарной генерации, с ростом параметра связи S уменьшается. Для ЛОВ с длиной, меньшей 0.77 (Sst=2.9), автомодуляция выходного сигнала начинается сразу после превышения током стартового значения.
Отметим, что такое поведение проявляется в области параметров, где, согласно стационарной теории, возможен переход в жесткий режим генерации. Для того, чтобы провести моделирование такого режима, положим параметр связи S медленно убывающей функцией времени с начальным значением, превышающим стартовое. Такая зависимость параметра связи обеспечивает самовозбуждение ЛОВ и последующий плавный переход в жесткий режим работы. Видно, что в коротких ЛОВ с большой связью автомодуляционный режим генерации сохраняется и при значениях параметра связи ниже стартовой величины (рисунок 1.5). Дальнейшее снижение параметра связи приводит к переходу выходного сигнала в стационарную стадию, а после этого к срыву генерации.
Влияние собственных шумов электронного потока на работу релятивистского ЛОВ-генератора
Нестационарная модуляция плотности электронного потока на входе в пространство взаимодействия, обусловленная собственными шумами электронного пучка, приводит к флуктуациям выходной мощности прибора n/ N А(С = 0,т)2 т Р(т) = !Ш. Для анализа степени влияния шумовой компоненты электронного потока на работу релятивистской ЛОВ будем использовать АР параметр —=, определяемый как относительная флуктуация установившейся Р 1„+АT выходной мощности генератора. Здесь P = vT T \P(T)dr - среднее значение \(p(r)-p)2dr - ее стандартное отклонение, ztr выходной мощности, АР = JjjQ ДГ -ос AT - время переходных процессов (рисунок 2.2).
Здесь и в дальнейшем будем считать среднюю длительность эктона равной zect = 5 нс, рабочий ток электронного пучка равным 5 кА, и ускоряющее напряжение U=600 кВ. Характеристики синхронной волны (1.1) будем считать такими, что ее групповая скорость V = - . Это соответствует типичным параметрам электронного пучка и синхронной волны, используемым на практике. Моделирование системы на основании уравнений (1.6) с граничными условиями (2.6), (2.10) показало, что шумовая компонента не оказывает существенного влияния на амплитуду установившихся колебаний генератора. Относительная флуктуация установившейся выходной мощности прибора, АР связанная с шумами электронного потока, не превышает —= 0.01.
Вместе с тем, шумовая компонента электронного потока, наряду с передним фронтом импульса ускоряющего напряжения, может служить затравкой для начала генерации в приборе. Оценки показывают, что излучение фронта начинает превалировать над собственными шумами электронного потока при длительностях фронта, меньших 1 нс. В работе рассматривался другой предельный случай достаточно длинного фронта, когда начальной затравкой для установления генерации являлись собственные шумы электронного потока. Под 2yl1 + V0Ver) временем установления генерации tst = rst LL понималось время, прошедшее от момента включения рабочего тока до выхода амплитуды генерации на максимальный уровень (рисунок 2.2). Зависимость выходной мощности релятивистского ЛОВ-генератора от времени Для исследования зависимости времени установления генерации от рабочей частоты прибора / представляется естественным нормировать время установления генерации tst на период высокочастотных колебаний т = f l. Как видно из (2.5), с ростом частоты спектральная плотность шумов уменьшается. Следовательно, увеличивается время установления колебаний, нормированное на период осцилляций высокочастотного поля (рисунок 2.3). Однако, зависимость нормированного на период осцилляций времени установления колебаний от частоты относительно слабая, поскольку шумовая компонента электронного потока определяет не динамику установления колебаний, а лишь служит начальным возмущением для возникновения генерации. Считая, что увеличение амплитуды происходит с постоянным временным инкрементом, можно оценить
При одинаковом превышении параметра связи над стартовым значением, установление генерации в коротких приборах протекает значительно быстрее (рисунок 2.4). Это происходит в силу меньшего времени пролета электронов через пространство взаимодействия, а также в силу жесткого характера возбуждения коротких ЛОВ. Вместе с тем, значения минимально возможного времени установления стационарной генерации (жирные точки на рисунке 2.4) для ЛОВ различной длины оказываются близкими. Это происходит потому, что при больших значениях параметра связи стационарный режим работы невозможен, и колебания в системе принимают автомодуляционный характер. Так как с ростом параметра связи времена установления генерации сокращаются, минимально возможное время переходных процессов установления стационарной генерации соответствует значениям параметра связи, близким к границе устойчивости стационарной генерации. Известно, что значение параметра связи, соответствующее переходу в автомодуляционный режим, приближается к стартовому по мере уменьшения длины прибора [26]. И несмотря на то, что в коротких ЛОВ при одинаковом превышении параметра связи над стартовым значением переходные процессы проходят существенно быстрее, минимально возможные времена установления стационарной генерации у них отличаются не сильно.
Времена установления генерации в ЛОВ при / = 10 ГГц. Кривые 1 - 3 соответствуют значениям безразмерной длины ЛОВ : 1.5; 2.5; 4. Т- период высокочастотных колебаний. Точками обозначены границы режимов стационарной генерации автомодуляции С практической точки зрения представляется целесообразным использовать ЛОВ с длиной пространства взаимодействия, близкой к оптимальному значению Ск = 3 [25]. Такие приборы имеют большой КПД, а минимально возможные времена установления генерации в них (жирные точки на рисунке 2.4) не намного больше, чем в более коротких ЛОВ.
Следует отметить, что найденные с помощью модели (1.6) с граничными условиями (2.6) и (2.10) времена установления генерации по порядку величины совпадают с данными, получаемыми в экспериментах [2,3,5,6]. 2.3 Влияние собственных шумов электронного потока на работу релятивистской ЛОВ в режиме усиления [16]
Собственные шумы электронного потока оказывают существенное влияние на работу ЛОВ в режиме усиления слабых сигналов, когда суммарная мощность шумовой компоненты электронного потока сравнима с мощностью сигнала, подаваемого на вход прибора. Флуктуации мощности выходного излучения в этом случае оказываются сравнимыми с ее средним уровнем (рисунок 2.5), сигнал перестает быть монотонным, что препятствует использованию прибора в качестве усилителя. Определение минимального уровня входного сигнала, при котором возможна работа ЛОВ в режиме усиления, имеет особое значение при построении секционированных приборов с большим уровнем усиления.
Выходная мощность релятивистского ЛОВ-усилителя, нормированная на мощность электронного пучка, при малой амплитуде входного сигнала ( Дй = 0.0015 ). к = 2.5 , S/Sst = 0.95, частота входного сигнала bin = -1.2 соответствует частоте максимального усиления прибора При увеличении амплитуды входного сигнала влияние собственных шумов электронного потока уменьшается, а, следовательно, уменьшаются и АР относительные флуктуации выходной мощности —=, связанные с шумовой компонентой электронного потока (рисунок 2.6 кривые 1, 2). Однако, в случае S/Sst = 0.99, заметно увеличение относительной флуктуации выходной мощности при больших значениях амплитуды внешнего сигнала (рисунок 2.6 кривая 3). Это не связано с собственными шумами электронного потока, а является следствием приближения к границе жесткого возбуждения релятивистской ЛОВ, которое проявляется при больших значениях параметра связи (глава 1). Выходной сигнал в этом случае представляет собой смесь спектральных компонент на частоте внешнего сигнала, на частоте автоколебаний ЛОВ, их линейных комбинаций и шумовой составляющей (рисунок 2.7).
Работа в режиме усиления
Полученные результаты позволяют получить оценки уровня шумовой компоненты, служащей для начала генерации ЛОВ в режиме самовозбуждения. Для этого считалось, что на начальном участке амплитуда микроволнового излучения изменяется по экспоненциальному закону Е = Е0 ехр(7/7г) с характерным временем нарастания tt. Анализ формы выходного сигнала (рисунок3.5) позволяет определить, что tj в рассматриваемых условиях имеет величину порядка 40 нс. Поскольку изменение задержки генерации при подаче внешнего задающего сигнала достигает ґ75 нс, то можно считать, что отношение амплитуды внешнего сигнала к амплитуде эффективной начальной «затравки» при самовозбуждении прибора составляет К=ехр(ґ/ґі) 6,5. Импульсная мощность внешнего сигнала, поступавшего на вход ЛОВ от магнетронного генератора (с учетом эффективности входного преобразователя мод) составляет величину Лп 60 кВт. Если предположить, что затравкой для самовозбуждения ЛОВ является шумовое излучение электронного потока, то, согласно проведенным оценкам, его полная мощность в полосе возбуждения равна Pnoise=Pin/К21-2 кВт.
Принимая во внимание то, что ширина частотной полосы возбуждения, определяемой по уровню (-3) дБ по отношению к максимуму, составляет величину около fex150 МГц, можно оценить, что спектральная плотность интенсивности шумового излучения в рассматриваемых условиях составляет величину Pin/(К2 fex)5-10 Вт/МГц. Это значение близко к теоретическим оценкам уровня крупномасштабного «дробового» шума взрывоэмиссионных электронных пучков, приведенных в главе 2.
Эквивалентная мощность шумового излучения есть минимальный уровень входного сигнала, различимый на фоне шумовой компоненты, соответственно, необходимый для управления параметрами выходного излучения. Как видно, этот уровень небольшой по сравнению с мощностью электронного пучка и ожидаемой мощностью выходного излучения.
Большое усиление в релятивистской ЛОВ достигается при значениях параметра связи (или радиуса электронного потока), близких к стартовому G (l-S/S y1. Это делает работу в режиме усиления чувствительной к вариациям параметров электронного потока, что особо актуально при использовании взрывоэмиссионных катодов. Помимо этого, ЛОВ в режиме регенеративного усиления обладает довольно узкой частотной полосой усиления Л/7/ (1 - S/Sst), что может привести к большим временам переходных процессов, а также к сложностям в диагностике устройства. В эксперименте определяющим признаком режима усиления было отсутствие биений в огибающей выходного сигнала (рисунок 3.8), что свидетельствовало о совпадении частот магнетрона и выходного сигнала. В случае возбуждения прибора на датчике № 1 наблюдались биения сигнала от магнетрона и выходного сигнала ЛОВ (рисунок 3.11), что свидетельствовало о несовпадении частот выходного и выходного сигнала, а, следовательно, многочастотном режиме работы.
Как видно, исследуемая ЛОВ обладает довольно узкой полосой усиления вблизи частоты возбуждения fse=9.67 ГГц (рисунок 3.9). Частота выходного сигнала в этом случае совпадает с частотой магнетрона, а выходная мощность пропорциональна мощности входного сигнала (рисунок 3.10). Несимметричная относительно fse частотная полоса усиления является одной из особенностей нелинейного усиления (рост коэффициента усиления при увеличении частоты). 90 D=17.5 мм D=17 мм
Зависимость коэффициента усиления от частоты внешнего сигнала при различных диаметрах электронного потока D. В области многочастотной работы указано среднее по нескольким периодам биений значение мощности
Зависимость мощности выходного излучения (детектор № 1) от мощности внешнего сигнала. Частота внешнего сигнала 9.66 ГГц, диаметр электронного пучка 17 мм. Линейная аппроксимация соответствует коэффициенту усиления G=11.5 Коэффициент усиления имеет ярко выраженную зависимость от степени близости радиуса электронного потока к стартовому значению (рисунок3.8), что является особенностью режима регенеративного усиления. Чем стабильнее параметры электронного потока, тем больше возможности приблизить значение параметра связи к стартовому без риска паразитного возбуждения из-за случайной вариации параметров пучка. Однако, нестабильность параметров электронного потока - не единственное препятствие на пути получения большого усиления. Теоретическое моделирование в пункте 1.3 показало, что существует возможность паразитного возбуждения прибора в жестком режиме – при значениях параметра связи меньше стартового. Экспериментальная реализация похожего эффекта описана в пункте 3.4. 3.4. Жесткое возбуждение ЛОВ
Режим усиления граничит с многочастотным режимом работы (при 9.96 f 9.73 ГГц). В этой области параметров на датчике № 1 наблюдались биения сигнала от магнетрона и выходного сигнала ЛОВ (рисунок 3.11), что свидетельствует о том, что в спектре выходного сигнала присутствовали гармоники на частоте возбуждения ЛОВ и на частоте магнетрона (рисунок 3.12). Данный эффект может быть вызван жестким возбуждением прибора (пункт 1.3): без внешнего сигнала генерация отсутствовала, а в случае подачи на вход внешнего сигнала на выходе наряду с усиленной компонентой на частоте внешнего сигнала появлялась компонента на частоте возбуждения ЛОВ. Отметим, что для усилителя эффект жесткого возбуждения носит паразитный характер и приводит к существенному уменьшению полосы усиления прибора (со стороны больших частот). Ширина области многочастотной генерации не превышает 40 МГц, при больших отстройках частоты магнетрона от fse , внешний сигнал перестает оказывать влияние на работу ЛОВ, и возбуждения прибора не происходит.
Подобный эффект наблюдался в экспериментах с секционированной ЛБВ [10], в котором существовали области параметров, где в спектре выходного излучения присутствовала значительная компонента на частоте, отличной от частоты внешнего сигнала.
Усилитель на основе каскадного соединения двух релятивистских ЛОВ
С точки зрения эффективности группировки электронов в качестве модулирующей секции выгодно использовать короткие ЛОВ. Вместе с тем, как следует из главы 1, в коротких лампах увеличивается опасность паразитного возбуждения в жестком режиме. Это является одним из основных эффектов, которые могут ограничить коэффициент усиления в релятивистской ЛОВ. Для предотвращения паразитного жесткого возбуждения в качестве модулирующей секции представляется целесообразным использовать ЛОВ с большой длиной пространства взаимодействия. Выберем С,1 = 3. Так как модулирующая секция работает в режиме регенеративного усиления, выходные характеристики усилителя с большой степени зависят от отношения параметра связи к стартовому значению в ней. На практике степень близости параметра связи к порогу возбуждения ограничена нестабильностью параметров электронного потока. При а = 0.02 стартовое значение параметра связи в этой секции равно S1st = 0.39. Будем задавать S1 /S1st равным 0.94-0.98. Пространство дрейфа
Степень модуляции электронного потока на входе в пространство взаимодействия второй ЛОВ зависит не только от параметров модулирующей секции, но и от длины секции дрейфа. Надо отметить, что из-за отсутствия поля синхронной волны, работа усилителя очень чувствительна к влиянию поля пространственного заряда в данной секции. При малых значениях ст наличие пространства дрейфа может увеличить степень модуляции электронного потока при входе во вторую ЛОВ и способствовать увеличению коэффициента усиления прибора. При больших т наличие секции дрейфа может привести к снижению эффективности группировки электронов и уменьшению усиления. Поэтому в последнем случае длина пространства дрейфа должна выбираться минимальной из возможных для того, чтобы обеспечить электродинамическую независимость секций и разместить внутри себя устройство ввода. Анализ показал, что при длинах пространства дрейфа, лежащих в интервале [1.2 ;2] большое усиление достигается в достаточно широкой области параметров прибора (рисунок 4.14). Выберем Cdr =1.2.
В качестве основного элемента секции дрейфа удобно использовать участок «закритического» волновода, что позволяет провести электронный пучок близко к его стенкам и минимизировать параметр пространственного заряда.
С точки зрения эффективности отбора энергии у электронного потока в качестве последней секции выгодно использовать относительно короткие ЛОВ с большим значением параметра связи. Работа в режимах регенеративного усиления в этой секции не представляется возможной из-за опасности паразитного возбуждения модулированным электронным потоком. Причем, из-за значительного уровня модуляции электронного потока на входе в пространство взаимодействия второй ЛОВ, эффект жесткого возбуждения в этой секции проявляется в гораздо более широкой области параметров, чем в случае возбуждения внешним электромагнитным сигналом.
Таким образом, параметр связи в этой секции должен быть меньше некоторой критической величины S2cr - значения, при котором происходит возбуждения ЛОВ в жестком режиме. Значение S зависит от длины выходной ЛОВ, характеристик первых двух секций, частоты и максимальной амплитуды усиливаемого сигнала и рассчитывается для каждого варианта прибора отдельно. Для увеличения КПД сделаем эту секцию относительно короткой: С,2 = 2, а значение параметра связи в ней будем задавать не превышающим границы жесткого возбуждения S2cr. При а = 0.02 стартовое значение параметра связи в секции равно S2st = 0.7 . Анализ границы жесткого возбуждения модулированным электронным потоком показывает, что при данных параметрах прибора и входного сигнала значение S2cr = 0.75S2st. Рабочий ток в этой секции далек от стартового, поэтому зависимость выходных характеристик от отношения S2 /S2st выражена не столь ярко, как в первой секции, работающей в режиме регенеративного усиления (рисунок 4.15). Поэтому задавать параметр S2 слишком близким к S2cr не имеет смысла, что облегчает настройку системы. Положим S2 = 0.685 = 0.48. Из рисунка 4.15 видно, что коэффициент усиления при этом не намного меньше максимального уровня, а «удаленность» от границы жесткого возбуждения обеспечивает устойчивость к флуктуациям параметров. qo S IS =0.96
Из-за различия длин модулирующей и выходной ЛОВ, оптимальные расстройки синхронизма электронов и волны (параметр B(Q в системе (4.15)) в каждой из секций будут отличаться. Поэтому в первой секции и секции дрейфа расстройка синхронизма электронов и волны задается равной единице, а ее оптимальное значение для выходной секции В2 зависит от амплитуды выходного излучения и соотношения длин ЛОВ секций и задается отдельно:
Так как выходная ЛОВ короче первой, оптимальное значение расстройки синхронизма электронов и волны в ней должно быть больше, чем в модулирующей ЛОВ. Из рисунка 4.16 видно, что максимальное усиление достигается при B2 =1.4-1.6. Также заметно, что при увеличении В2 падение усиления происходит быстрее, чем при уменьшении этого параметра. Поэтому для устойчивой работы прибора параметр В2 следует выбрать чуть меньше значения, соответствующего максимальному усилению. Зададим В2=1.4.
На рисунке 4.17 представлены выходные характеристики усилителя при различных значениях параметра связи в модулирующей секции. Важно отметить, что, так как модулирующая секция работает в режиме регенеративного усиления, работа усилителя очень чувствительна к значению параметра связи в этой секции. Видно, что, используя предложенную схему, удается получить необходимый уровень усиления при КПД около 20%.