CC BY
8
В. П. ТАРАНЕНКО
ПРО П1ДВИЩЕННЯ КОЕФ1Ц1еНТА КОРИСН01 ДП ЛАМПИ Б1ЖУЧ01 ХВИЛ1
'' ГПдвищення коеф1щента корисно1 дп лампи б!жучо1 хвшп
(ЛБХ) е одним з основних завдань сучасно1 радюелектрошки. В1д швидкосп розв'язання п залежить усшх впровадження цього > #> перспективного електронного приладу в техшку зв'язку, р1зш г ал уз 1 народного господарства та промислсшстъ.
Розвиток електронно1 обчислювально! техшки в останш роки дозволив на основ1 розв'язання систем нелшшних ¡нтегро-диферен-щальних р1внянь лампи б1жучо1 хвил! провести розрахунки залежное™ к. к. д: вщ и основних параметр!в: шдсилбння С, об'ем-ного заряду ОС, величини струму електронного потоку /, коефь щента несинхронносп Ь, поперечного розм1ру пучка Иа та затухания й. Яккний анал1з одержаних результате обчислень дозволив краще зрозугупти основш робоч1 процеси у шдсилювач1 б1жу-чо1 хвил1, зокрема групування електронних згустюв, мехашзму «насичення» та ш. Все це дае змогу б1лыи грамотно шдходити до розрахунюв при проектуванш прилад!в з б1жу^ою хвилею та роз-робляти способи далыпого шдвищення 1'х ефективносп.
1снують два основш способи шдвищення к. к. д. шдсилювач1в б1жучо1 хвшп: 1) ¡зохроншсть, основана на шдтримщ синхрошзму електрошв 1 хвши вздовж уповшьнюючоТ системи; 2) рекуперащя енергп «вщпрацьованих» електрошв в обласп колектора за рахунок зниження потенщалу колектора вщносно упов!льнюючоТ системи (при цьому зб1льшуеться загальний, або «техшчний», к. к. д. без зростання вихщнсп потужносп).
Оид звернути увагу ще на ряд фактор1в, що вщ1грають важливу роль в одержаны максимального к. к. д. лампи б1жучо1 хвилк л' Коефшент корисноТ дп лампи б1жучоТ хвил1 визначаеться сшв-
вщношенням
■Пе — -Гц- ,
де Ре — потужшсть, выдана електронним потокам полю;
1оио — потужшсть електронного потоку.
5*
67
При наявносп в систем! затухания Ре являе собою суму ви-сокочастотно1 потужносп та потужносп втрат. У загальному вид1 Ре можна записати формулою
де Ь — довжина простору взаемодп;
(г) — комплексна ампл1туда першо? гармошки струму пучка; Е(г) — комплексна амшитуда поздовжньо1 складово'1 електричного поля ушдальнюючоТ системи на частой <о;
■ф — р1зниця фаз м1ж першою гармошкою струму та поздовж-шм електричним полем.
Для шдвшцення к. к. д. необхщно прагнути до збыыдення Ре, а отже, 1 ампл1туди першоТ гармошки струму пучка та поздовжнього електричного поля. Проте, як показали численш теоретичш та експериментальш робота [1], [2], збшьшення дих величин приводить до шдвшцення ефективносп приладу лише в певних межах. Так, зб1льшення параметра шдсилення С, що м1стить в соб1 щдв1 величини, вище 0,2 вагомого виграшу в к. к. д. уже не дае.
Залежшсть к. к. д. вщ величини струму I, як вщомо, мае ви-гляд, показаний на рис. 1 [2]. На ньому ж нанесена величина Ре.
Як видно, з1 зб1льшенням величини струму круто зростае лише потужшсть Ре. Отже, при проектуванш та розрахунку прилад1в не слщ забувати про те, що ¡снуе певна оптимальна величина струму пучка, що обумовлюе найвищий к. к. д.
Максимальному к. к. д. вщповЦае певна оптимальна товщина, або д!аметр пучка [1], [3]. У тонкому пучку сконцентроваш сили об'емного заряду 'електрошв викликають раптове гальмування електрошв, що обумовлюе появу пов1льних електрошв на пор!в-няно раннш стад1'1. Кр1м того, висока концентрац1я сил об'емного заряду протид1е створенню дальних електронних згустюв. При великих д1аметрах пучка, а отже, 1 прол1тних канал1в, важно за-безпечити однорЦшсть поля по перер1зу пучка.
Як показують розрахунки, з врахуванням зазначених заува-жень без додаткових заход1в можна одержати максимальш к. к. д. лампи б1жучо1 хвил1 42—45%. У реальних приладах к. к. д., як правило, значно мендп.
Одшею з важливих причин зниження к. к. д. пор1вняно з теоретичною величиною е те, що електронний пучок не цшиндричний, як вважаеться в розрахунках, а пульсуючий.
На основ1 проведених теоретичних та експериментальних досладжень було встановлено, що наявшсть пульсацп зовшшньо1 границ! пучка до 0,25 не викликае ¡стотних змш енергетич-них параметр1в лампи б1жучо1 хвши — потужносп насичення та к. к.д. [4].
Ь
0
При пульсацп а > 0,25 спостер1гаеться помине зниження максимально'1 ампл1туди поля, а отже, 1 к. к. д. На рис. 2 1 3 показана залежшсть нормовано1 ампл1туди поля ^н! вад довжини лампи для режим1в з а = 0; 0,25; 0,5 та 0,75 для пучка з великим (/га = 1,5) та малим (На — 0,5) приведеним рад1усом.
Як видно з рисуншв, вплив пульсацш при тонкому пучку ви-являеться сильнше, а саме: амшитуда поля |£„| в точщ насичення
#*>
N
1
л ч
Ч п чГ
у / У ъ
/ г
у V !
/ А г
7
/
£ /
5 Ю 15 20 25 0О
1 2 3 4 5 6 7 вв
Рис. 1. Залежшсть Ре та Це в1д величини струму пучка.
Рис. 2. Залежшсть безрозлирно! ампль туди нормованого високочастотного поля на ос! уповмыдаючо! системи I £„ | вздовж лампи при а=0; 0,25, 0,5 та 0,75; /ш= 1,5; (¡С=0,25; С=0,05, 6=2,5; £во = 0,1, ¿=0.
зменшуеться в бшышй , шж при ка — 1,5 при однакових значениях коефвдента пульсацш а.
Зменшення потужносп насичення лампи 61жучо1 хвил1 з пуль-суючим пучком обумовлене зниженням максимуму ампл1туди першо1 гармошки | ]х | при збшыпенш коефшента пульсащй (рис. 4).
Фазов1 сшввщношення м!ж напружешстю електричного поля та першою гармошкою струму в ламш при р1зних величинах пульсацш майже не в!др!зняються [4].
На рис. 5 наведеш крив1 залежносп вщношення максимального к. к. д. лампи з пульсуючим пучком до максимального к. к. д. лампи з цилшдричним пучком рад1уса ка вщ коефЫента пульсащй а.
Як 1 слщ було спод1ватися шсля розгляду кривих рис. 2—4, ктотне зменшення к. к. д. пом1чаеться при пульсащях, б1лыпих 0,25, причому в тонких пучках це зниження пом1тнше. Таким чином, наявшсть пульсацш пучка можна вважати одшею з основ-
них причин зменшення величини к. к. д. у реальних приладах пор1вняно з прогнозами на основ! теоретичних дослщжень та роз-рахунюв.
Полшшення форми пучка е одним з важливих резерв!в шдви-щення к. к. д. у реальних приладах.
3 двох спещальних заход1в шдвшцення к. к. д. найефрктивш-шим 1 найперспектившшим е використання рекуперацп загаль-мованих електрошв в облает! колектора.
Використання ¡зохронносп, щея яко1 виникла давно, поки що не дало вщчутних результате через значш трудношд припрак-
| А П
0,5,' (
/ 1 1
0 75 V / 1 1,
■) 1
/ -V
/ \1/ '1
/ ■ л
/ / / 1 1
/ 1 ]
*
✓
2 3 Ь 5 6 7 в
Рис. 3. Залежшсть безрозм1рно! ампл1туди нормованого високоча-стотного поля на оа уповшьню-ючо! системи I £я | вздовж лам-пи при а=0; 0,25; 0,5 та 0,75; /ш= = 0,5; ()С=0,25; С=0,05; 6=2;
(1=0; £„„ = 0,1.
Рис. 4. Залежшсть безрозм1рно! амшптуди першо! гармошки струму пучка вздовж лампи при а=0; 0,5 та 0,75; /ш= 1,5; фС=0,25; С = = 0,05; 6=2,5, й=0; £но = 0,1.
точному впровадженш 11 в життя, особливо в короткохвильовш частиш сантиметрового д!апазону хвиль.
Одноступшчаста рекуперащя давно дктала визнання 1 зараз широко використовуеться як зас!б шдвшцення к. к. д. у генерато-торах та шдсилювачах б!жучо1 хвши [5], [6].
Наявшсть значного розкиду енергп електрошв у ЛБХ не дозволяе знижувати потенщал одноступ 1 нчастого колектора нижче потенщалу упов1льнюючо1 системи \ тим самим обмежуе можливе шдвшцення к. к. д.
Досягнут! на сьогодшшнш день к. к. д. ламп б1жучо1 хвил! лежать у межах 20—40% [5] [6]. Дальше шдвшцення к. к. д. можливе при використанш багатоступшчасто1 рекуперацп, коли в колекторь що складаеться з щлого ряду електрод1в (на яю подан! р1зн1 потеншали по вщношенню до катода), електрони сортуються по швидкостях так, що т1льки найпов1льш1Ш попадають на еле-ктрод з найвищим потенщалом, а шип розподияються по електро-
дах з бшьш низькими потенщалами вцщовщно. Дощльшсть за-стосування багатостушичаскн 1, зокрема, двоступшчастсм рекупе-раци залежить в1д енергетичного спектра електронного потоку, що надходить на колектор.
У роботах [2], [7] на основ1 розв'язання нелшшних р1внянь ЛБХ був проведений анал!з енергетичного спектра електрошв на вход1 в колектор. Вш дав можлившть шдрахувати можливий ефект застосування багатостушнчасто 1 рекуперацП в електронних приладах.
На рис. 6 показан! максимальш значения к. к. д. ламп б1жу-чо\' хвил! для р1зних значень параметр1в С^С, /ш, й та а. Параметр несинхронносп вщповщае максимуму к. к. д. Як видно з рисунка, одностушнчаста рекупе-ращя при ОС = 0,25, ¡га = 1, к = 0 та а = 0 (крива 1) зб1ль-шуе к. к. д. В1Д 27 до 57%, тоб-то в 2,1 раза; двоступшчаста— до 73%, а п'ятиступшчаста —
Щ
08
46
/И-/,5
N
\ ч V
0.2
а4
0£ 0$
Рис. 5. Залежшсть г|/г|о вщ коефда-ента пульсащй а:
11 — к. к. д. лампи з пульсуючим пучком; Т1о — к. к. д. лампи з цилшдричним пучком з середшм рад1усом На.
Рис. 6. Залежшсть Т1тах вщ числа ступешв рекуперацп в ламш б1жучоТ
хвил! (С=0,05, насичення): / — С?С=0,25; й=0\ а=0; йа= 1; 2 — <}С= = 0,75: £¿=0; а=0; /ш = 1,5; 3 — <}С=0,25; й = — 0; а=0,5, Ла= 1; 4 — <ЭС=0,25; d=0; а= = 0,75; ка= 1; 5 — <ЗС=0,25; (¿=0; а=0,5; Ло = 0,5; б — <ЭС=0,25; ¿=0,2. а=0; йа=0,5.
до 87%. Зб1лыиення параметра об'емного заряду в 3 рази (крива 2) зменшуе максимальш к. к. д. при рекуперацп при-близно на 10%.
Вплив пульсацп зовшшньо1 гранищ пучка на к. к. д. видно ¡з пор1вняння кривих 3 та 4 (рис. 6). Помп-не зниження Т1тах по-чинае проявлятися при а = 0,5 (крива 3), коли зб1льшення роз-штовхуючих сил у вузлах утруднюе гальмування передньоТ ча-стини електронних згустюв, що приводить до появи великоК ыль-коеи прискорених електрошв [7]. Ще бшьше розширення енергетичного спектра спостеркаеться при а > 0,75 (крива 4). При цьому граничш значения к. к. д. при одностушнчастш та двосту-шнчастш рекуперацп падають на 23% пор1вняно з режимом без пульсацш (крива /).
Вплив ширини пучка на Timax видно з пор!вняння кривих 1 i 5. При невеликих QC зменшення приведеного рад1уса ha в 2 рази зменшуе т]тах при двостушнчастш рекуперацй' на 6%, при чотири-ступшчастш — лише на 1%.
Для шдвшцення к. к. д. лампи б1жучо'1 хвшп багатостушн-частою рекуперащею можна рекомендувати двостушнчасту або триступшчасту рекуперащю енергц вщпрацьованих електрошв з гальмуванням електрошв на останньому ступеш до потеншалу катода. При правильно вибранш конструкцц" двостушнчастого колектора можна одержати r)max = 50 ~ 60%, для тристугпн-частого — до 65%. Таким чином, шдвшцення т]тах за рахунок рекуперацй може бути îctothhm.
Проте не можна забувати й про деяш негативш риси систем з багатостушнчастою рекуперащею, а саме: а) складшсть конструк-цп колектора, пов'язану з необхщшстю подавления вторинно1 eMiciï; б) необхщшсть окремих джерел живлення для р1зних сту-neHie колектора. Все це ускладнюе як електронний прилад, так i всю установку, де вш працюе. Тому основну увагу слщ прид1ляти шдвищенню електронного к. к. д. лампи. Для цього при розра-хунку та проектуванш ламп важливе значения мае оптимальний BHÖip величини струму пучка та po3Mipy прол1тного каналу при-ладу (а значить, i приведеного pafliyca пучка).
Слщ старанно вщпрацювати електронно-оптичну систему при-ладу з метою зменшення пульсацш пучка до 0,25. KpHTepieM старанно вщпрацьовано1 оптики для систем з магштною фокусировкою електронного потоку е забезпечення можливоси нормально'1 роботи приладу з малим струмом на уповшьнюючу систему при величин! магштного поля до 1,3 #бР (#бр — величина напруженосп магштного поля по Бр1ллюену).
Багатостушнчасту систему рекуперацй сл^д рекомендувати при неможливосп одержати bhcokî значения г]е, наприклад у ши-рокосмугових лампах, яю працюють з упов1льнюючими системами з малим значениям опору зв'язку.
Сучасний розвиток електровакуумно1 технологи, зокрема технологи високочастотно1 керамши, дозволяе створювати надшш 6araTocTyniH4acTi колекторш системи.
Л1ТЕРАТУРА
1. Cutler С. С. The nature of power saturation in traveling wave tubes, Bell system Technical Journal, 1956, 35, N 4.
2. Цейтлин M. Б., К а ц А. M Лампа бегущей волны. «Советское радио», 1964.
3. Тараненко В. П., Шевченко В. И. Выбор оптимальной величины пролетного канала в лампе бегущей волны. — «Радиотехника и электроника», 1966, XI, 11.
4. Тараненко В. П., Шевченко В. И. Влияние пульсаций пучка в пролетном канале ЛБВ на мощность и к. п. д.— «Радиотехника и электроника», 1965, X, 7, 1269.
5. Bryant M. О., Thomas A., W е 1 1 s P. A high power C. W. travelling wave tube, J. Electronic and Control, Jan., 1962, 12, № 1, 49.
6. F. S t e r z e r, Improvement of trevelling wave tube efficiency through collector potential depression, Trans. IRE, 1958, ED-5, № 9, 30.
7. Муравьев В. В., Тараненко В. П. Повышение к. п. д. генераторов обратной волны, ЛБВ 0-типа при многоступенчатой рекуперации.— Известия вузов СССР — Радиотехника, 1964, VII, 6, 649.
В. П. ТАРАНЕНКО
О ПОВЫШЕНИИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
Краткое содержание
<1
В статье приведены соображения о правильном выборе при проектировании приборов основных параметров лампы бегущей волны для получения максимального к. п. д. (t Наличие пульсаций внешней границы пучка приводит к снижению
к. п. д. лампы бегущей волны по сравнению с теоретическими расчетами.
Детальная отработка электронно-оптической системы с целью получения малых пульсаций является одним из действенных резервов повышения электронного к. п. д. лампы. Из специальных мер по повышению к. п. д. в лампах бегущей волны, особенно в приборах с малым электронным к. п. д., отмечается многоступенчатая рекуперация энергии электронов в области коллектора.
V. Р. ТА RANENКО ТО THE QUESTION OF TWT'S EFFICIENCY IMPROVEMENT Summary
In this paper the design considerations of a correct choice of TWT mairt parameters for achieving the highest efficiency are presented.
The beam ripples decrease TWT's efficiency in contrast of theory's prediction.
Detailed electron-optical system design for achieving small ripples is one of the real possibilities of TWT electronic efficiency improvement.
Many-staged collector potential depression is a special measure in TWT efficiency improvement (especially for the devices with small electronic efficiency).
