CC BY
9
Г. Д. КРАЖАН
РОБОТА ЛБХ О-ТИПУ В КРЕСТАТРОННОМУ РЕЖИМ!
В ЛБХ О-типу режими роботи при великих Ъ мають важливе значения, особливо в шдсилювачах потужность При великих значениях параметра несинхронносп спостер1гаеться режим шдсилен-ня, обумовлений ¡нтерференщею хвиль ¡з сталою амшнтудою. 3 точки зору кшематично! Teopi'i [5] можлив1сть роботи при великих значениях параметра розсинхрошзму пов'язана з тим, що елект-ронна потужшсть взаемода is зростанням выносного кута прольоту Ф0 пульсуе; в тих областях значень Ф0, де Реа < 0, прин-ципово можлива взаемод1я пучка з хвилею.
Дослщжуючи роботу ЛБХ при низьких piBHHX, Компфнер виявив зрив коливань (нульове шдсилення) при певних значениях струму та напруги прискорення, що дало можливють розрахувати onip зв'язку та фа-зову швидшсть хвил1 в систем! [6]. Джонсон [7] узагальнив щ результата, засто-
сувавши Teopiro nipca, проте щ автори не Рис , Залежн;сть значень
ц/С експериментальних i розрахованих за теорию Нордсша:
1 — т]/С за Нордйком: С = . = 0,I;QC=0; d = 0; 2 — екс-
на 3 ясувати штерференщею ХВИЛЬ. Важли- периментальне т)/С: С = 0,1;
_ r-r г ОС ~ 0,25: d — 0,02; Л — роз-
ве значения ДЛЯ побудування потужних П1Д- раховане Хи С = 0.1; QC = силювач1в мають експериментальш результата Колдуелла та Хоха [1]. Найбшыш значения к. к. д. були при напругах пучка, вщповщних Ь > Ьх^0 при великих вх1дних потужностях, що яюсно вщповщае Teopi'i Нордака [2] (рис. 1). Цих значень можна досягти лише при малому шдсиленш.
Анал1зуючи експериментальш результата Колдуелла та Хоха, Роу припустив, що ui та под1бш явища добре пояснюються ¡нтерференщ-
*~Г 1 1
If
1 t
/ / / b f
/ г У /
/ f" f 3
A
2 3
розглянули це явище детальшше, хоч Компфнер вщм1тив, що воно спричиняеться ¡н-терференщею хвиль. Багато acneKTiB роботи ЛБХ типу О та прилад!в типу М мож-
=0,25; d ■■ ховане xL
0,025;' 4 — розра-С = QC = d = 0.
ею трьох парщальних хвиль, яш поширюються вздовж сповшьню-ючо1 системи [11]. Виходячи з цих припущень, Роу розробив лЬ ншну та нелшшну теорш i сконструював експериментальний при-лад — крестатрон.
ЛЫйна теор1я крестатрона
В основу анал1зу покладена теор1я ГИрса для Ь > ЬХ1=о- Тут розв'язкам характеристичного р1вняння вщповщають три уявш корен 1 уг, уг та у3, що приводить до виникнення трьох хвиль стало'1
амплггуди, яю рухаються з разними швидкостями. При штерферен-ЦИ М!Ж собою хвил1 утворюють по-вне поле ¡з змшними мшмумами та максимумами.
При точному синхрошзм1 роз-щеплення вхщного сигналу вщ-буваеться так, що парцдальш
е,
*
\1 к
\\ \\ \\
f
V
==
// {/ 1/
1/
1
1 1 1
О Ofi
1,2 16
ZO ZS b-bgf.0
4 Ь
/ -Л* Z6
У X
/ — •р / "ь-з Ь-2. \
\ь л ЧУ * & о
-г* 1М
Рис. 2. Нормал1зоваш амгштудв парщальних хвиль у функцп швид-KocTi ¡н'екцП" (С =0,1; d — 0):
--QC = 0; — QC = 0,125.
Рис.
3. ГНдсилення (С =0,1; QC
у функци = 0,25; d ■■
^i=0= 2,57).
довжини = 0;
сигнали Fj, V2, V3 одна ков i i мають ту ж фазу, що й основний сигнал. При 6 g 0 розщеплення сигналу складнше. Вхщний сигнал розщеплюеться на три хвил1, що вщр1зняються одна вщ одно'1 фазою. В Mipy зростання b фазовий зсув м1ж парщальними хвилями зростае, ампл1туди двох хвиль зб1льшуютЬся, а третын зменшуеться. При b, близьких до 2, амплггуда двох парщальних хвиль може переб1льшувати вхщний сигнал, i фазовий зсув досягае 180°. 1з зростанням b амплггуди двох парщальних хвиль зменшу-ються, а третьо1 —залишаеться незмшною, фазовий зсув теж ли-шаеться незмшним (рис. 2). Поширюючись вздовж лампи з разними фазовими швидкостями, щ хвил1 утворюють стоячу хвилю.
У точках максимуму амплггуда повного поля перевищуе вхщний сигнал. Пщбираючи довжину лампи, або Ь, досягнемо шдсилен-ня вхщного сигналу. На рис. ¿«.наведена залежшсть G = G (9).
При фжсованому Ь коефщент пщсилення О пульсуе ¡з збшь-шенням довжини лампи; для Ь « 2,6 пщсилення може досягти зиачиих величин. При зростанш Ь пщсилення також пульсуе, при-лад стае коротшим, максимальна величина пщсилення падае 1 при Ь -> оо 0-^0. Для наведеного випадку довжина дор1внюе приблиз-но шести упов1льненим довжинам хвиль. Оптимальна довжина
СЫ - - = —^Щ-.—, де Д Ь = Ь — Ьх,=0- Пщсилення можливе
¿п (Дб) /«
1 при негативних Ъ, для яких х1 — 0. При нульових втратах уа максимуми кривоТ пщсилення приблизно однаков1, але при наяв-носп втрат перший максимум найбшыиий, так що для найкоротшоТ довжини завжди бажано працювати на першому максимум! криво-! пщсилення.
1з зростанням параметра пщсилення С оптимальна довжина зменшуеться, а пщсилення збыыиуеться. Найб!льш досяжна "величина С залежить вщ частота \ типу сповшьнюючо'! системи. Як-
що С стала величина, тоабсциса рис. 3 пропорщйна частот! ! ширина смуги частот на р1вш 3 дб дор!внюе 3:1.
НелЫйний режим роботи
Пращ, виконаш Роу [3], [11], дозволяють виявити характерш риси пщсилювач1в крестатронно-го типу, що працюють у режим 1
Ь-0 ьу
ь-зо /
у г
*
« -6 + -г
I V
Рис. 4. Теоретичне шдсилення при насиченш у функцп р1вня вхщно-го сигналу (С = 0,1; (}С = 0,125; Ъ = 1; й = 0; ЬХ1=0= 0,57).
Рис. 5. Теоретичний к.к.д. у фунюш р1вня вхщного сигналу (С=0,1; <ЭС=0,125; Ь= 1,0; а = 0; ЬЯ1Што = 2,33).
великого сигналу. 1з змшою довжини лампи пщсилення мае пуль-суючий характер, досягаючи бшьш-менш придатних величин, коли р1вень вхщного сигналу ¡стогно пор1внюваний з С/070. Пщсилення зменшуеться в м1ру зростання р1вня збудження, але вихщна пот'уж-шсть та коефвдент корисно"! д 11 зростають ¡з зб!льшенням р1вня збудження (рис. 4 1 5). Для дуже високих р1вшв збудження шдси-
лення невелике i вщносно незалежне вщ швидкосп ¡н'екцп'. Слщ зауважити, що оптимальна довжина (з точки зору максимально!" вихщно! потужносп) змшюеться при змип р1вня збудження. Кое-ф1щент корисно!' дп' зростае Î3 збыьшенням р1вня збудження, при-зводячи до вщносно високих значень коефЫента корисно!' д1"1 для крестатрона. Для високих pîbhîb збудження кoeфiцieнт корисно!'
дп досягае значень, вщносно неза-лежних вщ Ь.
TeopeTH4Hi дослщження дозволили з'ясувати та одержати добру вщповщнкть результатам Колдуел-ла i Хоха [1] (рис. 6).
Невелика довжина крестатрона дае можливкть побудувати прилад ¡з слабким електромагштним фоку-суванням; iнoдi можливе застосу-вання електростатичного фокусу-вання.
Експериментальний крестатрон
Роу збудував та випробував кiлькa експериментальних ламп 10 сж д1апазону. Для сповыьнюю-40Ï системи застосовували сгпраль. Останню брали з лампи i3 зроста-ючою хвилею i скорочували вщ-повщно до розрахунюв за Teopieio слабкого сигналу. Електронна гар-мата мала пом1рний первеанс; в ламп! використовували електрома-гштне* фокусування.
Для слабкого сигналу був досягнутий високий кoeфiцieнт пщ-силення (G—8-^-12 дб); ширина смуги частот була близькою до октави (С = 0,095; QC = 0,185; = 0,6 на 3,0 Ггц) [12]. При високих значениях потужносп збудження пщсилення знижуеть-ся до 3—6 дб, хоч потужшсть при насиченш збшьшуеться. При високих р1внях збудження вихщна потужшсть експерименталь-hoï лампи наближалась до 130 вт з пщсиленням 6 дб, що дае перетворений коефЫент корисно! дп порядку 20% для електронного пучка з первеансом 0,6 ■ 10~в.
В експериментальних лампах не вдалось досягнути такого висо-кого коеф1щента корисно'1 ди, який дае теор1я. Вщповщшсть теоретичних та експериментальних результате ускладнюеться через трудношд, з якими зустр1чаються при точному визначенш С i QC. Для досягнення найб^ьшого перетвореного кoeфiцieнтa корисно! дп та вихщно! потужносп бaжaнi низыа значения парамет-
Z5 3,0 Ъ-Ъ+4
Рис. 6. Пор1вняння теоретичного та експериментального шдсилення.
ра об'емного заряду ((¿С = 0,1—0,2). ГОдвшцення коефадента корисноТ досягають застосуванням фазового фокусування. При цьому к. к. д. може бути порядку 50% у широкш смуз1 частот.
У вихщних каскадах передавача, де вимоги до потужност! жив-лення сувор1 1 дуже бажаний високий коефщент корисноТ ди, зручио застосовувати лампу з високим коефшентом корисно'1 да, широкою смугою частот, невеликою довжиною ¡ без атенюатора. Можна збудувати мало потужи! ступе ш з високим шдсиленням, де значний коефщент корисно'! д!Т не вдаграе значно'! рол!, а вщ ви-хщноТ лампи вимагати Т1льки середне шдсилення. Вихцщою лампою може бути крестатрон.
Пщвищення потужност! будь-яко'! лампи пов'язане з проблемою-забезпечення вщповщного охолодження сповшьнюючоТ системи. Сп!раль широкосмугова, але не здатна розстовати велику потуж-н!сть, тому що охолоджуеться лише за рахунок випромшювання. Деяке полшшення досягаеться використанням охолодження через керам!чн! опори до зовшшньо'! металевоТ вакуумно1 оболонки. При використанш сп!рал! у високовольтнш потужшй ЛБХ необхцщо зб1льшувати д!аметр та крок сшраль При цьому зменшуеться пов-ний оп!р основного виду коливань внаслщок зростання потужнос-т! просторових гармон!к, що приведе до збшьшення повного опору просторово"! гармон!ки, п = 1 ! до самозбудження. Цього можна уникнути, використовуючи сшраль ¡з зустр!чною намоткою або систему шльцестержшв. Але в короткохвильовШ частин! сантиметрового д!апазону виготовлення таких систем мае деяш технолопчн! та конструктивн! труднощ!.
Стержньов! та ребрист! спов!льнююч! системи мають добрий (пор!внйно ¡з сшраллю) тепловшвщ ! вщносно велик! розм!ри еле-мент!в структур. Тому !х використовують у приладах середньо'! та велико'! потужност! навпъдомипметровогод!апазону. Особливий ш-терес являють системи типу «гребшка». Вони широкосмугов1, мають великий ошр зв'язку та пропускають значну високочастотну потуж-н!сть. Але пристро'! узгодження таких систем мають значну протяж-н!сть, що зменшуе таку перевагу крестатрона, як мала довжина.
У короткохвилышй частит сантиметрового д!апазону для спо-в!льнюючих систем електроннопроменевих прилад!в велико'! та середньо'! потужност! застосовують переважно д!афрагмован! хвиле-води. Так! системи в!дзначаються великою допустимою потуж-н!стю розс!яння, мехашчною мщшстю'та жорстк!стю, а в багатьох випадках ! простотою виготовлення. Для крестатрошв найб!льш придатн! спов!льнююч! системи, що прадюють на основшй просто-ров!й гармон!ц! ! являють собою ланцюжок резонатор!в з негатив-ним коефвдентом взаемо!ндукц!'! («конюшинний лист», ланцюжок резонатор!в з 5-под!бними петлями зв'язку). Смуга одночасно шдсилюваних частот у лампах з такими системами становить юлька процешчв, але коеф!ц!ент корисноТ д¡1 високий внаслщок великого опору зв'язку на основшй просторовШ гармонш.
Висновки
1. Крестатрон являе собою модифшований шдсилювач б1жуАо1 хвшп, який мае невелику довжину, середне шдсилення, значний ко-ефщент корисно1 Д11 i широку смугу пропускания. Перевагою при-лад1в цього типу е вщсутшсть атенюатора.
2. Невелике шдсилення крестатрона не е значною хибою, тому можна здшснити малопотужш ступеш з високим шдсиленням, де високий коефщент корисно! дп не вщ1грае значно! ролц а вщ ви-хЦного ступеня вимагати невелике шдсилення i високий коефодент корисно! да.
3. Для крестатронних шдсилювач1в короткохвильово! частини сантиметрового д1апазону найбшып придатними сповшьнюючими е сис-теми типу «гребшка» та ланцюжок резонатор1в з негативним коефи щентом *йзаемошдукцп, хоч останш i не дозволяють повною Miporo реал1зувати переваги крестатрона.
Л1ТЕРАТУРА
1. Колдуэлл Дж. и Хох О. Л., Характеристики мощного усилителя на лампе с бегущей волной, сб. «Лампа с бегущей волной», под ред. В. Г. Овча-рова, Госэнергоиздат, 1959.
2. Nordsieck, Theory of large signal behaviour of travelling-wave amplifiers. Proc. IRE, 1953, vol. 41, 5, p. 630.
3. Rowe J. A., Large signal analysis of the travelling-wave amplifier theory and general results. Trans. IRE, 1956, vol. EP-3, 1, p. 39.
4. Ц e й т л и н M. Б., К. а ц A. M., Лампа с бегущей волной, «Советское радио», 1964.
5. Ш е в ч и к В. Н., Основы электроники сверхвысоких частот, «Советское радио», 1959.
6. К о m р f n е г R., On the operation a the travelling-wave tube at low lewel. J. Brit. IRE, 1950, 10, 8—9, p. 283.
7. J о h n s о n H. R., Kompfner dip condition. PIRE, 1955, 43, 7, p. 874.
8. Пирс Д., Лампа с бегущей волной, «Советское радио», 1952.
9. С т а л ь м а х о в В. С., Основы электроники сверхвысокочастотных приборов со скрещенными полями, «Советское радио», 1963.
10. Клеен В., П е ш л ь К-, Введение в электронику сверхвысоких частот, «Советское радио», 1963.
11. R о w е J. Е., Theory of the crestatron: a forward-wave amplifiers. Proc. IRE, 1959, v. 47, 4, p. 536.
12. R о we J. E., К о n r a d Q. Т., К r a ge H. W., Experiments on a series of S-band crestatrons. A. I. E. E. Trans, on Comm. and Elect., 51, January, 1961.
13. R о w e J. E. and Brackett C. A., Efficiency, phase shift and power limiting in variable-pitch travelling-wave amplifier. Proc. of National electronics conference, vol. XVIII, 1962.
14. T a p а н e н к о 3. И., T p о x и м e н к о Я. К.. Замедляющие системы, К., изд-во «Техника», 1965.
G. D. KRAZHAN «0»-TYPE TWT AS A CRESTATRON Summary
The survay of the theoretical and experimental results of the investigations pi the work of TWT O-type are presented. Various slow wave systems are considered from the point of view of the application in the Crestatron.
