ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 1995 года по МПК H01J25/34 

Изобретение относится к электронике сверхвысоких частот (СВЧ), а более конкретно, к лампам бегущей волны (ЛБВ), и может быть использовано для создания усилителей с повышенной фазовой стабильностью, применяемых в доплеровской радиолокации.

Известно устройство двухкаскадный усилитель, в котором в качестве первого каскада используется ЛБВ-подавитель, а в качестве второго ЛБВ-усилитель. Обе ЛБВ имеют общий источник питания замедляющей системы.

Недостатком данного устройства являются его значительные массогабаритные параметры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству, выбранным за прототип, является двухсекционная ЛБВ, секции которой соединены по СВЧ-сигналу, и в первой секции (компенсации) фазовая скорость электромагнитной волны соответствует режиму подавления сигнала, а во второй режиму его усиления.

Недостатком известного устройства является отсутствие среди характеризующих его признаков указаний на оптимальные параметры секций, необходимые для достижения глубокой компенсации фазовой чувствительности. Признаки прототипа: наличие двух секций и выбор режима подавления сигнала в первой секции недостаточны для достижения указанного эффекта. Например, при реализации режима глубокого подавления поля сигнала на выходе первой секции секции компенсации, когда поле имеет аномальную фазовую характеристику с положительной фазовой чувствительностью, достаточной по величине для компенсации отрицательной фазовой чувствительности в усилительной секции, желаемой компенсации чувствительности выходного сигнала ЛБВ нет. Поскольку обе секции связаны по электронному потоку, то причина происходящего состоит в одновременном возбуждении усилительной секции полем сигнала, имеющим нужную положительную фазовую чувствительность, и током электронного потока с отрицательной фазовой чувствительностью, поэтому в силу малости амплитуды поля в режиме глубокого подавления на выходе секции компенсации чувствительности не наблюдается (см. фиг.1).

При осуществлении изобретения может быть достигнута глубокая компенсация фазовой чувствительности ЛБВ в режиме насыщения мощности выходного сигнала к изменению напряжения на замедляющей системе.

Для этого в лампе бегущей волны, содержащей перед усилительной секцией секцию компенсации, в которой фазовая скорость электромагнитной волны соответствует режиму подавления сигнала, параметры секции компенсации удовлетворяют условиям:
v_ф м/с
(1)
z=0,75 м
(2)
q < 2,2, (3) где v_ф фазовая скорость электромагнитной волны;
z длина секции;
q=P параметр пространствен- ного заряда;
v₀ скорость электронного потока;
ε параметр усиления;
β_e электронное волновое число;
I₀ ток пучка;
Z сопротивление связи;
V₀ ускоряющее напряжение;
ω_p плазменная частота;
Р коэффициент депрессии;
ω- угловая частота сигнала.

Эффект компенсации фазовой чувствительности выходного сигнала ЛБВ имеет место при условии, что процессы, обусловленные режимом подавления в секции компенсации прибора (глубокое подавление сигнала и резкий рост положительной фазовой чувствительности поля), развиваются в начале усилительной секции, связанной с секцией компенсации по электронному потоку (см. фиг.2). В этом случае амплитуда поля на выходе секции компенсации, в отличие от режима глубокого подавления в ней, еще не слишком мала. Поэтому поле, обладающее положительной фазовой чувствительностью, наводит ток, который в режиме подавления, следующем по длине за подавлением поля, имеет положительную фазовую чувствительность, усиливающую эффект компенсации.

Глубокая компенсация отрицательной фазовой чувствительности в усилительной секции достигается благодаря последующему возбуждению наведенным током поля с положительной фазовой чувствительностью (см. второй максимум кривой фазовой чувствительности на фиг.2).

Исходя из этого получена количественная оценка фазовой скорости электромагнитной волны v_ф в секции 1 компенсации и длины z секции 2. Значение v_ф должно быть больше того, при котором происходит подавление сигнала, а длина z короче длины, соответствующей режиму глубокого подавления, чтобы в начале усилительной секции еще продолжался отбор энергии у электромагнитной волны электронным сгустком. Условие (3) отражает тот факт, что при увеличении пространственного заряда (q > 2,2) наблюдается ослабление компенсационного эффекта.

На фиг. 1 представлено изменение фазовой чувствительности поля и коэффициента усиления вдоль длины прибора при реализации режима глубокого подавления поля сигнала на выходе секции компенсации двухсекционной ЛБВ; на фиг. 2 показаны ЛБВ с секцией компенсации, реализующей предлагаемое устройство, а также изменение фазовых чувствительностей поля и тока, коэффициента усиления и амплитуды тока вдоль длины прибора.

ЛБВ (см. фиг.2) перед усилительной секцией 1 содержит секцию 2 компенсации, параметры которой удовлетворяют условиям (1)-(3).

Усиливаемый сигнал подают на вход секции 2 компенсации, в которой происходит его подавление и модуляция электронного потока полем сигнала. Ослабленный сигнал и промодулированный электронный поток поступают в усилительную секцию 1, где происходит усиление сигнала до необходимого уровня. Одновременное возбуждение усилительной секции 1 полем сигнала и сгруппированным электронным потоком при выполнении заданных условий (1)-(3) на параметры секции 2 компенсации приводит к росту аномальной фазовой чувствительности поля сигнала к изменению напряжения на замедляющей системе в начале усилительной секции 1. В дальнейшем в процессе усиления сигнала происходит компенсация положительной фазовой чувствительностью отрицательной фазовой чувствительности в секции 1.

Рассмотрим конкретную реализацию предлагаемого устройства на примере спиральной лампы бегущей волны дециметрового диапазона с параметрами: ток пучка I₀ 0,053 A; ускоряющее напряжение V₀1258 B; параметр усиления ε 0,11; параметр пространственного заряда q 0,8; фазовая чувствительность в режиме насыщения мощности выходного сигнала f_F-15,48 град/%
Для достижения глубокой компенсации фазовой чувствительности к изменению напряжения на замедляющей системе в режиме насыщения мощности выходного сигнала лампа бегущей волны перед усилительной секцией 1 содержит секцию 2 компенсации, параметры которой удовлетворяют условиям (1)-(3).

На фиг.2 представлены полученные в результате численного моделирования с помощью программ САПР "SIGNAL" кривые изменения фазовых чувствительностей поля f_F и тока f_I, коэффициента усиления К_ус и амплитуды тока I вдоль длины для прибора с фазовой чувствительностью f_F=0,4 град/% на длине насыщения мощности выходного сигнала. При этом мощность входного сигнала Р_вх 29,9 мВт, параметр затухания d 0, а параметры секций компенсации и усиления соответственно равны v_ф1 26,7x x10⁶ м/c; Z₁ 53 мм (безразмерная длина Y₁ 1,46); q₁ 1,36; v_ф2 19,6˙ 10⁶ м/с; q₂ 0,9, для поглотителя d_погл 1,14; z_нач 119,2 мм; z_погл 39,7 мм (безразмерная длина Y_нач 3,0; Y_погл 1,0).

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить глубокую компенсацию фазовой чувствительности ЛБВ в режиме насыщения мощности выходного сигнала, что повышает качество усиления сигнала и дает возможность снизить требования к источнику питания усилителя, т. е. упростить его конструкцию, уменьшить массогабаритные параметры и стоимость всего устройства в целом.

Использование: в электронике сверхвысоких частот и может быть применено для создания усилителей с повышенной фазовой стабильностью, применяемых в доплеровской радиолокации. Сущность изобретения: устройство позволяет осуществить глубокую компенсацию фазовой чувствительности в режиме насыщения мощности выходного сигнала. Это достигается включением перед усилительной секцией, работающей в режиме подавления сигнала, секции компенсации, параметры которой удовлетворяют определенным условиям. 2 ил.

ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, содержащая перед усилительной секцией секцию компенсации, отличающаяся тем, что параметры секции компенсации удовлетворяют условиям


q < 2,2,
где v_ф фазовая скорость электромагнитной волны;
z длина секции;

параметр пространственного заряда;
v₀ скорость электронного потока;

параметр усиления;

электронное волновое число;
I₀ ток пучка;
Z сопротивление связи;
V₀ ускоряющее напряжение;
ω_p плазменная частота;
P коэффициент депрессии;
ω угловая частота сигнала.