Методы повышения КПД ЛБВ

Одним из важных параметров современных ЛБВ является электронный коэффициент полезного действия:

·                                                                (20)

Одним из основных способов повышения КПД остается повышение эффективности взаимодействия электронного луча с бегущей электромагнитной волной.

Следует, однако, признать, что ЛБВ – вакуумный прибор с достаточно слабым взаимодействием. Обеспечение электронного в КПД 25…27 % остается малодостижимым рубежом. Среднее значение электронного КПД составляет ~ 18…20%, в коротковолновом диапазоне может быть гораздо ниже.

Вторым способом, конечно же, может быть снижение подводимой мощности. Так, если I_кат=I_зс+I_кол, то

.                                                                 (21)

Таким образом, если в лампе обеспечить хорошее токопрохождение и на коллектор подать пониженный относительно ЗС потенциал U_кол, то КПД, определяемое выражением (21), будет больше, чем , определяемое формулой (20). Величина этого достижимого КПД будет тем выше, чем ниже удастся понизить потенциал коллектора. Процесс понижения потенциала коллектора называется рекуперацией.

Рассмотрим предельный случай. Все электроны отдают свою энергию электромагнитному полю и попадают в область коллектора с нулевыми скоростями. Любое, даже незначительное понижение потенциала коллектора будет сопровождаться появлением у электронов отрицательных скоростей и возвратом их на замедляющую систему.

Отсюда можно сделать вывод: чем выше электронное КПД прибора, тем меньше возможностей понижения потенциала коллектора и больше возможностей для того, чтобы избежать перегрева замедляющей системы. А если учитывать, что в любом электронном потоке имеются электроны с нулевыми скоростями, то возврат электронов на ЗС при рекупирации неминуем.

В ЛБВ с выходной мощностью, не превышающей 100…200 Вт, применяется метод постепенного снижения потенциала коллектора, т. е. многоступенчатая рекуперация. Таких ступеней может быть четыре-пять:

                                             (22)

Если добиться, чтобы максимальная величина катодного тока попадала на пятую ступень при минимальном значении потенциала U_кол5 , то подводимая мощность будет определяться в основном мощностью, рассеиваемой на 5-й ступени коллектора.

В мировой практике удалось достичь рекордных значений промышленного КПД маломощных приборов – до 70…75 %.

Гораздо сложнее ситуация с мощными приборами (мощность которых превышает 1 кВт). Возникают три существенные проблемы.

1. Сложность в обеспечении необходимой электропрочности, так как питающие напряжения при больших уровнях мощностей высокие. Это ограничивает количество ступеней, применяемых для рекуперации.

2. Ограничение возможностей теплоотвода от ступеней коллектора.

3. Разогрев замедляющей системы и значительное ухудшение согласования с выводом энергии из-за большого количества отраженных от ЗС электронов.

Абсолютное количество отраженных на ЗС электронов настолько велико, что возникает проблема разогрева ЗС и значительного ухудшения согласования с выводом энергии.

Поэтому для мощных приборов, как правило, применяется только двухступенчатая рекуперация. При этом максимально достижимый уровень КПД не превышает 45 %. Увеличение количества ступеней сопровождается значительным увеличением массогабаритных характеристик коллектора, что становится неоправданным.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С начала 80-х годов прошлого столетия получили развитие многолучевые короткие, так называемые «прозрачные» ЛБВ с коэффициентом усиления 10…12 дБ, что дало возможность использовать цепочечный вариант из двух ЛБВ: предварительной – с нормальным коэффициентом усиления (30…40 дБ) и выходной «прозрачной» многолучевой ЛБВ. Такое построение обеспечивает высокий уровень мощности (несколько десятков киловатт) при достаточно низких питающих напряжениях. Напряжения питания многолучевых приборов более чем в 2 раза меньше, чем у аналогичных однолучевых приборов. Применение многолучевых приборов позволяет обеспечить многорежимность работы, т. е. в широких пределах менять уровень выходной мощности без значительного изменения КПД.

Очевидно, перспективой развития ЛБВ является создание многолучевых приборов с коэффициентом усиления не менее 30 дБ и низкими питающими напряжениями. Это обеспечивает снижение массогабаритных характеристик передатчиков примерно на 20 % и, что самое главное, значительно повысить электропрочность этих передатчиков. Спрос на такие ЛБВ для РЛС и связи значительно растет.

В данной лекции не рассматривались особенности откачки ЛБВ, их тренировки, настройки в динамическом режиме и методы испытаний, это может явиться темой следующей лекции.

5. ЛИТЕРАТУРА

1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1, 2. - М: Высшая школа, 1970.

2. Силин Р.А. Периодические системы. - М: Высшая школа, 2003.

3. Дубровский И.М. Справочник по физике. - Киев: Наукова думка, 1986.

4. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. – М.: Сов. радио, 1966.