logo1

logoT

 

Режим рекуперации клистрона


2.3. Двухрезонаторные клистронные умножители частоты

Двухрезонаторные клистроны могут быть с успехом использованыв качестве умножителей частоты [1]. Возможность эффективного умножения частоты обусловлена богатым содержаниемвысших гармоник в волне конвекционного и наведенного токов в выходном резонаторе, причем электронный КПД довольно медленно уменьшается с ростом номера гармоники.

Для настройки выходного резонатора на n-ю гармонику его размеры уменьшают по сравнению с входным, в то время как в усилительном клистроне эти резонаторы выполняют одинаковыми. Первый резонатор, настроенный на низкую частоту входного сигнала, имеет большие габариты в индуктивной части и малое расстояние d1 между сетками для увеличения емкости резонатора. Входной сигнал поступает через коаксиальный ввод энергии. Второй резонатор имеет гораздо меньшие габариты и увеличенное расстояние d2 между сетками в целях уменьшения емкости для обеспечения высокочастотного выходного сигнала.

Обеспечение указанного режима работы умножительного клистрона требует несколько иных напряжений. Поскольку параметр группировки в общем случае X=, а его оптимальное значение в режиме умножения частоты меньше, чем в режиме усиления, то требуемые напряжения можно получить соответствующим увеличением анодного напряженияU0либо уменьшением величинsиUm1.

Качество работы умножителя оценивается потерями преобразования (дБ)

. (2.35)

Величина называется коэффициентом преобразования входного сигналаРвх(n = 1) в выходной сигналРвыхnn-кратной частоты. Чем меньше потери преобразованияLпр, тем больше коэффициент преобразованияKпри выше качество умножителя.

Выходные параметры умножительного клистрона: КПД и выходная мощность меньше, чем в усилительном клистроне. По значению КПД клистронные умножители существенно уступают умножителям частоты на полупроводниковых диодах, КПД которых может достигать 80 %. Однако так как значение КПД двухрезонаторного клистрона мало изменяется с ростом номера гармоники, то в клистронном умножителе можно реализовать двадцатикратное умножение частоты с длиной волны выходного сигнала около 0,4 мм.

2.4. Многорезонаторные пролетные усилительные клистроны

В двухрезонаторных клистронах из-за влияния пространственного заряда электронного потока не удается получить коэффициент усиления более 15дБ. Для повышения коэффициента усиления клистронных усилителей может быть использовано каскадное соединение нескольких резонаторных клистронов. Однако это достигается усложнением схем питания цепей накала и высоковольтных электродов, так как источники питания необходимо изолировать. Проще каскадно соединить несколько резонаторов. Особенности работы многорезонаторных пролетных клистронов рассмотрим на примере трехрезонаторного клистрона, схема которого представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема трехрезонаторного клистрона

2.4.1. Принцип каскадной группировки электронов

Процесс образования электронных сгустков в промежутках дрейфа многорезонаторного клистрона принято называть каскадной группировкой.

Рассмотрим группировку электронов в трехрезонаторном клистроне с помощью пространственно-временной диаграммы, построенной на рис. 2.10. Сначала будем считать, что входной сигнал мал, а все резонаторы настроены частоту усиливаемого сигнала. При подведении к устройству всех необходимых напряжений электронная пушка формирует однородный электронный пучок, который со скоростью v0 входит в первый резонатор. Электроны, прошедшие зазор первого резонатора с напряжениемU1×sint, группируются около невозмущенного электрона 2, и электронный сгусток, включающий электроны 1–3, наводит во втором резонаторе высокочастотное напряжение U2×sint, фаза которого определяется тем, что электронные сгустки оказываются в максимумах тормозящего поля. Напряжение U2 противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока. Второй резонатор не нагружен и имеет высокую добротность. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой зазора. Поэтому амплитуда напряжения U2 значительно превышает амплитуду напряжения в выходном резонаторе двухрезонаторного клистрона и оказывает более сильное тормозящее воздействие на пролетающий электронный поток.

Электрон 4, который вылетел из первого резонатора со сдвигом во времени на полпериода относительно электрона 2, является наиболее «неблагоприятным» при группировке в первой трубе дрейфа, так как оказывается в максимуме ускоряющего полупериода во втором резонаторе. После ускорения во втором зазоре этот электрон постепенно приближается к центру вновь образуемого сгустка.

Рис. 2.10. Пространственно-временная диаграмма каскадного группирования электронов в трехрезонаторном клистроне

Принцип каскадной группировки заключается в том, что второй резонатор выступает в качестве дополнительного группирователя, который тормозит электронные сгустки и ускоряет электроны типа 4, пролетающие на полпериода позже сгустков. Скоростная модуляция во втором резонаторе оказывается весьма интенсивной вследствие большой амплитуды высокочастотного напряжения U2. Поэтому электрон 4 догоняет электронный сгусток в зазоре третьего резонатора.

Таким образом, если в двухрезонаторном клистроне электрон 4 является «неблагоприятным», так как отбирал энергию в выходном резонаторе, то в трехрезонаторном клистроне он группируется с теми электронами, которые отдают энергию высокочастотному полю выходного резонатора. Осуществление модуляции по скорости в двух резонаторах вместо одного создает эффект, аналогичный действию идеального модулятора, к зазору которого приложено пилообразное напряжение.

На рис. 2.11 показана форма волны конвекционного тока iконв 3в зазоре третьего резонатора за время периода электромагнитных колебаний. Кривая конвекционного тока имеет четыре пика. Форма волны конвекционного токаiконв 3 постепенно приближается к прямоугольной и идеальной с точки зрения эффективного отбора энергии от электронных сгустков.

За счет принципа каскадной группировки электронов

Рис. 2.11. Форма волны конвекционного тока в выходном зазоре трехрезонаторного клистрона

теоретический предел электронного КПД, как это следует из элементарной кинематической теории, в трехрезонаторном клистроне достигает значения эл. макс = 73,8 % против 58,2 % для двухрезонаторного клистрона.

2.4.2. Коэффициент усиления и КПД многорезонаторного клистрона. Пути повышения КПД

При использовании многорезонаторных клистронов различают два режима, связанных с настройкой резонаторов: максимального усиления и максимального КПД.

Коэффициент усиления многорезонаторного клистрона определяется количеством каскадов. Усиление на один каскад в нем оказывается намного больше, чем в двухрезонаторном клистроне. Как уже отмечалось, это связано с тем, что промежуточные резонаторы каскадного клистрона не нагружены и в них развиваются высокочастотные колебания большой амплитуды даже в условиях недогруппировки электронов при малом входном сигнале.

Для ориентировочной оценки максимального коэффициента усиления N-резонаторного клистрона можно воспользоваться эмпирическим соотношением [8]

Кмакс = 15 + (N– 2)×20 [дБ] . (2.36)

Из выражения (2.36) следует, что в семирезонаторном клистроне можно получить усиление более 100 дБ. Однако при таком усилении клистрон легко самовозбуждается из-за трудноустранимой паразитной обратной связи между выходом и входом усилителя, а также относительная полоса усиливаемых частот оказывается относительно малой, не более 0,1-0,2%.

Реальный КПД трехрезонаторного клистрона оказывается равным приблизительно 30% против 73,8 %, полученных из элементарной кинематической теории. Существует несколько путей достижения больших КПД в многорезонаторных клистронах.

Более высокие значения КПД многорезонаторных клистронов можно получить в следующих случаях.

1. Использование рекуперации энергии, которая заключается в торможении электронного пучка на выходе его из преобразующегося устройства. Для этого между преобразующим устройством и отделенным от него коллектором создают тормозящее электростатическое поле. В этом случае неиспользованная электронами энергия переходит в энергию электростатического поля, т.е. возвращаетсяв источник питания. Рекуперация по своему физическому смыслу аналогична возврату электрической энергии во внешнюю цепь электродвигателя при его торможении.

Полная передача энергии электронных сгустков ввысокочастотном поле выходного резонатора (т.е. 100%-й электронный КПД) означает снижение скорости электронов до нуля на выходе из зазора резонатора. Последнее обеспечить не удается, и электроны вылетают из выходного резонатора к коллектору с конечными скоростями. Рекуперация достигается путем снижения потенциала коллектора по отношению к потенциалу резонаторной системы с трубами дрейфа, что обеспечивает дальнейшее торможение электронов на участке между выходным резонатором и коллектором, т. е. в цепи постоянного тока.На рис. 2.12 показано, как подается напряжение на коллектор многорезонаторного клистрона с рекуперацией. В схеме использованы два источника питания. Один из них подключен к ускоряющему электроду, другой – к коллектору. Напряжение U0 первого источника определяет среднюю скорость электронов в группирователе,в состав которого входят все резонаторы, кроме выходного. Постоянный токIр этого источника, возникающий вследствие оседания электронов на стенках труб дрейфа и в резонаторах, обычно невелик. Высокое токопрохождение электронов на коллектор обеспечивается в основном за счет фокусирующего действия продольного магнитного поля.

Напряжение второго источника Uкл меньшеU0в соответствии с принципом рекуперации, а ток второго источникаI0– это фактически постоянный ток электронного пучка, достигающего коллектора.

Рис. 2.12. Схема трехрезонаторного клистрона с рекуперацией

Электронный КПД клистрона с рекуперацией определяется выражением [2]

, ( 2.37)

где Р01иР02– мощности источников питания;Рэл – мощность, отдаваемая электронным потоком.

Так как Iр

studfiles.net

2.3. Двухрезонаторные клистронные умножители частоты

Двухрезонаторные клистроны могут быть с успехом использованыв качестве умножителей частоты [1]. Возможность эффективного умножения частоты обусловлена богатым содержаниемвысших гармоник в волне конвекционного и наведенного токов в выходном резонаторе, причем электронный КПД довольно медленно уменьшается с ростом номера гармоники.

Для настройки выходного резонатора на n-ю гармонику его размеры уменьшают по сравнению с входным, в то время как в усилительном клистроне эти резонаторы выполняют одинаковыми. Первый резонатор, настроенный на низкую частоту входного сигнала, имеет большие габариты в индуктивной части и малое расстояние d1 между сетками для увеличения емкости резонатора. Входной сигнал поступает через коаксиальный ввод энергии. Второй резонатор имеет гораздо меньшие габариты и увеличенное расстояние d2 между сетками в целях уменьшения емкости для обеспечения высокочастотного выходного сигнала.

Обеспечение указанного режима работы умножительного клистрона требует несколько иных напряжений. Поскольку параметр группировки в общем случае X=, а его оптимальное значение в режиме умножения частоты меньше, чем в режиме усиления, то требуемые напряжения можно получить соответствующим увеличением анодного напряженияU0либо уменьшением величинsиUm1.

Качество работы умножителя оценивается потерями преобразования (дБ)

. (2.39)

Величина называется коэффициентом преобразования входного сигналаРвх(n = 1) в выходной сигналРвыхnn-кратной частоты. Чем меньше потери преобразованияLпр, тем больше коэффициент преобразованияKпри выше качество умножителя.

Выходные параметры умножительного клистрона: КПД и выходная мощность меньше, чем в усилительном клистроне. По значению КПД клистронные умножители существенно уступают умножителям частоты на полупроводниковых диодах, КПД которых может достигать 80 %. Однако так как значение КПД двухрезонаторного клистрона мало изменяется с ростом номера гармоники, то в клистронном умножителе можно реализовать двадцатикратное умножение частоты с длиной волны выходного сигнала около 0,4 мм.

2.4. Многорезонаторные пролетные усилительные клистроны

В двухрезонаторных клистронах из-за влияния пространственного заряда электронного потока не удается получить коэффициент усиления более 15дБ. Для повышения коэффициента усиления клистронных усилителей может быть использовано каскадное соединение нескольких резонаторных клистронов. Однако это достигается усложнением схем питания цепей накала и высоковольтных электродов, так как источники питания необходимо изолировать. Проще каскадно соединить несколько резонаторов. Особенности работы многорезонаторных пролетных клистронов рассмотрим на примере трехрезонаторного клистрона, схема которого представлена на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема трехрезонаторного клистрона

2.4.1. Принцип каскадной группировки электронов

Процесс образования электронных сгустков в промежутках дрейфа многорезонаторного клистрона принято называть каскадной группировкой.

Рассмотрим группировку электронов в трехрезонаторном клистроне с помощью пространственно-временной диаграммы, построенной на рис. 2.11. Сначала будем считать, что входной сигнал мал, а все резонаторы настроены частоту усиливаемого сигнала. Электроны, прошедшие зазор первого резонатора с напряжением U1×sint, группируются около невозмущенного электрона 2, и электронный сгусток, включающий электроны 1–3, наводит во втором резонаторе высокочастотное напряжение U2×sint, фаза которого определяется тем, что электронные сгустки оказываются в максимумах тормозящего поля. Напряжение U2 противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока. Второй резонатор не нагружен и имеет высокую добротность. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой зазора. Амплитуда напряжения U2 значительно превышает амплитуду напряжения в выходном резонаторе двухрезонаторного клистрона и оказывает более сильное тормозящее воздействие на пролетающий электронный поток.

Электрон 4, который вылетел из первого резонатора со сдвигом во времени на полпериода относительно электрона 2, является наиболее «неблагоприятным» при группировке в первой трубе дрейфа, так как оказывается в максимуме ускоряющего полупериода во втором резонаторе. После ускорения во втором зазоре этот электрон постепенно приближается к центру вновь образуемого сгустка.

Рис. 2.11. Пространственно-временная диаграмма группировки электронов в трехрезонаторном клистроне

Принцип каскадной группировки заключается в том, что второй резонатор выступает в качестве дополнительного группирователя, который тормозит электронные сгустки и ускоряет электроны типа 4, пролетающие на полпериода позже сгустков. Скоростная модуляция во втором резонаторе оказывается весьма интенсивной вследствие большой амплитуды высокочастотного напряжения U2. Поэтому электрон 4 догоняет электронный сгусток в зазоре третьего резонатора.

Таким образом, если в двухрезонаторном клистроне электрон 4 является «неблагоприятным», так как отбирал энергию в выходном резонаторе, то в трехрезонаторном клистроне он группируется с теми электронами, которые отдают энергию высокочастотному полю выходного резонатора. Осуществление модуляции по скорости в двух резонаторах вместо одного создает эффект, аналогичный действию идеального модулятора, к зазору которого приложено пилообразное напряжение.

На рис. 2.12 показана форма волны конвекционного тока iконв 3в зазоре третьего резонатора за время периода электромагнитных колебаний. Кривая конвекционного тока имеет четыре пика, соответствующих экстремумам фазовой диаграммы. Поэтому форма волны конвекционного токаiконв 3 приближается к прямоугольной и идеальной с точки зрения эффективного отбора энергии от электронных сгустков.

За счет принципа каскадной группировки электронов

Рис. 2.12. Форма волны конвекционного тока в выходном резонаторе трехрезонаторного клистрона

теоретический предел электронного КПД, как это следует из элементарной кинематической теории, в трехрезонаторном клистроне достигает значения эл. макс = 73,8 % против 58,2 % для двухрезонаторного клистрона.

2.4.2. Коэффициент усиления и КПД многорезонаторного клистрона

При использовании многорезонаторных клистронов различают два режима, связанных с настройкой резонаторов: максимального усиления и максимального КПД.

Коэффициент усиления многорезонаторного клистрона определяется количеством каскадов. Усиление на один каскад в нем оказывается намного больше, чем в двухрезонаторном клистроне. Как уже отмечалось, это связано с тем, что промежуточные резонаторы каскадного клистрона не нагружены и в них развиваются высокочастотные колебания большой амплитуды даже в условиях недогруппировки электронов при малом входном сигнале.

Для ориентировочной оценки максимального коэффициента усиления N-резонаторного клистрона можно воспользоваться эмпирическим соотношением [8]

Кмакс = 15 + (N– 2)×20 [дБ] . (2.40)

Повышение коэффициента усиления с увеличением числа каскадов при неизменной мощности источника постоянного тока в основном объясняется не увеличением выходной мощности, а снижением мощности входного сигнала на входе усилителя, необходимой для управления электронным потоком, а также тем, что все резонаторы, кроме последнего, выполняют роль каскадных группирователей.

Из выражения (2.40) следует, что в семирезонаторном клистроне можно получить усиление более 100 дБ. Однако при таком усилении клистрон легко самовозбуждается из-за трудноустранимой паразитной обратной связи между выходом и входом усилителя, а также относительная полоса усиливаемых частот оказывается относительно малой, не более 0,1-0,2%.

Существует несколько путей достижения больших КПД в многорезонаторных клистронах. Реальный КПД трехрезонаторного клистрона оказывается равным приблизительно 30% против 73,8 %, полученных из элементарной кинематической теории.

Более высокие значения КПД многорезонаторных клистронов можно получить в следующих случаях.

1. Использование рекуперации энергии, которая заключается в торможении электронного пучка на выходе его из преобразующегося устройства. Для этого между преобразующим устройством и отделенным от него коллектором создают тормозящее электростатическое поле. В этом случае неиспользованная электронами энергия переходит в энергию электростатического поля, т.е. возвращаетсяв источник питания. Рекуперация по своему физическому смыслу аналогична возврату электрической энергии во внешнюю цепь электродвигателя при его торможении.

Полная передача энергии электронных сгустков ввысокочастотном поле выходного резонатора (т.е. 100%-й электронный КПД) означает снижение скорости электронов до нуля на выходе из зазора резонатора. Последнее обеспечить не удается, и электроны вылетают из выходного резонатора к коллектору с конечными скоростями. Рекуперация достигается путем снижения потенциала коллектора по отношению к потенциалу резонаторной системы с трубами дрейфа, что обеспечивает дальнейшее торможение электронов на участке между выходным резонатором и коллектором, т. е. в цепи постоянного тока.На рис. 2.13 показано, как подается напряжение на коллектор многорезонаторного клистрона с рекуперацией. В схеме использованы два источника питания. Один из них подключен к ускоряющему электроду, другой – к коллектору. Напряжение U0 первого источника определяет среднюю скорость электронов в группирователе,в состав которого входят все резонаторы, кроме выходного. Постоянный токIр этого источника, возникающий вследствие оседания электронов на стенках труб дрейфа и в резонаторах, обычно невелик. Высокое токопрохождение электронов на коллектор обеспечивается в основном за счет фокусирующего действия продольного магнитного поля.

Напряжение второго источника Uкл меньшеU0в соответствии с принципом рекуперации, а ток второго источникаI0– это фактически постоянный ток электронного пучка, достигающего коллектора.

Рис. 2.13. Схема трехрезонаторного клистрона с рекуперацией

Электронный КПД клистрона с рекуперацией определяется выражением [2]

, ( 2.41)

где Р01иР02– мощности источников питания;Рэл – мощность, отдаваемая электронным потоком.

Так как Iр

studfiles.net

4.2.2. Многорезонаторный усилительный клистрон.

Для достижения лучшей группировки, а следовательно для повышения эффективности работы клистронов, выходной их мощности и коэффициента усиления, обычно, создают приборы такого типа с количеством резонаторов больше двух. Опишем вкратце работу таких многорезонаторных клистронов.

В принципе, возможен другой путь для решения проблемы - использование включенных в цепочку двухрезонаторных клистронов. Действительно, если на вход первого двухрезонаторного клистрона (рис.4.5) подан малый по величине сигнал, то и на его выходе амплитуда сигнала невелика. Если мы с выхода первого клистрона подадим сигнал на второй, под действием большего по величине сигнала в нем осуществится лучшая группировка пространственного заряда и получится большая мощность на выходе. Включив на выходе второго клистрона третий и т.д., мы будем получать все большие мощности.

Рис.4.5.

Произойдет это, правда, при выполнении того условия, что каждый последующий клистрон будет оптимизирован по своим размерам с учетом другого уровня входного сигнала. Основное отличие следующих за первым (входным) клистронов в длине канала дрейфа. Чем больше входная мощность, тем короче может быть сделан канал.

Такая схема включения клистронов имеет существенные недостатки:

1. Электронный пучок в первых клистронах уходит на коллектор практически неиспользованным (уносит большую кинетическую энергию), что снижает КПД всей системы.

2. Имеются пары резонаторов, которые хочется объединить.

3. Совершенно напрасно мы используем несколько пушек.

Напрашивается идея нанизать все резонаторы на один пучок.

Таким образом и получается многорезонаторный клистрон. Схематическое изображение многорезонаторного клистрона показано на рис.4.6.

В многорезонаторном клистроне группировка электронов усиливается при прохождении последовательности резонаторов. В результате в многорезонаторных клистронах удается получить существенное увеличение не только коэффициента усиления и мощности, но и КПД.

Дополнительное повышение КПД может быть достигнуто при использовании рекуперации. Суть этой процедуры состоит в уменьшении потерь энергии из-за бомбардировки электронами коллектора.

Электронный КПД прибора определяется следующим выражением

(4.1)

Здесь в числителе полезная выходная СВЧ мощность Рвых, а в знаменателе - сумма всех мощностей, отбираемых от источника питания. Сюда входят, кроме Рвых, мощности, выделяемые электронным потоком на коллекторе (Ркол) и на других электродах

Рис.4.6.

(Рэл-д) при их бомбардировке. Электронный КПД может быть увеличен, если удастся уменьшить два последних слагаемых в знаменателе рассматриваемого выражения. Величину Рэл-д удается сделать пренебрежимо малой по сравнению с Ркол при качественной «настройке» электронной пушки и системы магнитного удержания пучка. Уменьшить же мощность Ркол, выделяемую на коллекторе, можно за счет рекуперации. Уменьшение этой мощности достигается в результате торможения электронов в коллекторной области прибора.

Для рекуперации используются специально сконструированные коллекторные системы. В простейшем варианте одноступенчатой рекуперации на коллектор подается задерживающее относительно выходного резонатора напряжение. При этом важно избежать отражения электронов в сторону входа, поскольку такой обратный поток электронов вредно сказывается на работе клистрона, приводя к формированию нежелательных обратных связей и к развитию паразитных колебаний пространственного заряда. Так как влетающие в коллекторную область электроны имеют разброс по продольным скоростям, полностью исключить бомбардировку коллектора невозможно.

В заключение рассказа о клистронных усилителях немного о зависимости выходной мощности от входной и о типичных параметрах клистронов. Зависимость Рвых(Рвх) в двухрезонаторном клистроне имеет вид, показанный на рис.4.7.

Рис.4.7.

Максимум этой характеристики соответствует условиям оптимальной группировки. Соответственно до максимума сгустки недогруппированы, а за максимумом перегруппированы, т.е. оптимальная группировка на спаде достигается в канале дрейфа пучка до входа во второй резонатор.

В многорезонаторном клистроне после некоторого уровня входной мощности выходная мощность в широком интервале значений Рвх слабо зависит от мощности входного сигнала.

Типичная для многорезонаторного клистрона зависимость Рвых(Рвх) показана на рис.4.8.

Рис.4.8.

Такой вид характеристики Рвых(Рвх) определяет основные возможные режимы эксплуатации многорезонаторных клистронов. В случае, когда стремятся к максимальному усилению, работают на линейном восходящем ее участке. Здесь лучше всего передается амплитудная модуляция в СВЧ сигналах. Работа на плато имеет смысл, если стремятся передать частотную модуляцию и одновременно подавить амплитудную.

Работать на плато имеет смысл также, если стремятся получать максимальную выходную мощность.

Современные многорезонаторные клистроны являются весьма совершенными приборами, которые могут работать в очень широком интервале частот вплоть до миллиметрового диапазона, при напряжениях до нескольких сотен кВ и при токах до сотен ампер. Выходные мощности достигают в непрерывном режиме работы нескольких сотен кВт, а в импульсном - десятков МВт. КПД этих приборов с рекуперацией достигает значений порядка 80-90% , а их коэффициент усиления достигает 60 дБ

studfiles.net

Специальные электронные приборы для СВЧ - Пролетный клистрон

Идея создания пролетного клистрона была впервые высказана Д. А. Рожанским. Схема устройства и включения пролетного двухрезонаторного клистрона для усиления колебаний показана на рис. 25.1, а. Электронный поток от катода к аноду проходит через две пары сеток, представляющих собой части стенок объемных резонаторов P1 и Р2 (иногда вместо сеток делают просто отверстия в стенках резонаторов). Резонатор P1 служит входным контуром. К нему с помощью коаксиальной линии и витка связи подводятся усиливаемые колебаний с частотой f. Его сетки 1 и 2 образуют модулятор (группирователь), в котором происходит модуляция скорости электронов. Резонатор Р2 служит выходным контуром. В нем получаются усиленные колебания. Их энергия отбирается с помощью витка связи и коаксиальной линии. Сетки 3 и 4 образуют уловитель. На оба резонатора и на анод подано положительное напряжение Uр, создающее между сеткой 1 и катодом ускоряющее поле, под влиянием которого электроны влетают в модулятор со значительной скоростью v0.

Если в резонаторе Р1 происходят колебания, то между сетками 1 и 2 создается переменное электрическое поле, которое действует на электронный поток и изменяет (модулирует) его скорость. В тот полупериод, когда на сетке 2 положительный, а на сетке 1 отрицательный переменный потенциал, поле между сетками будет ускоряющим и электроны, пролетающие через модулятор, получат добавочную скорость Δv. Во время следующего полупериода на сетке 2 потенциал отрицательный, а на сетке 1 — положительный, т. е. поле становится тормозящим для электронов, которые уменьшают свою скорость на Δv. Только те электроны, которые пролетают через модулятор в момент, когда напряжение равно нулю, продолжают движение со скоростью v0.

Таким образом, в пространство между сетками 3 и 2, называемое пространством дрейфа (илиг пространством группирования), попадают электроны, имеющие разную скорость. В этом пространстве нет электрического поля, так как между сетками 3 и 2 нет разности потенциалов, и электроны летят по инерции с неизменными скоростями. Электроны, имеющие большую скорость, догоняют электроны, движущиеся с меньшей скоростью. В результате электронный поток разбивается на отдельные более плотные группы электронов — электронные сгустки. Можно сказать, что благодаря модуляции электронного потока по скорости в пространстве дрейфа происходит модуляция этого потока по плотности.

Рис. 25.1. Принцип устройства и работы двухрезонаторного пролетного клистрона

Образование электронного сгустка можно показать графически. На рис. 25.1, б приведен график зависимости пути s от времени t для электронов, пролетающих через модулятор в различные моменты времени, и график переменного, напряжения в резонаторе P1. Расстояние s отсчитывается от модулятора. Электроны движутся в пространстве дрейфа равномерно, и графики их движения будут прямые линии, наклон которых показывает скорость движения.

Рассмотрим движение трех электронов, пролетающих через модулятор в моменты времени t1, t2 и t3 Пусть электроны влетают в модулятор с одной и той же скоростью и время их пролета через модулятор много меньше периода. Тогда электрон, пролетающий через модулятор в момент t2, будет лететь далее с прежней скоростью v0 и график его движения — прямая линия с некоторым средним наклоном. График движения электрона, пролетающего через модулятор в момент t1, имеет меньший наклон, так как этот электрон тормозился в резонаторе и его скорость меньше. А электрон, соответствующий моменту t3, получит в резонаторе дополнительную скорость и его график пойдет круче. Все три прямые пересекаются в одной точке. Это значит, что все три электрона в этой точке своего пути группируются. Другие электроны, пролетающие через модулятор в промежуточные моменты времени, также придут в эту точку примерно в тот же момент. Что же касается электронов, пролетающих через модулятор раньше момента t1 и позже момента t3, то, как показывают графики, они не группируются.

Таким образом, группируются в сгусток лишь электроны, пролетающие через модулятор во время одной половины периода. Хорошее «сгущение» возможно только в том случае, если глубина модуляции скорости электронов невелика, т. е. изменение скорости электронов под влиянием модулирующего переменного поля незначительно по сравнению со скоростью, которую они получили от постоянного ускоряющего напряжения. Поэтому переменное напряжение между сетками резонатора должно быть значительно меньше, чем постоянное напряжение Up. Группирование электронов в сгусток повторяется в течение одной половины каждого периода.

Постоянное напряжение Up подбирается так, чтобы электронный сгусток получился в уловителе, т. е. на расстоянии d от модулятора. Если напряжение Up велико, то электронный сгусток получится на большем расстоянии (между уловителем и анодом), а при малом напряжении Up он будет слишком близко (в пространстве дрейфа). Отсюда следует, что ускоряющее напряжение Up должно быть вполне определенным и стабильным.

После точки наибольшего сгущения электронного потока электроны снова расходятся. Если продолжить графики движения электронов, то окажется, что группирование в сгусток снова повторится на расстоянии 3d, затем 5d и т.д. Однако это практически не используется, так как размеры прибора увеличивать невыгодно.

Итак, в уловитель поступают электронные сгустки, следующие друг за другом с частотой f Они создают в резонаторе Р2 импульсы наведенного тока и возбуждают в нем колебания. Для получения максимальной амплитуды колебаний резонатор Р2 должен быть настроен на частоту f на которую настроен и резонатор Р1 Подобно тому как в усилительном каскаде высокой частоты импульсы анодного тока проходят через анодный колебательный контур и создают в нем усиленные колебания, так и в клистроне электронный поток, состоящий из сгустков, создает в резонаторе Р2 усиленные колебания. Усиление происходит за счет энергии источника постоянного напряжения Up, который создает ускоряющее поле. Электроны получают в этом поле большую энергию, и, благодаря тому что в резонаторе P1 происходит модуляция их скорости, они отдают часть этой энергии резонатору Р2.

Электронные сгустки пролетают через резонатор Р2 тогда, когда электрическое поле в нем тормозящее. Пролетевшие через резонатор Р2 электроны попадают на анод и нагревают его. Часть электронов попадает и на сетки резонаторов. Если бы электронный поток не был модулированным, то он не поддерживал бы колебания в резонаторе Р2. Действительно, равномерный электронный поток в тот полупериод колебаний, когда поле в резонаторе ускоряющее, отбирает от резонатора энергию, а во время следующего полупериода отдает такое же количество энергии. В результате не происходит никакой отдачи энергии электронами резонатору.

Применим подобные же рассуждения к взаимодействию электронного потока с резонатором Р1. В этот резонатор поступает равномерный электронный поток, который в один полупериод отнимает некоторую энергию от резонатора, а в следующий полупериод отдает такое же количество энергии обратно. За целый период энергия от резонатора не отбирается. Значит, нет потерь энергии на модуляцию скорости электронов.

Однако мы не учли инерции электронов. Хотя время их пролета через модулятор очень мало, но все же вследствие инерции электронов часть подводимой энергии расходуется на модуляцию. Чтобы этот расход был как можно меньше, увеличивают ускоряющее напряжение Up и уменьшают расстояние между сетками модулятора. Благодаря малым потерям энергии в резонаторе Р1 входное сопротивление этого резонатора и его добротность весьма велики.

Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Серьезный недостаток клистрона заключается в том, что его КПД, представляющий собой отношение полезной колебательной мощности в резонаторе Р2 к мощности постоянного тока анодного источника, не выше 20%, хотя теоретическое предельное значение составляет 58%. Это объясняется следующими явлениями. Группируются электроны недостаточно плотно, так как они вылетают из катода с различной начальной скоростью и, пролетая через модулятор в один и тот же момент времени, имеют неодинаковую скорость. Между электронами действуют силы взаимного отталкивания. Вследствие инерции пролетающие через уловитель электроны отбирают часть колебательной энергии резонатора Р2. Некоторые электроны вообще не группируются в сгустки, т. е. не участвуют в полезной работе. В результате всего этого большая часть энергии бесполезно тратится на нагрев сеток и анода, так как все электроны в конечном счете с какой-то скоростью попадают на эти электроды.

Двухрезонаторные клистроны применяют для усиления в передатчиках СВЧ. Их полезная мощность в режиме непрерывной работы может составлять десятки киловатт, а в импульсном режиме — десятки мегаватт. При уменьшении длины волны мощность уменьшается.

Клистроны применяются и для умножения частоты. Электронный поток в уловителе представляет собой конвекционный ток несинусоидальной формы. При плотном группировании электронов этот ток можно приближенно считать состоящим из импульсов прямоугольной формы. Такой ток имеет резко выраженные высшие гармоники. Настраивая резонатор Р2 на частоту той или иной гармоники, получают колебания умноженной частоты. Амплитуда гармоник с повышением их номера убывает медленно. Возможно умножение частоты в 10 раз и более.

Для усиления слабых сигналов в приемниках клистроны малопригодны, так как создают большие собственные шумы.

В настоящее время изготовляются главным образом пролетные многорезонаторные клистроны, которые сложнее двухрезонаторных по устройству, но обладают некоторыми преимуществами. У многорезонаторных клистронов первый резонатор служит входным, а последний выходным. Промежуточные резонаторы соединены только с положительным полюсом источника питания (рис. 25.2). Под действием пульсирующего электронного потока в них возникают колебания и создается переменное электрическое поле, которое дополнительно модулирует электронный поток и способствует группированию электронов. Поэтому в выходной резонатор попадают более плотные сгустки электронов. В результате КПД и коэффициент усиления мощности клистрона возрастают.

Рис. 25.2. Принцип устройства многорезонаторного пролетного клистрона ФК — фокусирующая катушка; ФЭ — фокусирующий электрод

Современные пролетные клистроны различаются по режиму работы (импульсный или непрерывный), выходной мощности, типу и числу резонаторов, способам фокусировки электронного потока, ввода и вывода энергии СВЧ, перестройки частоты, охлаждения и по другим особенностям.

При импульсной работе частота следования импульсов обычно бывает от десятков до тысяч герц, а длительность импульса — от долей микросекунды до миллисекунд. Пролетные клистроны разделяются на маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные. Мощность в импульсе у них соответственно менее 10 кВт, от 10 кВт до 1 МВт, от 1 до 100 МВт и свыше 100 МВт. Для режима непрерывной работы мощности в 1000 раз меньше. Приведенные значения мощности относятся к пролетным клистронам дециметрового диапазона волн. На сантиметровом диапазоне они снижаются. Фокусировка электронного потока может быть электростатическая, электромагнитная (фокусирующей катушкой) или с помощью постоянных магнитов. Ввод и вывод энергии СВЧ делают коаксиальным, волноводным или комбинированным (коаксиально-волноводным). Резонаторы бывают внутренние, смонтированные в самом клистроне, и внешние. Наиболее распространены пролетные клистроны на фиксированную частоту, но изготовляются также и перестраиваемые клистроны с механической настройкой резонаторов на различные частоты. Однако такая перестройка сложна и позволяет изменять частоту не более чем на 15%. Охлаждение мощных пролетных клистронов бывает естественным или принудительным (воздухом или водой).

Коэффициент полезного действия многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50%, но у многих типов он заметно меньше. А коэффициент усиления мощности у таких клистронов составляет иногда несколько десятков тысяч. Практически трудно получить усиление более чем в 106 раз. Для мощных клистронов, особенно импульсных, требуется напряжение питания в десятки и даже сотни киловольт.

Пролетные клистроны имеют очень узкую полосу частот пропускаемых колебаний, что объясняется наличием нескольких настроенных резонаторов. Обычно полоса частот не превышает нескольких мегагерц. Путем расстройки резонаторов возможно расширение полосы частот, но с неизбежным снижением усиления. Для увеличения выходной мощности делают многолучевые клистроны, в которых через поле одних и тех же резонаторов проходят параллельно несколько электронных потоков.

Пролетный клистрон можно превратить в генератор с самовозбуждением, если установить обратную связь между выходным и входным резонаторами, соединив их коаксиальной линией. Длина линии подбирается такой, чтобы получилась нужная фаза колебаний, подводимых обратно к входному резонатору. При этом электронные сгустки проходят через выходной резонатор за полупериоды, соответствующие тормозящему полю, и поддерживают колебания. А при противоположной фазе электронный поток будет отбирать энергию от выходного резонатора и колебания быстро затухнут. Иногда в двухрезонаторных клистронах с общей стенкой у резонаторов Р1 и Р2 создают дифракционную обратную связь с пймощью отверстия в этой стенке.

Однако пролетные клистроны сравнительно редко используются в качестве генераторов с самовозбуждением. А для маломощных генераторов (гетеродинов) более удобны отражательные клистроны, имеющие только один резонатор.

 

tubeamplifier-narod.ru


Смотрите также

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf