Что такое клистрон и какие функции он выполняет

Клистрон принцип работы

КЛИСТРОН

Раз­ли­ча­ют про­лёт­ные и от­ра­жа­тель­ные клис­тро­ны.

Схема многорезонаторного пролётного клистрона: 1 – электронная пушка; 2 – фокусирующий электрод; 3 – катод; 4 – входной активный резонатор; 5 – пассивные резонаторы

Клистрон

Большинство пролётных клис­тро­нов являются многорезонаторными усилительными клис­тро­нами.

При первом прохождении зазора его электрическое поле СВЧ модулирует скорости электронов.

При втором прохождении электроны прибывают в зазор сформированными в сгустки.

Поле СВЧ в зазоре тормозит эти сгустки и превращает часть кинетической энергии электронов в энергию колебаний СВЧ.

Отражательные клис­тро­ны являются самым массовым типом приборов СВЧ. Они выпускаются для работы в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, имеют выходную мощность от 5 мвт до 5 вт, диапазон механической перестройки частоты до 10%.

Рис. 1. Схемы конструкции пролётных клистронов: а — усилительного, б — генераторного: 1 — катод; 2 — фокусирующий цилиндр; 3 — электронный поток; 4 — входной объёмный резонатор; 5 — отверстие для ввода энергии сверхвысоких частот; 6 — зазор объёмного резонатора; 7 — пространство дрейфа; 8 — выходной объёмный резонатор; 9 — отверстие для вывода энергии сверхвысоких частот; 10 — коллектор, принимающий электронный поток; 11 — промежуточные объёмные резонаторы; 12 — источник постоянного анодного напряжения; 13 — источник напряжения подогрева катода; 14 — первый объёмный резонатор; 15 — щель связи, через которую часть энергии сверхвысоких частот проходит из второго резонатора в первый; 16 — второй объёмный резонатор.

Рис. 2. Схема конструкции отражательного клистрона: 1 — катод; 2 — фокусирующий цилиндр; 3 — электронный поток; 4 — ускоряющая сетка; 5 — объёмный резонатор; 6 — зазор объёмного резонатора; 7 — отражатель; 8 — вторая сетка резонатора; 9 — первая сетка резонатора; 10 — вакуумноплотное керамическое окно вывода энергии сверхвысоких частот из объёмного резонатора; 11 — источник напряжения резонатора клистрона; 12 — источник напряжения подогрева катода; 13 — источник напряжения отражателя

Рис. 3. Зависимость частоты и выходной мощности отражательного клистрона от напряжения на отражателе: А — ширина зоны генерации; Б — ширина зоны генерации по уровню половинной мощности; f1 — частота колебаний в центре зоны; Δf — отклонение частоты от f1; В — диапазон электронной настройки по уровню половинной мощности.

Рис. 4. Способы механической перестройки частоты отражательного клистрона: а — прогибом мембраны, б — перемещением поршня съёмной части объёмного резонатора, в — перемещением штыря объёмного резонатора, находящегося вне вакуума; 1 — мембрана, прогибом которой меняют зазор объёмного резонатора (увеличение зазора увеличивает частоту колебаний); 2 — края металлических дисков клистрона, к которым присоединяют съёмную часть объёмного резонатора; 3 — съёмная часть объёмного резонатора; 4 — поршень объёмного резонатора (при опускании поршня длина объёмного резонатора уменьшается и частота генерируемых колебаний увеличивается); 5 — керамическое вакуумноплотное окно связи между объёмными резонаторами; 6 — штырь (подъём штыря увеличивает зазор объёмного резонатора и частоту колебаний); 7 — отверстие для вывода энергии сверхвысоких частот.

Принцип действия отражательного клистрона

В постоянном ускоряющем поде анода электроны от катода движутся в сторону резонатора, имеющего вид тела вращения. В центральной части его стенки, выполненные из металлических сеток, прозрачных дня электронов, сближаются, образуя узкий зазор.

В установившемся режиме в резонаторе существуют высокочастотные колебания, поле которых между сетками зазора направлено практически вдоль оси потока электронов. Под действием этого поля электроны, пролетающие через зазор, попеременно ускоряются или тормозятся, и лишь те, что проходят зазор в момент смены знака поля, продолжают путь с прежней скоростью (невозмущенные электроны). Таким образом, в зазоре происходит модуляция скорости электронов.

Толщина зазора мала, а, следовательно, мало и время пролета электронов в зазоре, напряжение между сетками зазора также невелико. Все это позволяет считать, что плотность электронного потока на выходе из зазора практически не меняется. В таком виде электронный поток поступает в постоянное тормозящее электрическое поле между резонатором и отражателем. Электроны, двигаясь к отражателю, тормозятся вплоть до остановки (в окрестности точки 5 рис.76.), поворачивают обратно и вновь пролетают через зазор. При этом ускоренные электроны ближе подлетают к отражателю и затрачивают на весь путь в оба конца больше времени, чем замедленные.

Этот процесс приводит к тому, что возвращающийся в зазор поток представляет последовательность сгустков и разрежений, т.е. происходит группировка электронов. На рис.8 видно, что центр сгустка совпадает с положением невозмущениого электрона.

Если сгусток встретит в зазоре тормозящее ВЧ поле (например, точка θ6 на рис.8), то он передаст ему часть своей кинетической энергии, которая послужит поддержанию установившихся в резонаторе колебаний, т.е. клистрон будет генерировать. Начальные колебания в резонаторе, необходимые для модуляции электронов по скорости, возбуждаются за счет флюктуаций электронного потока (дробовой эффект).

Источник

Что такое клистрон и какие функции он выполняет

Глава вторая. Клистроны

2-1. Двухрезонаторный усилительный клистрон. Принцип действия

Определение. Клистронами называют сверхвысокочастотные электронные приборы, использующие принцип скоростной модуляции электронного потока и содержащие один или несколько объемных резонаторов. Клистроны применяются для усиления, генерирования и умножения частоты СВЧ колебаний. Их колебательные системы узкополосные, и перестройка клистронных усилителей или генераторов в широком диапазоне волн производится, как правило, механически, изменением геометрических размеров резонаторов.

Устройство. Схематически устройство двухрезонаторного усилительного клистрона показано на рис. 2-1. Электроны, испускаемые подогревным катодом, увлекаются полем ускоряющего электрода, на который подается положительное напряжение U₀. Этот электрод также несколько фокусирует электронный поток, движущийся далее к первому объемному резонатору. Часть резонатора выполнена в виде сеток, находящихся внутри баллона прибора и образующих емкость колебательного контура. К этому резонатору, называемому обычно модулятором, через коаксиальную линию или волновод и петлю связи подводятся СВЧ колебания, подлежащие усилению. Второй аналогичный резонатор называется улавливателем. Петлей связи усиленные колебания отводятся из улавливателя в нагрузку. Электронный поток движется от катода мимо ускоряющего электрода, сеток первого и второго резонаторов к коллектору, на который подано высокое положительное напряжение. Настройку резонаторов на частоту усиливаемых колебаний производят либо с помощью гибких стенок, при прогибе которых внешними винтами изменяется объем резонатора, либо специальными плунжерами, вводимыми внутрь резонатора и меняющими его индуктивность или емкость.

Принцип действия. Подводимый к модулятору сигнал u = U_1мsinωt возбуждает в нем колебания с частотой ω, на которую настраивают оба резонатора. Переменное электрическое поле сосредоточено в емкости колебательной системы, образованной двумя сетками. Разность потенциалов между сетками модулятора меняется от нуля, когда емкость резонатора полностью разряжена и сетки находятся под одинаковым постоянным потенциалом U₀, до величины U_1м, когда вся колебательная энергия сосредоточена в емкости резонатора. Сетки резонатора служат хорошим экраном для электрического поля, меняющегося с высокой частотой. Поэтому разность потенциалов при перезаряде емкости резонатора меняется лишь в зазоре резонатора между его сетками. Поле же между ускоряющим электродом и первой сеткой резонатора, а также между двумя резонаторами остается неизменным. В этих междуэлектродных промежутках разность потенциалов всегда равна нулю, так как и ускоряющий электрод и оба резонатора находятся под одним и тем же потенциалом U₀.

Электроны, движущиеся от ускоряющего электрода непрерывным потоком со скоростью

Рис. 2-2. Пространственно-временная диаграмма группирования электронов в двухрезонаторном клистроне

В нижней части диаграммы изображены кривые изменения сверхвысокочастотного напряжения на сетках первого резонатора.

Электроны, попадающие в зазор резонатора в течение той половины периода, когда переменное напряжение на второй сетке положительно и вектор напряженности ε переменного поля направлен навстречу движению электронов, ускоряются при пролете между сетками модулятора. В течение второй половины периода переменное напряжение на второй сетке отрицательно, вектор ε направлен от первой сетки ко второй и электроны, пролетая зазор, теряют свою скорость. Изменение скорости электронов определяется мгновенной разностью потенциалов и имеет наибольшие значения в моменты экстремумов переменного напряжения на сетках.

Для упрощения начального рассмотрения будем считать, что электроны скачкообразно изменяют свою скорость в середине зазора.

Верхняя часть диаграммы иллюстрирует движение электронов в пространстве дрейфа после их пролета через сетки резонатора. Ось времени проведена через точку х₁ оси ординат, соответствующую середине зазора модулятора. График движения электронов в пространстве за резонатором представлен прямыми линиями, тангенс угла наклона которых к оси абсцисс пропорционален скорости движения электронов. Электроны, пролетевшие сетки резонатора в моменты прохождения переменного напряжения через нуль, движутся со средней скоростью υ₀, и графики их движения наклонены к оси абсцисс под углом α, тангенс которого определяет скорость движения невозмущенного электрона.

Сгустки электронов, разделенные одинаковыми промежутками времени, равными периоду усиливаемых колебаний, пролетают сетки второго резонатора и наводят в нем импульсы тока. Во втором резонаторе возникают СВЧ колебания с частотой, равной частоте колебаний, подводимых к модулятору. Фаза возбужденных колебаний такова, что в моменты прихода сгустков электронов поле между сетками второго резонатора оказывается тормозящим. Сгустки тормозятся в пространстве между сетками второго резонатора и передают свою энергию переменному электрическому полю, поддерживая таким образом возникшие в резонаторе колебания.

2-2. Группирование электронов в двухрезонаторном клистроне

Модуляция электронного потока по скорости. Электроны, входящие в зазор модулятора двухрезонаторного клистрона со скоростью

ускоряются или замедляются в соответствии с мгновенным значением переменного напряжения u = U_1мsinωt. Поэтому для скорости электрона, прошедшего сетки модулятора, можно записать выражение

Обычно амплитуда переменного напряжения U_1м значительно меньше постоянного напряжения U₀ и корень в выражении (2-1) может быть представлен в виде первых двух членов ряда

Коэффициент модуляции. До сих пор мы считали, что электроны, пролетая сетки модулятора, изменяют свою скорость скачком в середине зазора резонатора, и пренебрегали временем пролета электронов между сетками. В действительности же это время сравнимо с периодом колебаний и оказывает, как будет показано Далее, весьма существенное влияние на форму тока, наводимого сгустком электронов во втором резонаторе. Кроме того, конечное время пролета электронов между сетками модулятора влияет также и на сам процесс модуляции электронного потока.

называется коэффициентом взаимодействия электронов с полем резонатора. Коэффициент β₁ равен 1 при Θ₃ = 0 и обращается в нуль, когда электрон находится в пространстве резонатора в течение всего периода переменного напряжения. В последнем случае модуляции электронного потока не произойдет и электроны после пролета сеток модулятора будут двигаться равномерным потоком.

Если электрон находится в зазоре модулятора в течение, например, положительного полупериода, то приращение его скорости пропорционально не

а корню из среднего значения напряжения за период

В клистронах угол пролета Θ₃ лежит в пределах от π/2 до π. При этом коэффициент β₁ ≈ 0,9 ÷ 0,6.

Учитывая влияние угла пролета Θ₃ электронов в зазоре, выражение (2-2) следует записать в форме

называется коэффициентом модуляции скорости электронного потока.

Параметр группирования. Вводя величину М в выражение (2-7), определяющее скорость электрона, получим:

Отсюда следует, что скорость электронов после пролета сеток резонатора состоит из постоянной величины υ₀ и переменной составляющей, меняющейся во времени по закону синуса.

Из пространственно-временной диаграммы (рис. 2-2) видно, что это изменение скорости электронов приводит к модуляции электронного потока по плотности. На расстоянии х₂ образуются незначительные уплотнения, которые затем увеличиваются, и на расстоянии х₅ образуются плотные сгустки электронов. Чтобы найти закон изменения электронного тока во времени, определим угол пролета электрона до некоторой плоскости х, которой он достигает в момент времени t_x. Время пролета электрона до этой плоскости равно:

Подставляя сюда (2-9), получим:

Учитывая, что М 0. Используя (2-14), можно записать:

Отсюда видно, что при неизменном напряжении U₀ на модуляторе и при фиксированной частоте параметр группирования X увеличивается с расстоянием х от модулятора.

* ( Группирование электронов в идеальный сгусток, приближающийся к δ-функции (Δt → 0), теоретически возможно при использовании модулирующего напряжения специальной пилообразной формы [8]:

При дальнейшем удалении плоскости х зависимость все более искривляется. Появляются две точки М₁ и М₂, для которых dt_x/dt = 0: сгусток электронов начинает раздваиваться и возникают два максимума плотности электронного потока в точках М₁ и М₂, которые при увеличении X раздвигаются все дальше.

Из рассмотренных зависимостей видно, что с расстоянием х изменение плотности электронного потока проявляется все сильней. При этом средняя плотность электронов за большой промежуток времени t ≥ T в любой плоскости х остается неизменной, так как число электронов не меняется и происходит лишь концентрация и разрежение электронного потока в различные интервалы времени.

Для вывода формулы, определяющей изменение электронного тока во времени, можно воспользоваться законом постоянства заряда. В самом деле, заряд в плоскости х должен быть таким же, как и в плоскости, проходящей через середину зазора модулятора:

Производную dt/dt_x легко получить, продифференцировав по времени выражение (2-12); проведя эту операцию и подставив результат в (2-19), получим:

Отсюда видно, что параметр группирования X определяет амплитуду переменной составляющей электронного тока i_ex. При X ≤ 1 ток i_ex изменяется во времени по закону, близкому к гармоническому. Для случая Х = 1 знаменатель при Θ = 0 и cosΘ = 1 обращается в нуль, а ток i_ex устремляется в бесконечность, что соответствует идеальной группировке электронов. В действительности, конечно, i_ex ≠ ∞, так как в силу взаиморасталкивания электронов, различия их траекторий и других факторов группирование не является идеальным. При Х > 1 знаменатель выражения (2-20) дважды обращается в нуль, что соответствует образованию двух пиков плотности электронного потока.

Кривые изменения формы тока i_e в зависимости от времени и расстояния представлены на рис. 2-4, иллюстрирующем рассмотренные выше процессы. При Х > 0,5 кривые i_ex(t) имеют несинусоидальный характер и поэтому богаты гармоническими составляющими.

Рис. 2-4. Кривые изменения плотности электронного тока

Пользуясь анализом Фурье, выражение для тока можно записать в виде

Подставляя выражения для d(ωt_x) и ωt_x в (2-22), получим:

* ( Для случая идеальных сгустков в виде δ-функции I_e1M = 2I₀.)

Рис. 2-5. График функции Бесселя первого рода

2-3. Взаимодействие электронного потока с переменным электрическим полем резонатора

Рис. 2-6. Наведение зарядов на сетках резонатора при пролете электронов

За время Δt пролета электронов между сетками заряд q₂ возрастает от нуля до q, а заряд q₁ соответственно уменьшается до нуля. В теле резонатора в результате перемещения зарядов течет уравнительный (наведенный) ток от первой сетки ко второй, величина которого равна:

По форме ток, наведенный сгустком электронов при υ = const, представляет собой прямоугольный импульс длительностью Δt, равной времени пролета электронов между сетками. Увеличение скорости движения электронов приводит к возрастанию импульса тока, а его длительность уменьшается; медленное движение электронов растягивает импульс тока и уменьшает его амплитуду. Однако при любом значении скорости сгустка электронов площадь импульса остается неизменной, численно равной заряду q.

Если в резонаторе существуют колебания, то наведенный ток для их поддержания должен способствовать перезаряду емкости контура. В случае тормозящего поля между сетками резонатора (рис. 2-7, а) в первой четверти периода (а-б) происходит заряд емкости и ток i_к перезаряда уменьшается. Кривая тока контура изображена пунктирной линией. Наведенный ток i₂ противоположен по направлению току i_к и, таким образом, способствует его уменьшению, т. е. перезаряду емкости. Во второй четверти периода (б-в) происходит разряд емкости, ток контура меняет направление и увеличивается. Наведенный ток i₂, совпадающий по направлению с током i_к, помогает перезаряду емкости и поддерживает колебания в резонаторе. Во время существования ускоряющего поля (рис. 2-7, б) наведенный ток i₂ в течение всего полупериода препятствует перезаряду емкости и, следовательно, облегчает затухание колебаний.

Угол пролета электронов в пространстве дрейфа. Для того чтобы мощность, передаваемая электронным потоком второму резонатору, была наибольшей, необходимо, чтобы в момент прохождения электронами наиболее тормозящего поля поток был соответствующим образом сгруппирован (параметр Х = 1,84, что соответствует максимуму первой гармоники тока).

Эквивалентные схемы резонаторов клистрона. Схема для выходного резонатора представлена на рис. 2-9, а. Параллельно проводимости собственно резонатора

состоящей из активной проводимости G_p2, характеризующей потери в резонаторе и реактивной составляющей, определяемой емкостью С₂ и индуктивностью L₂, включены также проводимость нагрузки

пересчитанная к резонатору, и электронная проводимость

обусловленная прохождением через зазор резонатора электронного потока.

Рис. 2-9. Эквивалентные схемы выходного и входного резонаторов

Аналогичным образом, но без проводимости нагрузки Y_H может быть представлена схема входного резонатора (рис. 2-9, б).

2-4. Параметры и характеристики двухрезонаторного усилительного клистрона

Выходная мощность. Одним из важнейших параметров усилительного клистрона является мощность колебаний в нагрузке второго резонатора P_вых. Мощность колебаний Р_е, развиваемая электронным потоком при оптимальных углах пролета (2-29), определяется простым соотношением, известным из электротехники:

— амплитуда наведенного тока в выходном резонаторе;

Учитывая (2-25), выражение (2-33) можно переписать следующим образом:

При X =1,84 имеем J₁(X) = 0,58 и мощность Р_е максимальна:

Выходная мощность, т. е. мощность, выделяемая в нагрузке, равна:

На основании эквивалентной схемы (рис. 2-9, а) для амплитуды напряжения на сетках второго резонатора можно записать:

Реактивной проводимостью В_е2 в случае точного выполнения условия (2-29) можно пренебречь.

Таким образом, используя (2-25), (2-34) и (2-39), выражение (2-38) можно записать в виде

Коэффициент усиления клистрона по мощности обычно выражают в децибелах

здесь величина Р_вых определяется соотношением (2-42), а

Используя соотношения (2-8) и (2-14), запишем это выражение в виде

Подставляя (2-42) и (2-45) в (2-43), получим:

Анализ этого выражения показывает, что максимальной величины коэффициент усиления достигает при согласовании нагрузки с выходным резонатором клистрона (В_экв2 = 0; G_экв2 = 2G_н), а также при условии малости входного сигнала [X ≤ 1 и J₁(X) ≈ Х/2].

Рис. 2-10. Амплитудная характеристика двухрезонаторного усилительного клистрона

Полоса рабочих частот. В усилительном режиме оба резонатора клистрона настраиваются на частоту усиливаемых колебаний. Добротности объемных резонаторов достаточно высоки, и их полоса пропускания, измеряемая обычно по уровню снижения максимальной мощности на 3 дб, т. е. по уровню 0,5 Р_{вых.макс} составляет доли процентов от резонансной частоты.

Таким образом, двухрезонаторный клистрон может использоваться лишь для усиления синусоидальных сигналов либо для усиления сигналов с нешироким спектром частот. Некоторое расширение рабочей полосы частот может быть достигнуто за счет увеличения связи выходного резонатора с нагрузкой, однако при этом неизбежно снижаются уровень выходной мощности и коэффициент усиления.

Электронный коэффициент полезного действия усилительного клистрона определяется как отношение мощности, развиваемой в выходном резонаторе, к мощности, расходуемой от источника постоянного напряжения:

Амплитуда переменного напряжения обычно меньше или, в крайнем случае, может быть равна постоянному напряжению U_2М ≤ U₀. В противном случае в момент отрицательного полупериода на первой сетке выходного резонатора мгновенное напряжение окажется меньше нуля (-U_2M + U₀ 0,5 функция i_ex(t) имеет сложную форму и богата гармоническими составляющими. Получив выражение (2-24), мы интересовались лишь первой гармоникой тока, так как в усилительном и генераторном режимах оба резонатора клистрона настраиваются на одну и ту же частоту и на выходе выделяются колебания с частотой первой гармоники.

Используя двухрезонаторный клистрон в качестве умножителя частоты, его второй резонатор настраивают на одну из высших гармоник. В этом случае наибольший интерес представляют те гармоники тока i_e, которые выделяются выходным резонатором.

Устройство частотоумножительного клистрона аналогично устройству усилительного клистрона. Отличие заключается лишь в том, что частота колебаний, наводимых в выходном резонаторе, не равна частоте колебаний, подводимых от внешнего источника. Естественно, что и оптимальный режим работы умножителя частоты отличается от режима усилительного клистрона.

Рис. 2-11. Кривые функций Бесселя n-го порядка

Амплитуды высших гармоник, как это видно из табл. 2-1, сравнимы с величиной I_e1M.

Таблица 2-1

Это обстоятельство особенно важно для использования клистрона в качестве умножителя частоты, так как позволяет произвести умножение частоты при сравнительно небольшой потере мощности.

В реальных устройствах, однако, мощность выделяемых гармоник получается значительно меньше, поскольку проведенный анализ группирования электронного потока не учитывал ряд факторов (взаимного расталкивания электронов, разности их аксиальных скоростей и др.), влияющих на процесс группирования. Мощность колебаний частоты nω обычно на практике не превышает 10% от мощности колебаний частоты ω, подводимых ко входу.

Частоумножительные клистроны используются главным образом в тех случаях, когда требуется получение СВЧ колебаний высокой стабильности. Возбудителем умножителя служит стабилизированный кварцем генератор метровых волн. При коэффициенте умножения n = 10 и более на выходе умножителя могут быть получены высокочастотные колебания сантиметрового диапазона.

2-6. Многорезонаторный усилительный клистрон. Принцип действия

Устройство. Для усиления СВЧ колебаний используются также клистроны, содержащие несколько резонаторов. Наиболее часто применяются трех- и четырехрезонаторные клистроны. Они служат усилителями слабых сигналов, когда переменное напряжение на сетках группирователя оказывается недостаточным для эффективного группирования мощного электронного потока. Рассмотрим для примера устройство и принцип действия трехрезонаторного усилительного клистрона (рис. 2-12). К первому, входному резонатору подводятся колебания, подлежащие усилению. После усиления они отводятся из выходного резонатора. Промежуточный резонатор служит для дополнительного группирования электронного потока.

Принцип действия. Под воздействием переменного напряжения на сетках первого резонатора электронный поток модулируется по скорости. Однако ввиду малости этого напряжения коэффициент модуляции М невелик и к сеткам второго резонатора электронный поток приходит недогруппированным (Х 1), его проводимость имеет индуктивный характер и кривые напряжения (рис. 2-13) как бы сместятся вправо (φ будет лежать в пределах от 0 до +π/2). Сгусток электронов попадает в зазор промежуточного резонатора в ту часть периода, когда напряжение на его сетках оказывает на электронный поток группирующее воздействие. Очевидно что наибольший группирующий эффект за счет поля в зазоре промежуточного резонатора будет наблюдаться при условии, что φ ≈ +π/2. При этом группирование во втором пространстве дрейфа будет происходить вокруг того же электрона а, который служит центром сгустка в первом пространстве дрейфа (см. рис. 2-13).

Однако следует помнить, что при расстройке промежуточного резонатора происходит не только изменение фазового угла между напряжением и током; при этом уменьшается и амплитуда U_2M (напряжения в зазоре резонатора.

В клистронах с числом резонаторов больше трех для повышения выходной мощности производят обычно расстройку предпоследнего резонатора.

2-8. Характеристики и параметры многорезонаторных усилительных клистронов

Для многорезонаторных клистронов используются те же параметры и характеристики, что и для двухрезонаторного клистрона усилителя.

Выходная мощность. Для определения этой величины можно воспользоваться соотношением (2-42), подставив туда величины, характерные для многорезонаторного клистрона:

Входная мощность. Выражение (2-45) для входной мощности в случае многорезонаторного клистрона запишется в виде

Коэффициент усиления. Используя (2-49) и (2-50) для коэффициента усиления можно записать:

В многорезонаторных клистронах коэффициент усиления может быть весьма высоким, достигая нескольких десятков децибел, так как введение каждого промежуточного резонатора позволяет повысить величину K_р на 10-20 дб.

Амплитудная характеристика. Вид амплитудной характеристики многорезонаторного клистрона может изменяться в зависимости от настройки промежуточных резонаторов. Так, при синхронной настройке резонаторов (настройке всех резонаторов на частоту сигнала) амплитудная характеристика (рис. 2-15, кривая а) имеет максимум при малых величинах Р_вх. В этом случае клистрон обладает высоким коэффициентом усиления и используется для максимального усиления очень слабых сигналов. В случае расстройки промежуточного или предоконечного резонатора (кривая б на рис. 2-15) коэффициент усиления клистрона значительно ниже, о чем свидетельствует более пологий характер кривой. В таком режиме в силу оптимальных условий группирования на выходе клистрона может быть получен сигнал наибольшей мощности.

Рис. 2-15. Амплитудные характеристики трехрезонаторного клистрона

Электронный к. п. д. многорезонаторного клистрона может быть определен по формуле (2-47), которая в этом случае принимает вид:

При выполнении условия U_nM ≤ U₀, обсуждавшегося в § 2-4, и β_n = 1 максимальная величина к. п. д. равна 74%.

Как уже отмечалось ранее, повышение к. п. д. объясняется эффективным группированием электронного потока, при котором форма электронного сгустка приближается к идеальной.

Особенности конструкции. Многорезонаторные клистроны применяются в различных радиотехнических системах в качестве усилителей слабых сигналов, а также для получения импульсных и непрерывных сигналов большой мощности в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Наиболее распространены трех- и четырехрезонаторные клистроны, однако в некоторых типах усилительных клистронов число резонаторов достигает шести.

Мощные клистронные усилители позволяют получить на выходе сигналы мощностью в несколько сотен киловатт в непрерывном режиме и до нескольких десятков мегаватт в импульсном режиме. Коэффициент усиления трех- и четырехрезонаторных клистронов составляет 30-50 дб, а в шестирезонаторных клистронах достигает 60-70 дб. Коэффициент полезного действия многорезонаторных клистронов обычно лежит в пределах 35-45%.

Резонаторы, обычно в виде отрезков волновода, располагают либо внутри откачанного баллона, либо выполняются съемными и крепятся вне рабочего вакуумного пространства к специальным выводам.

В некоторых многорезонаторных клистронах, работающих в импульсном режиме, предусматривается, помимо ускоряющего электрода, специальный модулирующий анод, располагаемый ближе к катоду.

2-9. Отражательный клистрон. Принцип действия. Группирование электронов

Принцип действия. Поток электронов от катода, разгоняемый полем ускоряющего электрода, проходит через сетки резонатора. Вследствие флуктуации электронного потока в резонаторе наводятся слабые колебания. В результате дальнейших процессов, которые описаны ниже, электроны передают свою энергию высокочастотному полю резонатора, поддерживая возникшие колебания, амплитуда которых вскоре достигает стационарной величины.

Пространственно-временная диаграмма. В установившемся режиме поток электронов, движущихся через сетки резонатора (рис. 2-17), подвергается воздействию переменного электрического поля. Скорость электронов, как и в двухрезонаторном клистроне, изменяется в зависимости от мгновенного напряжения u = U₀ + U_Msinωt между сетками резонатора в соответствии с законом (2-9)

Рис. 2-17. Пространственно-временная диаграмма группирования электронов в отражательном клистроне

Пролетев сетки резонатора, электроны попадают в тормозящее поле отражателя. Постепенно замедляя движение, они теряют скорость до нуля в точке, где мгновенная разность потенциалов u + (-U_отр) = 0, и, отталкиваемые полем отражателя, движутся обратно к резонатору.

Электроны, пролетевшие резонатор в те отрезки времени, когда поле между его сетками ускоряющее (положительный полупериод на второй сетке), проникают дальше по направлению к отражателю. Те же электроны, которые пролетели резонатор в тормозящем поле (отрицательный полупериод на второй сетке), проникают в пространство за сетками на меньшую глубину. Как видно из рис. 2-17, поток электронов, возвращающихся к резонатору, во времени неравномерен по плотности. Модуляция электронов по скорости приводит к модуляции по плотности.

Электроны, прошедшие резонатор в ту половину периода, когда переменное напряжение на второй сетке изменялось от максимума к минимуму, образуют при возвращении к сеткам плотный сгусток. В следующий полупериод изменения скоростей электронов таковы, что они при возвращении разгруппировываются.

Центром образовавшегося сгустка является невозмущенный электрон, пролетевший резонатор, когда переменное напряжение на второй сетке проходило через нуль, меняясь от положительного к отрицательному, а не наоборот, как это было в двухрезонаторном клистроне (см. рис. 2-2).

Для пути, невозмущенного электрона к отражателю и обратно к резонатору можно написать:

так как суммарный путь равен нулю.

Корень t_пр = 0 отвечает решению (2-53) для электронов, не вылетевших из резонатора.

Очевидно, для любого электрона с учетом (2-9) время пролета 1 равно:

Величину ускорения легко определить, зная напряженность поля между резонатором и отражателем:

Подставляя (2-56) в (2-54), получим:

Умножим обе части этого равенства на ω:

Пользуясь законом сохранения заряда |i_e2dt| = |I₀dt| и дифференцируя (2-57) по t, получим:

Это выражение отличается от (2-20) для двухрезонаторного клистрона лишь знаком перед косинусоидальным членом в знаменателе, что объясняется сдвигом центра группирования в отражательном клистроне по сравнению с двухрезонаторным на π (сравните рис. 2-2 и 2-17).

Гармонический анализ выражения (2-60), так же как и для двухрезонаторного клистрона, приводит к известной формуле (2-25) для амплитуды первой гармонической составляющей электронного тока

Таким образом, хотя процесс группирования электронов в отражательном клистроне отличен от процесса группирования в двухрезонаторном клистроне, функция (2-58) отличается от (2-15) лишь знаком при переменной составляющей, что не изменяет спектрального состава электронного тока.

2-10. Баланс фаз и баланс мощности в отражательном клистроне

Условия генерирования незатухающих колебаний для отражательного клистрона, как и для любого другого генератора, определяются балансом фаз и балансом амплитуд (мощности).

Баланс фаз в отражательном клистроне выполняется при условии, что сгусток электронов приходит из пространства отражения к сеткам резонатора в тот момент, когда высокочастотное поле между сетками тормозящее.

Ток в отражательном клистроне, т. е. центральный электрон будущего сгустка, отстает по фазе от напряжения u″ на второй сетке на π/2 (рис. 2-17). Если фаза напряжения u″ в момент t равна ωt, то фаза тока в этот же момент ωt + π/2. К моменту t₂ возвращения электронов к резонатору фаза тока равна:

Сгусток электронов должен попасть в максимально тормозящее поле, и, следовательно, фаза тока должна быть равна фазе напряжения u″, которая к моменту t₂ равна ωt + 2πn. Из этого условия получаем:

Угол Θ₀ согласно (2-59) зависит от U₀ и U_отp. Меняя эти напряжения, можно получить различные углы пролета Θ₀, соответствующие разным величинам n = 1, 2, 3.

На рис. 2-18 изображены графики движения невозмущенного электрона и крайних электронов, образующих сгусток, при различных напряжениях U_отp.

Рис. 2-18. Пространственно-временная диаграмма. Группирование электронов при различных Θ₀

Приравнивая (2-59) и (2-62), подставляя

численные значения величин с, е и m, получим:

Таким образом, при плавном изменении U₀ или U_отр генерация наблюдается лишь в определенных интервалах изменения этих величин, когда точно или приближенно выполняется условие ()2-63.

В соответствии с этим различают области или зоны генерации отражательного клистрона, соответствующие различным значениям числа n (рис. 2-19).

Рис. 2-19. Области генерации

Баланс мощности. Процесс передачи энергии от электронного потока электрическому полю резонатора аналогичен рассмотренному выше (§ 2-3) для двухрезонаторного клистрона. Сгруппированные электроны, возвращаясь к сеткам резонатора, в тормозящем поле передают энергию электрическому полю, способствуя перезаряду емкости контура и поддерживая возникшие в нем колебания.

Проходя через сетки резонатора, сгусток электронов наводит в контуре ток, амплитуда которого с учетом (2-25) равна:

где β = β₁ определяется выражением (2-6).

В центре зоны генерации напряжение u″ и электронный ток находятся в фазе; мощность, передаваемая электронным потоком резонатору, равна:

Часть этой мощности расходуется на восполнение потерь в самом резонаторе, а остальная мощность отводится в нагрузку

Определим величину U_1м из (2-8) с учетом (2-14)

Подставляя (2-70) в (2-65), получим:

Отсюда видно, что при заданном токе катода I₀ и постоянном U₀ величина Р_е является функцией X. Зависимость XJ₁(X) = f(X) показана на рис. 2-20. Максимум Р_е соответствует Х = 2,4. Это объясняется тем, что при Х = 2,4 пики электронного тока оказываются раздвинутыми во времени примерно на величину T/3 (рис. 2-4). Если при этом невозмущенный электрон приходит в резонатор в момент максимума тормозящего поля, то наиболее уплотненные сгустки электронов проходят через резонатор несколько раньше и несколько позже наступления U_1м. При этом наведенный ток имеет два максимума, соответствующих по времени наибольшей скорости изменения тока i_K перезаряда емкости С (рис. 2-7). Эти условия отвечают наиболее эффективной передаче мощности от электронов в резонатор.

Рис. 2-20. График функции XJ₁(X) от X

Из выражения (2-71) следует также, что с увеличением Θ₀, т. е. с переходом к зонам генерации с большими n, электронная мощность в центре зоны падает. Это объясняется следующим образом. Угол Θ₀, например, при n = 3 больше, чем в случае n = 1 (см. рис. 2-18). Группирование электронов в третьей зоне, следовательно, происходит на большем пути. Поэтому разность скоростей ускоренного и замедленного электронов, а значит, и величина U_1м должны быть меньше. Оптимальное значение параметра Х = 2,4 для центра любой зоны должно быть неизменным. Нужное напряжение U_1м на сетках при переходе в другую зону за счет, например, изменения U_отр устанавливается автоматически.

Для определения величины U_1м, при которой выполняется баланс мощности, рассмотрим зависимости электронной мощности, мощности потерь и мощности в нагрузке от этого напряжения (рис. 2-21). Кривые P_e = f(U_1м) (2-71) и P_п = f₁(U_1м) (2-67) построены для резонатора, проводимость потерь которого известна. Если на график нанести кривую

то точка пересечения этой параболы с кривой P_e = f(U_1м) и определит баланс мощности: будет выполнено условие (2-66). На рисунке показаны три кривые P_σ = f(U_1м) при G_н.опт, G_н1 G_н.опт.

Рис. 2-21. Баланс мощности в отражательном клистроне. Зависимость полезной мощности Р_н от величины нагрузки

Отрезки прямых между точками А₁, Б₁, В₁ и точками A, Б, В на кривой P_п = f₁(U_1м) соответствуют мощностям, выделяемым в нагрузке для трех рассмотренных случаев. При уменьшении или увеличении G_н относительно G_н.опт мощность в нагрузке уменьшается.

Пользуясь рассмотренными кривыми, можно объяснить и то, что наибольшая мощность в нагрузке не всегда получается в центре первой зоны.

На рис. 2-22 построены кривые P_e = f(U_1м) для первой, второй и третьей зон. С увеличением n максимальное значение мощности Р_е уменьшается, однако потери в резонаторе настолько велики, что наибольшая мощность в нагрузке получается во второй зоне (рис. 2-23).

Рис. 2-22. Изменение мощности Р_н.опт в различных областях при больших потерях в резонаторе

Рис. 2-23. Области генерации в случае резонатора с большими потерями

2-11. Условие самовозбуждения

Отражательный клистрон представляет собой автогенератор, колебания в котором возникают обычно в режиме мягкого самовозбуждения. Условия самовозбуждения зависят от параметров резонатора, нагрузки и электронного режима клистрона.

Эквивалентная схема отражательного клистрона (рис. 2-24) содержит активные и реактивные проводимости собственно резонатора и нагрузки, а также электронную проводимость.

Рис. 2-24. Эквивалентная схема резонатора клистрона с учетом электронной проводимости

Закон изменения электронной проводимости. В § 2-10 было показано (2-61), что электронный ток отстает от напряжения на сетках резонатора на угол Θ₀ + π/2. Следовательно, для электронной проводимости можно записать:

Это выражение, используя (2-70), можно записать и в другой форме:

Рис. 2-25. Зависимость активной и реактивной составляющих электронной проводимости от угла пролета

Условие самовозбуждения для схемы на рис. 2-24 можно записать в виде равенства нулю суммы активных и реактивных проводимостей:

Подставляя вещественную часть выражения (2-74) в (2-76), получим:

Умножив (2-79) на U_1м 2 /2, получим соотношение (2-69) для баланса мощности в центрах зон генерации.

Абсолютная величина G_σ = G_p + G_н отложена на графике рис. 2-25 по оси отрицательных проводимостей. При условии G_e + G_p + G_н = 0 возникают колебания с постоянной амплитудой. Если

|G_e| > G_p + G_н, то амплитуда колебаний нарастает до тех пор, пока согласно (2-70) G_e не уменьшится до величины G_p + G_н.

Пусковой ток. Условие самовозбуждения на основании (2-76) и учитывая, что для режима очень малых амплитуд J₁(Х)/Х ≈ 1, можно записать в виде:

Величина тока I₀, при которой выполняется условие (2-81), называется пусковым током l_H. Из выражения (2-81) видно, что возникновение генерации в отражательном клистроне для данного резонатора и при заданной нагрузке наблюдается лишь при условии, что I₀ > I_п. Кроме того, самовозбуждение облегчается с уменьшением U₀ и с увеличением номера зоны, что и понятно, так как для областей с большими значениями n требуется меньшая амплитуда колебаний.

Рис. 2-26. Форма области генерации при гистерезисе

Электронный к. п. д. отражательного клистрона η_эл характеризуется отношением полезной мощности Р_е, развиваемой электронным потоком к мощности P₀ = I₀U₀, потребляемой от внешнего источника питания.

Выражение для η_эл легко получить, разделив (2-71) на величину P₀ и подставляя туда (2-62):

Отсюда следует, что η_эл падает с номером области n и в любой области достигает наибольшего значения при максимуме функции XJ₁(X), что соответствует величине Х = 2,4 (см. рис. 2-20).

В реальных устройствах далеко не вся мощность Р_е отводится в нагрузку, значительная часть мощности теряется в самом резонаторе, в линиях отвода энергии и т. д. Поэтому полный к. п. д. клистрона η обычно не превышает нескольких процентов.

2-12. Электронная настройка частоты

Весьма ценным свойством отражательного клистрона является зависимость частоты генерируемых колебаний от напряжений на электродах прибора. Пределы изменения частоты невелики (около 1% от средней рабочей частоты), но даже такая возможность электронного управления частотой колебаний позволяет с успехом использовать отражательный клистрон в приемниках СВЧ диапазона в качестве гетеродина, частота которого автоматически подстраивается под частоту сигнала. Обычно в отражательных клистронах изменяют частоту путем регулировки напряжения на отражателе, так как в цепи питания этого электрода не течет ток.

Рис. 2-27. Пространственно-временная диаграмма, поясняющая принцип электронной настройки частоты

Частота колебаний в клистроне определяется соотношением реактивных проводимостей. Полагая нагрузку чисто активной (В_н = 0), используя мнимую часть выражения (2-74), перепишем (2-77) в виде

Частота колебаний равна резонансной частоте ω₀ контура.

Закон изменения частоты. Положим, что угол пролета изменился на величину

Это вызовет изменение частоты на величину Δω. При условии, что Δω мало (Δω/ω₀ ≤ 1), величина реактивной проводимости контура равна:

Используя (2-86) и (2-87), выражения (2-78) и (2-83) можно переписать в виде

Деля (2-89) на (2-88), получим:

— добротность нагруженного резонатора.

С помощью (2-90), зная параметры резонатора, легко определить изменение частоты в зависимости от изменения угла пролета.

Выражение (2-90) можно записать и в иной форме:

Рис. 2-28. Кривые изменения частоты колебаний и диапазон электронной настройки для различных областей

Перепишем (2-89), подставляя туда выражения (2-62) и (2-70):

Отсюда видно, что величина диапазона электронной настройки возрастает с увеличением I₀, с уменьшением U₀ и при переходе к областям колебаний с большими значениями n.

Из выражения (2-90), кроме того, следует, что пределы возможной перестройки частоты расширяются при снижении нагруженной добротности Q_н. Уменьшение величины Q_н приводит, кроме того, и к повышению линейности кривой Δω = f(U_отр).

В связи с этим для расширения диапазона электронной настройки в клистронах стараются по возможности увеличить I₀, снизить ускоряющее напряжение, а также использовать резонаторы с малой емкостью и по возможности малой величиной Q_н.

2-13. Параметры и особенности конструкции отражательных клистронов

В качестве параметров отражательных клистронов в справочных данных указываются величины, большинство из которых уже упоминалось выше. Прежде всего это параметры номинального электрического режима: напряжение накала U_Н, ускоряющее напряжение U₀, ток I₀, а также пределы изменения напряжения на отражателе U_отр. Поскольку отражательные клистроны обычно используются в качестве маломощных генераторов, величины U₀ и U_отр не превышают нескольких сотен вольт.

Основными параметрами также являются: диапазон рабочих волн, выходная мощность Р_н, величина которой для большинства приборов составляет сотые или десятые доли ватта, а также диапазон электронной настройки Δω и крутизна электронной настройки, т.е. крутизна кривой ω = f(U_отр).

Обычно Δω ≈ (0,3 ÷ 0,5%) ω₀, а значение крутизны измеряется десятыми долями или единицами мгц/в. В специальных клистронах с широким диапазоном электронной настройки величина Δω может достигать 10-15% от значения ω0.

Отражательные клистроны в диапазоне волн от 10 см и длиннее выполняются обычно в стеклянном оформлении. К дисковым выводам от сеток механически крепится внешний металлический объемный резонатор, обычно тороидального типа. Перестройка частоты колебаний осуществляется с помощью специальных плунжеров, вводимых в полость резонатора.

В более коротковолновой части диапазона СВЧ (λ

Источник