Типы генераторов и усилителей СВЧ сигнала большой мощности

Для создания и усиления СВЧ колебаний используются различные приборы вакуумной электроники. Рассмотрим кратко их конструкции и принцип действия.

Пролетные и отражательные клистроны.

Клистрон – это электровакуумный СВЧ прибор, работа которого основана на модуляции электронного потока по скорости электрическими СВЧ полями резонансных колебательных систем (объемных резонаторов), группировании электронов в сгустки и последующем преобразовании кинетической энергии электронов в энергию СВЧ колебаний.

Различают пролетные и отражательные клистроны. Отражательные клистроны характеризуются тем, что при своем движении электронный пучок изменяет направление своего движения на обратное. Они имеют малый к.п.д. (не более 3%) и в настоящее время практически не применяются. В пролетных клистронах электроны в процессе группирования не меняют своего первоначального направления движения и имеют гораздо больший к.п.д. (до 75%).

Пролетные клистроны состоят из электронной пушки, фокусирующей системы, электродинамической системы (ЭДС), содержащей объемные резонаторы, ввод и вывод энергии и коллектор. Простейший пролетный клистрон имеет два резонатора, а его схема приведена на рис. 23.

Рис.23.Схема двухрезонаторного клистррона.

1–катод, 2–прикатодный электрод, 3–анод, 4–входной резонатор, 5–дрейфовая трубка, 6–выходной резонатор, 7–коллектор.

Электроны последовательно пролетают объемные резонаторы ЭДС. Входной сигнал возбуждает в резонаторе переменное электромагнитное поле, которое модулирует электроны по скорости и группирует их в дрейфовой пролетной трубе. При этом поперечное СВЧ поле изменяет скорость электронов, что приводит к модуляции их плотности и образованию сгустков (происходит группирование электронного потока). Проходя через зазоры выходного резонатора, электронный пучок наводит в нем ток, создающий переменное напряжение на определенной частоте. Отношение мощности сигнала в выходном резонаторе к средней мощности электронного пучка и определяет к.п.д.клистрона.

К.п.д. клистрона зависит от количества резонаторов (минимально два). В многорезонаторных клистронах происходит каскадная скоростная модуляция и группирование электронного потока, что приводит к росту к.п.д. от 25% в двухрезонаторном клистроне до 75%. Обычно число резонаторов колеблется от 4 до 8, но наиболее часто используются четырех- или пятирезонаторные конструкции.

Конструкция многорезонаторного пролетного клистрона приведена на рис.24.

Рис.24 Многорезонаторный клистрон.

1–катод, 2–анод, 3–входной резонатор, 4–промежуточные резонаторы, 5–выходной резонатор, 6–коллектор.

Клистроны бывают непрерывного действия и импульсные. Конструкция двух- и многорезонаторного клистронов приведена на рис.25

Основным недостатком клистронов является узкая полоса рабочих частот усиливаемого сигнала. Этого недостатка лишены другие усилительные устройства вакуумной электроники – лампы бегущей волны.

Рис.25 Конструкции клистронов.

Лампа бегущей волны (ЛБВ).

Это электровакуумный СВЧ прибор, работа которого основана на длительном взаимодействии бегущей электромагнитной волны и электронного потока, двигающихся в одном направлении. Предназначена для усиления СВЧ колебаний в диапазоне 300 МГц – 300 ГГц. Принцип работы ЛБВ аналогичен принципу работы линейного резонансного ускорителя с бегущей волной, но в данном случае энергия электронного потока, ускоренного электронной пушкой, передается СВЧ полю волны.

Различают лампы бегущей волны О-типа, в которых фокусировка электронного потока происходит либо продольным магнитным полем, либо периодическим электростатическим, и М-типа, когда электронный поток формируется в скрещенных электрических и магнитных полях. Наиболее распространены ЛБВ О-типа (ЛБВО).

В процессе своего движения электроны, благодаря принципу автофазировки, группируются в сгустки. При этом в замедляющей системе возбуждается электромагнитное поле, тормозящее электроны, которые отдают свою энергию СВЧ волне, т.е. усиливают входной сигнал.

В результате торможения электронов условия синхронного изменения параметров СВЧ волны и электронного потока (условия синхронизма) нарушаются, поэтому к.п.д. такого усилителя относительно мал.

Конструкция и электрическая схема ЛБВО приведен на рис.26.

Рис.26.

1–подогреватель, 2–катод, 3–анод, 4–спираль замедляющей системы, 5–коллектор, 6–поглотитель, 7–труба, Uo –источник ускоряющего напряжения, Uк–источник коллекторного напряжения.

Принцип действия ЛБВ заключается в следующем. Входной усиливаемый сигнал поступает через ввод энергии в спиральную замедляющую систему 4 в виде бегущей волны с некоторой фазовой скоростью v_ф. Электронный пучок влетает через полый анод 3 в замедляющую систему с продольной скоростью v_e, которая регулируется за счет источника напряжения Uo. При выполнении условия синхронизма (v_ф= v_e) взаимодействие электронов с продольной составляющей электрического поля приводит к группированию пучка и появлению переменного тока. Этот ток возбуждает в замедляющей системе еще одну бегущую волну, сдвинутую по фазе относительно входного сигнала. В результате образуется суммарная электромагнитная волна с фазовой скоростью, меньшей скорости электронного пучка. Электронный поток оказывается в тормозящей фазе бегущей волны и передает часть своей энергии усиливаемому сигналу. Как только фазовая скорость станет равной скорости электронов, передача энергии полю волны прекращается. Усиленная волна поступает в нагрузку, а остаточная кинетическая энергия электронов рассеивается в коллекторе 5.

Главное преимущество ЛБВ перед другими усилителями СВЧ поля (магнетроны, клистроны) – широкая полоса усиливаемых частот. Конструкция и внешний вид ЛБВ приведен на рис.27.

Рис. 27. Лампа бегущей волны.

Разновидностью ЛБВ является лампа обратной волны (ЛОВ), используемая, как генератор СВЧ сигнала. В замедляющей системе фазовая скорость поля и групповая скорость электронов направлены в противоположные стороны, что создает положительную обратную связь в системе. В результате возникают автоколебания, частота которых зависит от скорости электронов. Однако чаще в качестве генератора СВЧ поля используется магнетрон.

Дата добавления: 2014-01-04