Отражательные клистроны

Принцип действия. Отражательные клистроны являются маломощными генераторами гетеродинного класса в области частот от 0,8 до 220 ГГц.

Основными достоинствами отражательных клистронов являются простота их изготовления, малые стоимость и размеры, а также высокая надежность. Они отличаются стабильностью высокочастотных характеристик и параметров, на которые слабо влияют температура, вибрация и радиация. Их частоту довольно просто перестраивать механически и электрически.

Схема устройства и электрического питания отражательного клистрона приведена на рис. 10. Клистрон состоит из группирователя электронов (катод К, ускоряющий электрод УЭ, резонатор Р) и отрицательного электрода-отражателя, на который электроны не попадают (роль коллектора выполняет все тот же резонатор).

Рис. 10. Схема отражательного клистрона

Электроны группируются в постоянном тормозящем поле пространства между резонатором и отражателем. На пространственно-временной диаграмме (рис. 11, а) отмечены наиболее характерные электроны 1 - 4, пролетающие зазор резонатора при максимальных и нулевых значениях высокочастотного напряжения. Движение электронов можно считать равнозамедленным или равноускоренным, если не учитывать действия сил пространственного заряда между резонатором и отражателем. Электрон 1, получивший максимальное дополнительное ускорение в резонаторе, ближе всех подлетает к отражателю до полной остановки. Раньше всех возвращается в зазор резонатора электрон 3, скорость которого уменьшается при прямом пролете резонатора, поскольку на него действует максимальное тормозящее высокочастотное поле. В результате скоростной модуляции электроны 1 и 3 группируются вокруг электрона 2, пролетающего резонатор в момент изменения фазы высокочастотного напряжения от ускоряющей на тормозящую.

Рис. 11. Пространственно-временные диаграммы отражательного клистрона

Обратная связь в отражательном клистроне осуществляется с помощью возвращающегося в резонатор электронного потока. При положительной обратной связи электронные сгустки возвращаются в тормозящий полупериод высокочастотного напряжения в зазоре резонатора (рис. 11, б). Условия существования положительной обратной связи, определяющие фазовые условия самовозбуждения, зависят от значения постоянного напряжения на отражателе, т.е. от напряженности постоянного тормозящего поля. При выполнении фазовых условий самовозбуждения электроны 4, не попадающие в электронные сгустки (рис. 11, а), являются «неблагоприятными», т.к. они обеспечивают отрицательную обратную связь и отбирают энергию от электромагнитного поля резонатора. Эти электроны, а также электроны, вылетевшие из резонатора в пределах четверти периода раньше и позже электронов 4, в отражательном клистроне не удается сгруппировать в общий сгусток.

Рассмотрим основные характеристики отражательного клистрона. В отражательном клистроне электронная перестройка осуществляется без затраты мощности источника питания, поскольку постоянный ток в цепи отражателя отсутствует. С увеличением частоты (уменьшением λ) количество зон генерации возрастает, а также увеличиваются номера зон генерации в рабочем интервале напряжений отражателя - (10 ÷ 150) В.

Электронная перестройка частоты отражательных клистронов. Электронная перестройка частоты имеет важное практическое значение при эксплуатации отражательных клистронов. Она используется для обеспечения безынерционного свиппирования частоты клистрона, применяемого в качестве гетеродина, или при осциллографических наблюдениях частотных характеристик измеряемых объектов.

Электронную перестройку отражательного клистрона принято характеризовать двумя параметрами: крутизной и диапазоном. Под крутизной электронной перестройки понимают отношение приращения частоты к приращению напряжения на отражателе

S = Δ f /Δ U _oтp

в центре зоны генерации, где зависимость f (U _oтp) линейная.

Под диапазоном электронной перестройки условились понимать изменение частоты в пределах половинного уровня мощности от ее максимального значения.

Диапазон электронной перестройки частоты, определяемый в пределах половинного уровня мощности, зависит от тех же факторов, что и крутизна. Параметры электронной перестройки однозначно связаны между собой: чем больше крутизна, чем шире диапазон.

Типичные значения диапазона электронной перестройки находятся в пределах 0,3 - 0,5 % от частоты генерации отражательного клистрона. Как и крутизна, диапазон электронной перестройки увеличивается с ростом номера зоны генерации и с увеличением первеанса электронной пушки или проводимости по постоянному току G ₀, т.к. при этом возрастает реактивная электронная проводимость.

Ширина диапазона электронной перестройки должна перекрывать затягивание частоты магнетрона, когда последний используется в качестве передатчика РЛС, а клистрон - в качестве гетеродина. При осциллографических измерениях резонансных устройств ширина диапазона электронной перестройки определяет минимальную нагруженную добротность, которая может быть измерена.

Электронную перестройку используют также для автоматической подстройки частоты при обеспечении долговременной стабилизации частоты генерации отражательного клистрона.

Механическая перестройка частоты. Т.к. ширина диапазона электронной перестройки мала, то для работы в широкой полосе частот применяют механическую перестройку частоты отражательного клистрона путем изменения размеров резонатора.

Наиболее широко применяют емкостную перестройку частоты, которая обеспечивается путем изменения ширины зазора резонатора, где сосредоточено электрическое поле.

Емкостный зазор изменяют с помощью гибкой мембраны 1 (рис. 12, а). При увеличении зазора 2 емкость уменьшается и частота генерации возрастает. Возрастают также время пролета τ и угол пролета υ = ωτ, влияющий на коэффициент взаимодействия.

Рис. 12. Устройство, обеспечивающее емкостную перестройку частоты (а) и пространственно-временные диаграммы для одной зоны (б)

Уменьшение частоты при емкостной перестройке ограничено допустимым снижением напряжения на отражателе. Считается, что возможный предел уменьшения напряжения на отражателе равен (0,1 ÷ 0,2) U ₀, т.к. при меньших значениях | U _отр| начинает появляться ток в цепи отражателя.

Параметры отражательных клистронов. В среднем выходная мощность отражательных клистронов находится в пределах 10 - 500 мВт. Наиболее типичные значения напряжений резонатора 200 - 300 В у клистронов сантиметрового диапазона и до 1000 В у клистронов миллиметрового диапазона длин волн.

К недостаткам отражательных клистронов кроме малого к.п.д. следует отнести сравнительно высокий уровень шумов. Уровень амплитудно-модулированных шумов в среднем составляет 115 дБ/кГц при расстоянии 100 кГц от несущей частоты, а частотно-модулированные шумы ~ 100 дБ/кГц.

В отличие от прочих маломощных генераторов СВЧ отражательные клистроны обладают малыми габаритами и не требуют магнитных фокусирующих устройств. Их масса находится в пределах 0,05 - 0,3 кг. Даже масса клистронов повышенной мощности редко превышает 0,5 кг. Клистроны имеют большой срок службы, достигающий 15 - 20 тыс. ч (коротковолновые клистроны имеют значительно меньший срок службы); гарантируемый срок службы клистрона полуторамиллиметрового диапазона длин волн составляет 150 ч.

Миниатюризация отражательных клистронов. Минитрон. Его линейные размеры составляют всего несколько миллиметров, а масса - десятые доли грамма.

В отличие от полупроводниковых генераторов минитроны характеризуются высокой пробивной прочностью, почти полным отсутствием радиационных воздействий на эмиссионные свойства катода и значительной упругостью паров металлических электродов, определяющих предельную температуру.

Эффективность электронных взаимодействий в минитроне определяется напряженностью электрического поля между электродами, а не напряжением между ними.

В минитроне также решена задача значительного уменьшения объема резонатора путем использования квазитороидальной конструкции. Т.к. при уменьшении тороидальной части резонатора уменьшается его индуктивность, а при уменьшении высокочастотного зазора увеличивается эквивалентная емкость, то резонансная частота может сохраняться неизменной при уменьшении габаритов резонатора. Например, квазитороидальный резонатор минитрона трехсантиметрового диапазона длин волн может иметь диаметр 3 мм и высоту 1 мм при емкостном зазоре 0,1 мм.

Дата добавления: 2014-01-06