Лекция 3. Пролетные клистроны

На СВЧ эффективность электронных ламп снижается вследствие конечного вре­мени пролета разрядного промежутка. В клистронах значительное время пролета не только не вредно, но и необходимо для нормальной работы прибора. Схема устройства и включения пролетного клистрона приведена на рис. 10.15, а.

Пролетный клистрон состоит из катода, объемного входного резонатора Р₁, в ко­торый с помощью петли связи вводится входной сигнал Р_вх, и расположенного на расстоянии d от него выходного резонатора Р₂. Оба резонатора соединены с кол­лектором и заземлены. На катод подается отрицательное напряжение. Под дей­ствием электрического поля между катодом и анодом электроны, покинувшие катод, ускоряются и влетают во входной резонатор с большой скоростью υ₀. Между сетками резонатора Р₁ существует переменное электрическое поле, изменяющее скорость электронов. В положительный полупериод переменного напряжения электроны ускоряются, в отрицательный полупериод замедляются. Модулиро­ванные по скорости электроны влетают в пространство дрейфа между резонато­рами Р₁ и Р₂, в котором отсутствует электрическое поле. В этом пространстве элек­троны летят по инерции с постоянной скоростью. Электроны, движущиеся с более высокой скоростью, догоняют электроны, скорость которых меньше. В результа­те образуются электронные сгустки, что отражено на рис. 10.15, б.

Рис. 10.15

Электронные сгустки поступают в резонатор Р₂, настроенный на частоту их сле­дования, создают в нем импульсы наведенного тока и возбуждают колебания с амплитудой, которая больше амплитуды колебаний во входном резонаторе Р₁, то есть в клистроне происходит усиление мощности электрических колебаний. Про­летевшие через резонатор электроны попадают на коллектор и разогревают его. Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Однако его КПД, представляющий собой отношение колебательной мощности в резона­торе Р₂ к мощности постоянного тока источника питания, не превышает 20 %, хотя предельное теоретическое значение составляет 58 %. Это объясняется следующи­ми причинами. Во-первых, электроны вылетают из катода с различной началь­ной скоростью и, пролетая через модулятор в один и тот же момент времени, имеют неодинаковую скорость, вследствие чего они группируются недостаточно плотно. Во-вторых, между электронами действуют силы взаимного отталкивания, из-за чего при пролете через пространство дрейфа плотность электронного сгуст­ка дополнительно уменьшается. Кроме того, некоторая часть электронов вообще не группируется в сгустки, то есть не участвует в полезной работе, а некоторые из электронов оседают на сетках резонаторов.

В настоящее время двухрезонаторные клистроны имеют ограниченное примене­ние. Введение дополнительных промежуточных резонаторов между входным и выходным резонаторами позволило повысить коэффициент усиления мощности и КПД. Современные мощные клистроны содержат от 3 до 7 резонаторов. Прин­цип устройства четырехрезонаторного клистрона показан на рис. 10.16.

Рис. 10.16

В первом резонаторе происходит модуляция электронов по скорости. Электрон­ный поток, влетающий во второй резонатор, возбуждает в нем высокочастотное напряжение, под действием которого скорость электронов на выходе из зазора первого промежуточного резонатора будет иметь более высокую переменную со­ставляющую, чем на входе в зазор, и группирование в пространстве дрейфа меж­ду вторым и третьим резонаторами будет проходить более интенсивно. Такова же роль последующих резонаторов. В результате в выходной резонатор влетают сгу­стки электронов с более высокой плотностью, благодаря чему повышается КПД, который для многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50 %, а коэф­фициент усиления мощности — 90 дБ при мощности, доходящей до 100 кВт в ре­жиме непрерывных колебаний и до 50 МВт в импульсном режиме. Достижение таких показателей обеспечивается не только введением промежуточных резона­торов, но и рядом усовершенствований, внесенных в конструкцию клистрона.

Зазоры резонаторов мощных клистронов не имеют сеток. Это в некоторой степе­ни ухудшает взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в зазорах, но зато практически исключается оседание электронов и нагрев сеток. Чтобы повысить взаимодействие потока электронов с полем в зазоре, увеличива­ют ускоряющее постоянное напряжение и постоянный ток луча.

В многорезонаторных клистронах промежуточные резонаторы расстроены отно­сительно частоты сигнала, благодаря чему формирование сгустка электронов про­исходит так, что в нем участвуют «бесполезные» ранее электроны, дающие рост КПД. Одновременно расстройка промежуточных резонаторов позволяет расши­рить полосу пропускания.

В мощных клистронах электронные потоки необходимо фокусировать, чтобы диаметр потока не увеличивался вследствие расталкивания электронов. С этой целью обычно используется магнитная фокусировка при помощи отдельных катушек индуктивности, помещаемых в промежутках между резонаторами. Поле, создаваемое этими катушками, препятствует движению электронов перпенди­кулярно оси клистрона, закручивая их, и электроны движутся по направлению к аноду по спиральным траекториям.

Отражательные клистроны

Отражательные клистроны применяют для генерирования СВЧ-колебаний. Они содержат только один объемный резонатор (рис. 10.17, а). Ускоренные на участ­ке между катодом и первой сеткой С₁ электроны влетают в резонатор и возбужда­ют в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создаю­щие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости, и электроны влетают в тормозящее поле между второй сеткой С₂ и отражателем О с различной скоростью. Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются и ускоренно возвращаются к резонатору. Чем боль­ше скорость электрона, тем дальше углубляется он в тормозящее поле и больше времени находится в этом поле. В результате электроны, пролетевшие через резо­натор в положительные полупериоды переменного электрического поля, могут вернуться обратно одновременно с электронами, пролетевшими через резона­тор позднее, во время отрицательного полупериода, что наглядно показано на рис. 10.17, б. Электроны, пролетевшие через резонатор в интервале времени от t₁ до t₃, возвращаются назад в момент t₉.

Рис. 10.17

Электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные моменты време­ни в зависимости от напряжений E₁ и Е₂. При возвращении в резонатор электрон­ные сгустки отдают ему энергию только тогда, когда они попадают в тормозящее поле. Наибольшую энергию они отдают в том случае, если возвращаются в мо­мент, когда напряженность тормозящего поля в резонаторе максимальна. Возвра­щение энергии в резонатор поддерживает существующие в нем колебания. Чем больше величина возвращаемой энергии, тем больше мощность колебаний в ре­зонаторе. Если же отдаваемая электронами энергия слишком мала, то колебания не будут поддерживаться и затухнут.

Время пролета электронов в пространстве дрейфа отсчитывается от момента t₂, в который в пространство дрейфа влетает электрон с группирующимися вокруг него остальными электронами, до момента времени возвращение сгустка элект­ронов в резонатор. На рис. 10.17, б это время равно (1+3/4)T. Изменяя отрица­тельное напряжение на отражателе, можно изменять время пролета, но при этом возвращение электронов должно происходить в тормозящие полупериоды коле­баний в резонаторе. Соответственно, существует несколько зон генерации. Если отрицательное напряжение на отражателе очень большое, то электроны, прохо­дящие через резонатор в интервале t1-t3, вернутся назад в интервале t4-t6 (нуле­вая зона генерации), причем наибольшую энергию они вернут в резонатор при возвращении в момент t5. При снижении отрицательного напряжения на отража­теле электроны возвращаются назад позже. Если возвращение происходит в ин­тервале t6-t8, то колебания вообще не возникают. При возвращении в интервале t8-t10 колебания вновь возникают (первая зона генерации), мощность этих коле­баний достигает максимума при возвращении в момент t9. Чем меньше по абсо­лютной величине отрицательное напряжение на отражателе, тем больше время пролета электронов и, соответственно, выше номер зоны генерации. Наибольшая мощность колебаний получается в нулевой зоне.

Меняя напряжение на отражателе, можно изменять частоту генерируемых ко­лебаний. При увеличении по абсолютному значению отрицательного напря­жения на отражателе электронные сгустки возвращаются в резонатор несколько быстрее, и частота колебаний возрастает. При уменьшении этого напряжения по абсолютной величине электронные сгустки возвращаются в резонатор с за­паздыванием, и частота колебаний уменьшается. При изменении частоты ко­лебаний уменьшается мощность генерируемых колебаний (рис. 10.18). Поэтому такую расстройку принято ограничивать условием снижения мощности не более чем на 50 %.

Рис. 10.18

У отражательных клистронов КПД не превышает 5 %, вследствие чего они не ис­пользуются для получения больших мощностей, а применяются в качестве гете­родинов СВЧ-приемников, в измерительной аппаратуре, радиорелейной, радио­навигационной и телевизионной аппаратуре. Полезная мощность не превышает сотых и десятых долей ватта. В последние годы отражательные клистроны вытес­няются полупроводниковыми генераторами СВЧ.

Дата добавления: 2014-01-06