книги из ГПНТБ / Хайков А.З. Клистронные усилители

А. 3. Х А Й К О В

К Л И С Т Р О Н Н Ы Е У С И Л И Т Е Л И

И з д а т е л ь с т в о « С в я з ь » М о с к в а 1 9 7 4

Пр е д и с л о в и е

Усилители мощности на многорезонаторных клистронах находят широкое применение в современной технике свч. Клистроны имеют импульсную мощность до десятков мегаватт, мощность непрерыв­ ных колебаний до сотен киловатт и отличаются большой надежно ­

теристики передатчика практически определяются характеристика ­ ми оконечного каскада на клистроне. Клистронные передатчики ис­ пользуются в тропосферной радиорелейной связи, в космической связи, телевидении, радиолокации и навигации. Клистронные уси­ лители применяются в технике, ускорителей элементарных частиц. В диапазонах сантиметровых и дециметровых волн клистроны ус­

ся в а ж н о й задачей техники свч и диктуется необходимостью уси­ ления широкополосных сигналов или требованием работы в диа - пязоне частот без механической перестройки. В последние годы все большее применение находят гибридные приборы (клистроны с многократным и распределенным взаимодействием и твистроны), позволяющие получить высокие значения усиления я кпд, свойст­ венные клистронам, и увеличить ширину полосы, приблизив ее к

наторов. Целью книги является освещение этих процессов в клист­ ронах с различным характером взаимодействия, на основе которого могут быть определены все основные п а р а м е т р ы клистронных уси­ лителей.

Основной задачей является обобщенное исследование клистрон­ ных усилителей мощности, которое дает возможность с единых по­ зиций рассмотреть работу клистронов в широкополосных и узкополосных к а с к а д а х радиопередающих устройств, установить общие физические закономерности процессов в таких усилителях и изу­ чить особенности, присущие клистронам с различным взаимодейст­ вием. Полученные аналитические соотношения позволяют опреде­ лить всю совокупность характеристик клистронного усилителя и их

3

поле с большей средней скоростью, и инерция электронов в мень­ шей степени снижает кпд усилителя. С другой стороны, 'отсутствие высокочастотных токов в цепи катода является одной из причин большого срока с л у ж б ы прибора, доходящего до десяти и более тысяч часов.

П р и помощи внешнего генератора в первом, входном, резона ­ торе клистрона возникают электромагнитные колебания. Электро ­ ны, пролетающие через зазор резонатора, взаимодействуют в этом участке с высокочастотным электрическим полем. В течение перио­ да высокой частоты часть электронов ускоряется, а д р у г а я з а м е д ­ ляется . Амплитуда напряжения, действующего на зазоре, намного

называют приборами с модуляцией скорости, хотя сам термин «мо­ дуляция» нельзя в этом случае считать удачным, так как р а с с м а т ­ риваемый процесс никак не связан с утвердившимся в радиотехни­

ный наведенный ток в цепи резонатора. Это, в свою очередь, при­

намного больше, чем на входе в зазор . Группировка во второй про­

электронного потока на входе, характеризуемого постоянным кон­ векционным током, в периодическую последовательность достаточ- ' но уплотненных электронных сгустков на выходе.

К моменту прохождения зазора выходного резонатора элект­ ронный поток группируется наилучшим образом, т. е. первая гар- "моника конвекционного тока достигает наибольшего значения. В

6

выходном резонаторе возникают интенсивные колебания. Амплиту­ да н а п р я ж е н и я на зазоре оказывается равной или несколько боль­ шей ускоряющего напряжения . Б о л ь ш а я часть электронов эффек­ тивно тормозится и отдает свою энергию высокочастотному полю. Эта энергия передается в нагрузку, соединенную с выходным ре­ зонатором при помощи фидера .

Электроны, пролетев зазор выходного резонатора, попадают на коллектор, где их остаточная кинетическая энергия рассеивается в

цилиндрического луча. Иногда используются ленточные потоки, се­ чение которых представляет собой вытянутый прямоугольник. На ­ ходят применение т а к ж е многолучевые приборы. Формирование электронного потока осуществляется электронной пушкой. Чтобы

ных. Так как сетка ставится на пути движения электронов, то ток в ее цепи отличен от нуля.,

Электрод, имеющий форму полого цилиндра и помещенный пе­ ред корпусом, называется модулирующим анодом. Д л я управления током клистрона на него подается положительное по отношению к катоду напряжение, меньшее, чем напряжение м е ж д у корпусом и катодом, но сравнимое с ним по величине. Ток в цепи анода обыч­ но отсутствует.

Электронный поток в клистроне необходимо фокусировать, для того чтобы диаметр потока не увеличивался под действием взаим ­ ного расталкивания электронов и электроны не попадали на стенки пролетных труб. С этой целью используется магнитная фокусиров­ ка. Постоянное магнитное поле вдоль оси клистрона создается ли­ бо при помощи сплошного соленоида, либо при помощи отдельных катушек, помещаемых в промежутках между резонаторами . Такое поле препятствует движению электронов перпендикулярно оси при­ бора и действует так, что электроны движутся к коллектору по спиральным траекториям .

Применение для фокусировки потока постоянных магнитов вме­ сто электромагнитов значительно уменьшает вес фокусирующей си­ стемы и упрощает эксплуатацию клистронов. Е щ е выгоднее ис­ пользовать электростатическую фокусировку, при которой создает­ ся периодически изменяющееся вдоль оси прибора постоянное элек­ трическое поле.

7

сущности, такая колебательная система представляет собой отрезок

Рис. 1.3

зуе.мые в мощных ЛБВ, то еапсоротенный « а 'концах. Другим ти­ пом конструкции является спиральный резонатор или резонатор с распределенным взаимодействием (рис. 1.36).

Использование резонаторов с многократным и распределенным взаимодействием приводит к росту полосы усиливаемых частот и кпд клистрона. Приборы с такими резонаторами являются гибрид­

Рис. 1.4

выходную цепь в виде отрезка з а м е д л я ю щ е й системы с согласован­ ными нагрузками на концах.

•Основными параметрами клистронного усилителя являются его мощность, кпд, усиление и полоса усиливаемых частот. Эти пара­ метры определяются процессами взаимодействия электронного по­ тока с электромагнитными полями в зазорах резонаторов и груп­ пировкой в пролетных трубах. В свою очередь, процессы в зазорах зависят от параметров цепей резонаторов, а эти цепи в общем слу­ чае могут быть построены самым различным образом .

Чтобы получить представление о вопросах, которые необходи­ мо исследовать при анализе клистронов, рассмотрим сначала упро­ щенно каковы особенности процессов в выходной цепи и в группирователе в различных достаточно простых идеализированных си­ туациях .

1.2.Процессы в выходной цепи

Взаимодействие электронного потока с полем в зазоре выходно­ го резонатора во многом определяет кпд и полосу усилителя. Эк­ вивалентная схема выходного резонатора представлена на рис. 1:5.

9