Генераторы на клистронах Устройство и принцип действия усилительного пролетного клистрона

Усилительный пролетный клистрон является типичным представителем ЭВП типа «О» с динамическим управлением электронным потоком и кратковременным взаимодействием с электрическим полем усиливаемого сигнала.

Конструктивно клистрон представляет собой стеклянную или металлическую колбу, внутри которой создан вакуум и помещены катод, резонаторы, коллектор.

Пролетные клистроны могут работать как усилители, умножители или генераторы.

В радиосредствах гражданской авиации они используются в мощных радиолокационных передатчиках, телевидении дециметрового и сантиметрового диапазонов, а так же в тропосферной и космической связи. В непрерывном режиме работы они могут создавать мощность в дециметровом диапазоне – до 100 кВт, в сантиметровом – до 300 кВт, в миллиметровом – до 10 кВт. В импульсном режиме работы выходная мощность составляет соответственно 100 МВт, 20-30 МВт, 100 кВт. Мощность бортовых передатчиков искусственных спутников Земли и межпланетных станций не превышает десятков ватт.

Рассмотрим устройство и принцип работы усилительного двух резонаторного клистрона. Он состоит из электронной пушки, в состав которой входят катод и дополнительные электроды, фокусирующие электроны в узкий луч, двух объемных резонаторов и коллектора. Для более эффективного охлаждения коллектора и резонатора, их обычно контактно соединяют с корпусом передатчика и дополнительно может быть организовано охлаждение антифризом.

После включения напряжения накала и коллектора, на участке катод-коллектор возникает конвекционный ток (поток электронов в вакууме), причем электроны потока ускоряется напряжением коллектора на участке катод – входной резонатор, далее они летят к коллектору по инерции, поскольку разность потенциалов между группирователем и коллектором равна 0. Магнитное поле постоянного магнита ориентированно вдоль пролетного пространства и обеспечивает фокусировку потока электронов от катода до коллектора.

Во входном и выходном резонаторах поток электронов наводит шумоподобное колебание. Каждый электрон имеет кинетическую энергию, которая при ударе электрона о коллектор превращается в тепловую. Не все электроны имитируемые катодом достигают коллектора. Часть из них перехватывается сетками резонаторов и оседает на стенках пролетной трубы.

Таковы основные процессы в клистроне, если во входной резонатор не подается высокочастотный сигнал. Только при его подаче будет происходить модуляция скорости электронов, группировка их в сгустки, электрическое торможение.

Существенным недостатком двухрезонаторного клистрона является малый коэффициент усиления по мощности, который составляет порядка 30.

Значительного увеличения КПД удается добиться за счет установки вдоль пролетного пространства промежуточных высокодобротных резонаторов. Они обеспечивают формирование значительно более коротких импульсов конфекционного тока к моменту максимума тормозящего поля в выходном резонаторе. У мощных клистронов применяются исключительно жидкостные системы охлаждения. В некоторых типах современных пролетных многорезонаторных клистронов между электронной пушкой и входным резонатором имеется управляющий электрод для регулировки конвекционного тока.

Основными характеристиками многорезонаторного пролетного клистрона является амплитудная характеристика (зависимость выходной мощности клистрона от входной мощности). Данная характеристика имеет колоколообразную форму, показанную на рисунке:

Амплитудно-частотная характеристика – зависимость выходной мощности клистрона от частота

Клистроны с большим количеством резонаторов не используются из-за сложности настройки.