Клистронные автогенераторы Автогенератор на пролетном клистроне

Автогенераторные клистроны конструируются по двухрезонаторной схеме для получения моночастотных колебаний. Возникновение и поддержание устойчивого режима генерации обеспечивается слабой положительной внешней обратной связью между выходным и входным резонаторами. По линии обратной связи с выхода на вход клистрона подается колебание необходимой мощности и в соответствующей фазе. В виду малого КПД двухрезонаторных клистронов, автогенератор на них строится на генерируемую мощность не более десятков ватт.

Относительная нестабильность частоты колебаний составляет приблизительно . В авиационных РЭС она достигается стабилизацией напряжения питания, термостабилизацией резонаторов и коллектора, экранированием и амортизацией клистрона, применением вентиля на выходе для снижения влияния последующих каскадов.

Клистроны настраиваются на нужную частоту генерации при изготовлении и в процессе эксплуатации механической подстройке не подлежат.

Высокочастотный тракт передатчика, выполненный на пролетных клистронах, включает в себя не менее 3 основных частей: задающий генератор, преобразователь частоты (смеситель) и усилитель мощности, соединенные между собой волноводными трактами.

Задающий генератор является двухрехонаторным пролетным клистроном с внутренними резонаторами, электрически связанными посредством щели. Таким же образом выходной резонатор связан с волноводом.

Фокусировка потока осуществляется постоянным магнитом. Коллектор соединен с корпусом. Для стабилизации частоты применяется система АПЧ, а так же стабилизированные источники питания. После вентиля устанавливается делитель, где часть мощности может отправляться в систему АПЧ и в приемное устройство в качестве сигнала гетеродина.

Преобразователь частоты (смеситель) представляет собой многорезонаторный пролетный клистрон, во входной резонатор которого подается сигнал с выхода задающего генератора, а на управляющий электрод – колебания частоты сдвига (как правило, от кварцевого генератора). Колебания комбинационной частоты с выходного резонатора поступают на выходной усилитель, выполненный, как правило, на пяти резонаторном пролетном клистроне.

Фокусировка ПЧ и УМ осуществляется либо электромагнитом, либо постоянным магнитом.

Отражательный клистрон

Отражательный клистрон – только автогенератор. Отражательный клистрон представляет собой стеклянный или металлический баллон, внутри которого создан вакуум и размещены катод, фокусирующий и ускоряющий электроды, объемный резонатор и отражатель. В отражательном клистроне один и тот же резонатор выполняет обе функции: группирователя и улавливателя электронов.

Принцип действия отражательного клистрона состоит в следующем: излучаемый катодом электроны, проходя через фокусирующий электрод, концентрируются в луч, затем под действием ускоряющего напряжения ускоряются и направляются к отражателю. Пролетая через зазор между сетками резонатора, электроны модулируются по скорости. Модулирующим напряжением в начальный момент времени служит флуктуационное колебание, всегда имеющееся в колебательных системах. Они возникают при включении источников питания вследствие пролета первых электронов через сетки резонатора. Пролетев сетки, электроны попадают в тормозящее поле резонатора. Сначала они летят по инерции, а затем под действием тормозящего поля, которое создается напряжением на отражателе, тормозятся, останавливаются и возвращаются обратно к сеткам резонатора.

Длина пути, проходимого электронами в пространстве между резонатором и отражателем зависит от их скорости. Электроны, получившие в резонаторе ускорение, пройдут больший путь и подойдут ближе к отражателям. Электроны, приторможенные в резонаторе, пройдут меньший путь и раньше развернутся к резонатору. Более быстрые электроны, возвращаясь к резонатору, догоняют более медленные, в результате чего образуются сгустки электронов, в результате чего происходит их группирование. Поэтому в отражательном клистроне пространство между резонатором и отражателем называется пространством группирования.

При определенном расстоянии между резонатором и отражателем, и напряжении на отражатели, сгустки могут возвращаться в резонатор в моменты тормозящего поля и, отдавая ему свою энергию, будут поддерживать колебания в резонаторе.

Таким образом, отражательный клистрон может работать только в режиме самовозбуждения. Условия самовозбуждения отражательного клистрона выполняются при определенной плотности электронных сгустков, т.е. при определенном токе в луче. Обратная связь в отражательном клистроне осуществляется с помощью возвращающегося в резонатор электронного потока.

Для выполнения условия баланса фаз, т.е. чтобы обратная связь была положительной, необходимо чтобы электронные сгустки возвращались в резонатор в моменты максимального значения того, что то полупериод, который для летящих к отражателю электронов является ускоряющим, для возвращающихся будет тормозящим.

Условие баланса фаз достигается подбором отрицательного напряжения на отражателе. Наилучшим образом фазовые условия удовлетворяются, когда время пролета электронов в пространстве равно , где

- собственная частот резонатора

- целое число, определяющее номер зоны генерации отражающего клистрона

Таким образом, условия самовозбуждения выполняются при различных значениях времени пролета, удовлетворяющих условию, приведенному в формуле. Изменяя время пролета, путем регулировки напряжения на отражателе, можно получить дискретные зоны генерации . В пределах каждой зоны генерации можно осуществлять электронную перестройку частоты.

Второе условие баланса амплитуд достигается изменением тока в луче путем подбора напряжения на ускоряющем электроде.

В отражательном клистроне можно осуществить электронную и механическую перестройку частоты.

Электронной перестройкой называется изменение частоты генерации отражательного клистрона путем изменения напряжения на отражательном электроде. Она используется для безынерционного изменения частоты в клистронах. Удобство электронной перестройки состоит еще в том, что при достаточно высоком отрицательном напряжении на отражателе ток отражателя равен 0 и, следовательно, мощность на управление частотой колебаний не расходуется. Диапазон электронной перестройки невелик, приблизительно 0,5% частоты генерации отражательного клистрона.

Поскольку ширина диапазона электронной перестройки небольшая, то для работы в более широкой полосе частот применяют механическую перестройку частоты путем изменения размеров резонатора. Она выполняется с помощью винтов, вкручиваемых внутрь резонатора и изменяющих его объем. В стеклянном баллоне изготавливаются клистроны, работающие в диапазоне 500-1200 МГц, в металлическом – свыше 10000 МГц.