11.1. Общие сведения о пролетных клистронах

Пролетный клистрон (ПК) —типичный представитель электрова­куумных приборов СВЧ типа О, особенность которых — наличие протяженного прямолинейного электронного потока.

Пролетный клистрон изобретен в США братьями Вариан (Varian) в 1939 г. Работа ПК основана на использовании инерции электронов, т. е. в данном случае явление, мешающее работе привычных активных приборов, положено в основу принципа действия ПК. В наше время ПК применяется в основном как усилитель мощности, хотя вполне возможно организовать внешнюю либо внутреннюю цепь обратной связи и запустить ПК в автогенераторном режиме. В радиолокацион­ных и других радиосистемах ПК нередко используется в качестве преобразователя сдвига частоты и умножителя частоты.

Пролетные клистроны выпускаются в диапазоне частот от 200 МГц (длина волны ₀= 1,5 м) до примерно 24 ГГц ( ₀ 1,25 см). Выходная мощность ПК может составлять от единиц ватт до 1 МВт в непрерывном режиме и до 100 МВт в импульсном режиме. В настоя­щее время ПК — это самый мощный усилитель СВЧ.

У мощных ПК полный КПД достигает 70 % при коэффициенте усиления по мощности 30...60 дБ и полосе пропускания 1...10%. Сравнительно узкая полоса пропускания — основной недостаток УМ на ПК.

Пролетный клистрон в отличие от УМ на транзисторах и лампах бегущей волны (последние рассматриваются в следующей главе) обеспечивает практически полную развязку между высокочастот­ными входом и выходом прибора. Это достоинство превращает ПК в прекрасный буферный усилитель.

11.2. Принцип действия пролетного клистрона

Структурная схема ПК (рис. 11.1) включает в себя три основных блока: электронную пушку (ЭП), блок резонаторов (БР) и коллектор (К).

Электронная пушка формирует прямолинейный пучок электронов (либо несколько параллельных пучков), движущихся через блок резонаторов, где они взаимодействуют с высокочастотным полем и далее попадают на коллектор.

Постоянный ток на входе БР (он же — ток катода; ток на выходе ЭП) будем обозначать как I₀. При пролете через БР часть электронов оседает на элементах конструкции, поэтому средний ток коллектора I_кол несколько меньше I₀. Потери тока в БР характеризуются коэффи­циентом токопрохождения k_T. Для современных ПК типичны значе­ния k_T 0,90...0,95.

Скорость электронов, влетающих в БР, определяется разностью потенциалов между БР и катодом ЭП, называемой напряжением на резонаторах Е_р. На практике БР гальванически соединяется с вне­шним кожухом прибора (если последний имеется) и заземляется, а отрицательное напряжение Е_р подается на катод.

Формула для расчета v_Q, м/с, следует из закона сохранения энергии:

(11.1)

Здесь Е в киловольтах.

Несложно подсчитать, что, например, при Е_р = 2,5 кВ значение

составляет около 30 тыс. км/с, т. е. примерно 1/10 скорости света в вакууме.

Рассмотрим более детально конструкцию и принцип действия ПК на примере простейшего двухрезонаторного клистрона (рис. 11.2).

Электронная пушка в данном случае включает в себя оксидный катод, подогреваемый нитью накала, и вспомогательный управляю­щий электрод (УЭ) типа диафрагмы, служащий для формирования электронного луча заданного диаметра и его фокусировки. На управ­ляющий электрод подается небольшое (обычно в пределах 0...100 В) напряжение Е_у, отрицательное по отношению к катоду.

Колебательная система ПК представлена на рис. 11.2 двумя торо­идальными резонаторами с сетками, закрывающими центральную часть. Обмен энергией между электронным потоком и высокочастот­ным полем происходит именно в центральной части резонаторов (пространстве взаимодействия), где существует сильное продоль­ное электрическое поле. Важно подчеркнуть, что в отличие от обычных

Рис. 11.1. Структурная схема пролетного клистрона

Рис. 11.2. Эскиз конструкции и схема питания двухрезонаторного пролетного клистрона:

S — расстояние между отсчетными плоскостями резонаторов — длина пространства группирования; dp d₂ — расстояние между сетками резонаторов

радиоламп или транзисторов для осуществления энергетиче­ского взаимодействия в данном случае не требуется попадания электронов на электроды, поэтому пары сеток выполняются по воз­можности «прозрачными» для потока электронов.

Эквивалентная схема тороидального резонатора по отношению к его центральной части (рис. 11.3) имеет вид параллельного колебатель­ного контура с магнитной связью с внешним трактом. Индуктивность контура L ассоциируется с тороидальной полостью, емкость С — с емкостью высокочастотного зазора между сетками резонатора, индуктивность L_CB — с входной петлей связи, резистор R₀ отобра­жает резонансное сопротивление контура на холостом ходу при отключенном электронном луче, элемент Y_e = G_e + jB_e описывает электронную нагрузку, возникающую вследствие шунтирующего воз­действия электронного луча на параметры резонатора.

Рис. 11.3. Эквивалентная схема резонатора пролетного клистрона при учете электронной нагрузки

Резонансная частота контура f₀ . Знак приближен­ного равенства поставлен, чтобы подчеркнуть отсутствие учета влияния В_е и реактивности, вносимой из внешнего тракта. Характеристическое

сопротивление эквивалентного контура = = 100... 120 Ом.

Собственная добротность резонатора Q₀ обычно равна 200...500 для резонатора с сетками и (1…4)10 для современных резонаторов без сеток.

На рис. 11.4 представлена полная эквивалентная схема двухрезо­наторного ПК. Чтобы не загромождать рисунок, электронные нагрузки отнесены к собственным параметрам эквивалентных конту­ров. Напоминанием об их существовании служит замена индекса «0» при резонансном сопротивлении контура на индекс «э». Усилитель­ные свойства ПК имитируются управляемым источником тока пер­вой гармоники ; R_BX — внутреннее сопротивление возбуди­теля; R_H — сопротивление полезной нагрузки.

Очевидно, что схема на рис. 11.4 описывает простой однокаскад-ный резонансный усилитель. Принципиальное отличие от обычного усилителя заключается лишь в способе получения высокочастотного тока , питающего выходной контур. В радиолампе или транзис­торе переменный ток на выходе активного элемента получается бла­годаря тому, что переменное напряжение на управляющем электроде меняет значение протекающего тока с частотой сигнала возбуждения. В клистроне ток катода постоянен, периодическое изменение выход­ного тока достигается использованием иного физического меха­низма. Рассмотрим этот вопрос.

От внешнего источника на вход ПК поступает сигнал возбужде­ния, имеющий мощность Р_вх. Потери во входной цепи согласования, как и в первой части книги, будем характеризовать КПД входной ЦС

Рис. 11.4. Эквивалентная схема усилителя мощности на двухрезонаторном про­летном клистроне

_вх. Соответственно мощность возбуждения Р_в, непосредственно рассеиваемая во входном резонаторе ПК, составит

(11.2)

Резонансное сопротивление и добротность входного резонатора, нагруженного внутренним сопротивлением возбудителя, будут равны:

(11.3)

(11.4)

Используя (11.2), (11.3), можно рассчитать амплитуду синусои­дального переменного напряжения на входном резонаторе, полагая его настроенным на частоту сигнала возбуждения:

(11.5)

Пусть, например, = 1 Вт, = 5 кОм. Тогда, очевидно, = 100 В.

Под воздействием переменного напряжения u_B(t) = U_B sin( на зазоре входного резонатора половина пролетающих через него элект­ронов дополнительно ускоряется, а другая половина — замедляется, т. е. в первом резонаторе происходит модуляция электронного потока по скорости.

Резонаторы на рис. 11.2 соединены между собой металлической трубкой, называемой трубкой дрейфа. Пространство внутри трубки дрейфа экранировано от внешних электрических полей. Поэтому, если отвлечься от сил взаимного отталкивания электронов, можно принять, что электроны в

этой зоне движутся по инерции. Это позво­ляет наглядно представить их движение после вылета из первого резонатора с помощью пространственно-временной диаграммы на рис. 11.5, на котором по оси абсцисс отложено время t, а по оси орди­нат — пройденное электронами расстояние у по направлению ко вто­рому резонатору.

Электроны, пролетевшие через первый резонатор в момент пере­хода и_ъ через нуль, не меняют скорости. Если перед сменой знака и_в имело положительную полярность, то ранее пролетевшие электроны дополнительно ускоряются и в процессе дальнейшего движения все более удаляются от своих соседей, сохранивших скорость. В проти­воположной ситуации, т. е. при смене знака и_в с отрицательного на положительный, модуляция скорости электронов СВЧ-полем приво­дит к сближению траекторий электронов в процессе их дальнейшего движения в сторону второго резонатора. Иначе говоря, происходит группирование электронов, приводящее к периодическому измене­нию мгновенной плотности электронного потока в каждом конкрет­ном сечении ПК. Поэтому участок между резонаторами называется

Рис. 11.5. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в про­летном клистроне

пространством группирования или пространством группировки. Сам первый резонатор часто называют группирователем.

В результате пролета сгустков электронов между сетками второго резонатора в нем индуцируется высокочастотный ток с периодом сигнала возбуждения, что и обеспечивает в конечном счете появле­ние усиленного сигнала на выходе прибора. В этом смысле выходной резонатор иногда называют улавливателем. Однако напомним еще раз, что для передачи энергии от сгруппированного электронного луча СВЧ-полю, возбуждаемому в выходном резонаторе, не требу­ется оседание электронов на его правой (см. рис. 11.2) сетке. Доста­точно того, что электроны здесь двигаются в тормозящем высокочас­тотном поле.

Объясняя коротко суть физических процессов, обеспечивающих функционирование ПК, часто говорят об использовании принципа преобразования модуляции по скорости в модуляцию по плотности, основанного на инерции электронов.