11.4. Характеристики пролетного клистрона и способы их улучшения

С учетом выведенных аналитических соотношений обсудим сна­чала проблемы мощности и КПД усилителя мощности на ПК.

Пролетный клистрон получает от источника питания высокого напряжения мощность

(11.21)

выделяя на резистивной нагрузке мощность первой гармоники

(11.22)

Обозначая для краткости I₂=I_квых ,, получаем на основании (11.21), (11.22) электронный КПД

(11.23)

Здесь . Таким образом, единственное отличие от классического определения электронного КПД связано с послед­ним сомножителем (Е_р/Е_к) в (11.23). Роль этого члена будет рассмот­рена позднее, а сейчас, чтобы не загромождать формулы, положим .

Oценим достижимые значения Р₁ и _э. Согласно (11.17) g₁ = = 2M₂ J₁(X). Отсюда максимальное значение коэффициента формы импульса двухрезонаторного клистрона g_lM 1,16М₂. Соответст­венно g_lМ 1,16 при М₂ 1. Напомним, что у косинусоидального импульса транзисторных или ламповых УМ максимальное значение g₁ = 2. Пролетный клистрон проигрывает по данному параметру более привычным АЭ из-за наличия провала в центре импульса при больших X.

Максимальное значение _2М коэффициента использования напря­жения питания ₂ определяется нагрузочными характеристиками УМ на ПК. По непонятной традиции в учебной литературе этот вопрос не рассматривается. Требуемую информацию можно почерпнуть из рис. 11.10, где представлены зависимости Р₁ и ₂ от резонансного сопротивления нагруженного выходного контура R_p2.

Легко видеть, что, как и в других УМ, существует оптимальное сопротивление нагрузки R_2кр, при котором Р₁ достигает максимума. По аналогии с первой частью настоящего учебного пособия этот режим можно назвать критическим. В области максимума Р₁ значе­ние ₂ составляет около 1,2. Это заметно больше, чем в УМ на тран­зисторах, т.е. по данному параметру ПК выигрывает.

Суммируя, имеем, что в области максимума генерируемой мощ­ности теоретический максимум электронного КПД составляет

Рис. 11.10. Нагрузочные характеристики ПК

На практике электронный КПД двухрезонаторного клистрона при­мерно вдвое ниже из-за потерь части электронного потока при про­лете через резонаторный блок и М₂ < 1.

Полный КПД ПК т) учитывает потери в выходном резонаторе. Соответственно , а с учетом введенных дополнительных обозначений

(11.24)

Используя для оценки параметры ПК из примера, приведенного в конце предыдущего параграфа, получаем R_э2 1,2 000 / (0,8 -0,116) 26 кОм. Однако даже при отключенной полезной нагрузке реальное резонансное сопротивление R_э2 может изменяться в достаточно широких пределах: R_э2 = 100 (200...4000) = 20...400 кОм.

Очевидно, что значения |_к 0,5 достигаются в критическом режиме ПК только при Q_э2 500.

Нагруженную добротность выходного контура можно оценить как

. (11.25)

Отсюда следует, что полоса пропускания данного УМ не может пре­вышать 0,4 %.

Рассмотрим основные способы улучшения технических характе­ристик УМ на ПК.

Начнем с наиболее критичного параметра, т. е. полосы пропуска­ния. Поскольку характеристическое сопротивление резонаторов ПК фактически «заморожено» в районе 100 Ом, остаются два пути:

1) использовать методы теории широкополосного согласования, заменяя одиночные резонаторы фильтрами из двух-трех связанных или взаимно расстроенных контуров;

2) понижать требуемое значение R_2кр.

Первый метод позволяет расширить полосу примерно на 50...80 %, что, конечно, хорошо, но обычно недостаточно.

В соответствии со вторым методом фактически требуется увеличение плотности электронного луча. Действительно, R_{p 2},

поэтому всего лишь удвоение тока позволяет получить прежнюю мощность при вчетверо меньшем сопротивлении R_{p 2}, т.е. при вчет­веро меньшей добротности резонатора.

Рост первой гармоники тока может быть получен увеличением G₀ либо улучшением параметра . Обе эти возможности были исчер­паны в первые 10—20 лет развития ПК. Основным современным методом повышения тока является переход к многолучевым приборам, в которых резонаторы (естественно, более сложной формы) про­низываются несколькими идентичными электронными потоками (вырабатываемыми, конечно, более сложными по конструкции элект­ронными пушками). Полный ток определяется суммой частных вкладов: , где N— число лучей. Часто достаточно иметь n = 5... 10, чтобы получить полосу пропускания ПК несколько процентов.

Многолучевой ПК одновременно решает еще одну важную техни­ческую проблему — позволяет нарастить выходную мощность при умеренном (порядка 10—15 кВ) уровне высоковольтного питания. В этом смысле он реализует параллельное сложение мощностей группы идентичных АЭ.

Двухрезонаторный ПК имеет при малом сигнале коэффициент усиления по мощности = 10... 13 дБ. Для увеличения усиления между входом и выходом ПК вводят один—четыре дополнительных резонатора (рис. 11.11).

При малом сигнале такой многорезонаторный ПК в первом при­ближении эквивалентен резонансному усилителю с числом каскадов на единицу меньшим числа «горячих», т. е. непосредственно взаимо­действующих с электронным лучом, резонаторов . Соответственно итоговое усиление в децибелах .

Перечислим в заключение методы повышения КПД ПК. В данном случае прослеживаются четыре основных подхода:

1. Использование резонаторов без сеток, что в сочетании с хоро­шей магнитной (с помощью продольного постоянного магнитного поля, соосного лучу) или электростатической фокусировкой позво­ляет повысить коэффициент токопрохождения К_Т до 0,95.

2. Применение трех и более резонаторов, что при соответствую­щей настройке промежуточных резонаторов позволяет приблизить форму импульсов выходного тока к прямоугольной и таким образом поднять значение коэффициента формы импульса .

3. Применение на выходе ПК резонаторов с распределенным вза­имодействием (например, в виде цепочки из двух-трех связанных

Рис. 11.11. Структурная схема многорезонаторного ПК

«горячих» резонаторов) обеспечивает более полное торможение электронов высокочастотным полем.

4. Использование режима рекуперации, что достигается сниже­нием Е_к относительно Е_р. При этом на участке между блоком резона­торов и коллектором возникает постоянное тормозящее электрическое поле, отбирающее у «отработавшего» потока электронов заметную долю оставшейся кинетической энергии.

В совокупности перечисленные методы позволяют повысить пол­ный КПД современного ПК вплоть до 70 %.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите основные области применения ПК.

2. Перечислите основные технические характеристики ПК.

3. Объясните устройство ПК на примере двухрезонаторного прибора.

4. Нарисуйте и объясните эквивалентную схему резонатора ПК.

5. Нарисуйте и объясните эквивалентную схему двухрезонаторного ПК.

6. Нарисуйте и объясните пространственно-временную диаграмму движения электронов в пролетном клистроне.

7. Что такое коэффициент глубины модуляции? Как его рассчитать?

8. Что такое коэффициент эффективности модуляции? Как его рассчитать?

9. Нарисуйте форму импульсов тока конвекции на выходе двухрезонаторного ПК при различных значениях параметра группирования.

10. Почему наведенный в выходном резонаторе ток не совпадает с током конвек­ции? Как его рассчитать?

ill. Почему утверждается, что ПК может быть эффективен как умножитель час­тоты?

12. Нарисуйте и объясните зависимость амплитуды первой гармоники выход­ного тока ПК от значения параметра группирования.

13. Какие факторы определяют выходную мощность ПК? Как ее увеличить?

14. Какие факторы определяют КПД ПК? Как его увеличить?

15. Какие факторы определяют полосу пропускания ПК? Как ее увеличить?

Глава двенадцатая

УСИЛИТЕЛИ И АВТОГЕНЕРАТОРЫ

НА ЛАМПАХ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

___________________________________________________