5. Электронные приборы свч Общие сведения

Работа электронных приборов СВЧ основана на том, что электроны приобретают кинетическую энергию от постоянного электрического поля, созданного источником питания и передают часть своей энергии электромагнитному полю СВЧ при торможении в этом поле.

Электронные приборы СВЧ делятся на две группы О-типа и М-типа. В приборах О-типа постоянное магнитное поле отсутствует или применяется только для фокусировки электронного потока. В приборах М-типа используются взаимно-перпендикулярные постоянное электрическое и магнитное поля. К приборам О-типа относятся клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ) и лампы обратной волны. Приборами М-типа являются магнетроны. Существуют ЛБВ и ЛОВ относящиеся к приборам М-типа.

5.1. Клистроны

Клистронами называются СВЧ приборы, работа которых основана на модуляции скорости электронного потока и группировании электронов в сгустки с последующим преобразованием энергии сгруппированных электронов в энергию СВЧ-колебаний. Клистроны содержат один или несколько объемных резонаторов.

Клистроны применяются для усиления и умножения частоты СВЧ-колебаний. Клистроны имеют узкополосные колебательные системы. Их перестройка в широком диапазоне волн производится механически изменением геометрических размеров резонаторов.

Рассмотрим устройство двухрезонаторного клистрона (рис.5.1).

Рис. 5.1

Электроны, испускаемые подогреваемым катодом, ускоряются полем ускоряющего электрода и пронизывают зазор между сетками входного резонатора. К входному резонатору через коаксиальную линию или волновод и петлю связи подводятся СВЧ колебания, которые требуется усилить. Входной резонатор называют модулятором. Выходной аналогичный резонатор называется улавливателем. Петлей связи усиленные колебания из улавливателя отводятся в нагрузку.

Часть входного и выходного резонатора выполнена в виде сеток, находящихся внутри баллона прибора и определяют емкость колебательного контура.

Электронный поток, прошедший через сетки резонаторов, собирается коллектором, на который подано высокое напряжение.

В основе физики работы клистрона лежит принцип формирования сгустков электронов (рис. 5.2.).

Рис. 5.2

Электроны, для которых в пространстве выходного резонатора выполняется условие u₀sinωt> 0, получают дополнительное ускорение. Электроны, для которыхu₀sinωt< 0 замедляются. На рис. 5.2 показана схема группировки электронов в пространственные резонаторы. В результате образуются сгустки электронов.

Модулированные по скорости электроны проходят пространство дрейфа между сетками входного и выходного резонаторов по инерции. Электроны с большей скоростью догоняют электроны, движущиеся с меньшей скоростью, что приводит к образованию сгустков электронов, разделенных одинаковыми промежутками времени, равными периоду усиливаемых колебаний.

Электронные сгустки поступают в выходной резонатор, настроенный на частоту их следования и создают в нем импульсы наведенного тока и возбуждают колебания с амплитудой, значительно превышающей амплитуду входного сигнала.

Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз.

КПД двухрезонаторных клистронов составляет от 20 до 40 % (предельное теоретическое значение 58%).

В настоящее время применяются клистроны, содержащие от 3 до 7 резонаторов. Они имеют КПД до 50 %, коэффициент усиления по мощности до 90 дБ, мощность до 100 кВт в непрерывном режиме, до 50 мВт в импульсном режиме.

Отражательные клистроны. Основным их назначением является генерирование СВЧ колебаний. Они содержат один объемный резонатор, который дважды пронизывается электронным потоком. Возврат электронов в зазор резонатора осуществляется с помощью отражателя, находящегося по отрицательным напряжением.