книги из ГПНТБ / Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник

электронов), а / ре3(і>—тот же но величине ток, но в нагрузке, пот­ ребляющей энергию источника.

С помощью эквивалентной схемы изобразим векторную диаграм­ му, учитывающую фазовые соотношения в пролетном клистроне (см. рис. 1.12, б). / (1) отстает по фазе от Ux на угол Ѳ— я/2 в со­

стройки резонатора. Если собственная частота выходного резона­ тора совпадает с частотой сигнала, а следовательно, с частотой первой гармоники тока / нав(і), то U2 и / рез(і) совпадают по фазе.

Зависимость этого сдвига фазы от угла пролета можно использовать для изменения фазы выходного сигнала с помощью ускоряющего напряжения U „.

§ 1.5. Параметры и характеристики двухрезонаторного пролетного клистрона

Выходная мощность. При совпадении собственной частоты ре­ зонатора с частотой сигнала выходную мощность определяют по формуле (1.45). Используя выражение (1.40) для амплитуды первой гармоники наведенного тока, получаем

27

Рассмотрим зависимость Р 2 от параметра группирования, яв­ ляющегося аргументом функции Бесселя J x (X). Функция J г (X) имеет максимальное значение при X = 1,84, поэтому при X = 1,84 максимальна и выходная мощность. Параметр X, при котором вы­ ходная мощность максимальна, называют оптимальным параметром группирования. Таким образом,

Хопт=1,84. (1.51)

При X = 1,84 через максимум проходят амплитуды первой гармоники конвекционного и наведенного токов, так как они про­

раметру группирования, при котором выходная мощность макси­

конвекционного тока в пределах каждого периода становится «дву­ горбой» (см. рис. 1.6). Такая форма появляется при смещении на пространственно-временной диаграмме (см. рис. 1.2) дальше точки А, которой соответствует один всплеск тока (X = 1), и связана, как уже отмечалось, с обгоном электронов.

Выходная мощность электронов зависит, кроме параметра груп­ пирования X, также от величин М 2, / 0, U2 или G2. При X = Хопт Р 2 имеет максимальное значение. Оценим предельную мощность Р2пр|д> которую можно получить выбором других величин. Для такой оценки необходимо подставить в формулу (1.50) максимальное значение М 2 = 1, J t (Хопт) = 0,58 и U2 = U 0. Амплитуду вы­ ходного напряжения U2 не следует брать больше ускоряющего на­ пряжения. Переменное напряжение между сетками резонатора должно тормозить пролетающие электроны. Ускоряющее напря­ жение U о определяет кинетическую энергию электронов. При U2> U о часть потока электронов не сможет преодолеть тормозя­ щее поле, будет остановлена и начнет ускоряться полем при дви-

28

жении в обратном направлении, что приведет к снижению выходной мощности.

Подставляя М 2 = 1, J х (Хопт) = 0,58 и U2 = ІІ0 в формулу (1.50), получаем

точника питания. Если ток / 0 зависит от ускоряющего напряжения по закону «степени трех вторых» (10 ~ U y2), то Р2пред ~ Таким образом, выходная мощность сильно зависит от ускоряющего напряжения.

Входную мощность можно рассчитать по формуле:

где Gj — эквивалентная проводимость первого резонатора. Вос­ пользовавшись формулой (1.18), получим

2 Ц$ X 2 G x

(1.58)

М \ Ѳ2

29

Используя (1.56) и (1.58) для определения /Су<р) по формуле

(1.54), получаем:

Коэффициент усиления клистрона при малом сигнале не зависит от величины сигнала, так как выходная Р 2 и входная Р г мощности

Р ! называется амплитудной характеристикой. Эта зависимость,

но в другом масштабе, изображает связь т]э с Р г.

§ 1.6. Принцип работы многорезонаторного пролетного клистрона

В предыдущем рассмотрении процессов в клистроне не учиты­ вали влияние пространственного заряда электронного потока: дви­ жение всех электронов считали независимым и определяли из урав­ нения движения одного электрона, в которое не входила плотность пространственного заряда.

Силы расталкивания, действующие в направлении движения электронов, должны увеличивать скорость электронов, находящих­ ся в передней части сгустка, и уменьшать скорость электронов, летящих сзади. Но в клистроне впереди летят более медленные элект­ роны, а сзади — более быстрые, чем невозмущенные электроны, определяющие центр сгустка. Поэтому влияние продольной силы расталкивания приводит к выравниванию скоростей электронов в сгустке. В некотором сечении клистрона скорости всех электронов станут одинаковыми и равными скорости ѵ0 невозмущенного электрона.

Процесс выравнивания скоростей электронов эквивалентен уменьшению глубины модуляции скорости и приводит к ухудшению

30

группирования. На рис. 1.15 показана пространственно-временная диаграмма пролетного клистрона с учетом влияния пространствен­ ного заряда. В сечении z' , где скорости электронов становятся равными, отрезки линий параллельны. Наблюдаемое ухудшение

ния необходимо изолировать).

Более целесообразно применение многорезонаторных пролетных клистронов. Особенности их работы рассмотрим на примере трех­ резонаторного клистрона (рис. 1.16, а ) .

Коллектор

а

Рис. 1.16

Процесс группирования в трехрезонаторном клистроне можно пояснить с помощью пространственно-временной диаграммы (см. рис. 1.16, б). Сначала будем считать, что входной сигнал мал, а все резонаторы настроены на частоту усиливаемого сигнала. Электроны, прошедшие зазор первого резонатора с напряжением

31

Uъ группируются около невозмущенного электрона О. Если на­ пряжение сигнала U1мало, то модуляция по скорости, а затем и по плотности оказывается слабой (пунктирные линии диаграммы пере­ секаются на большом расстоянии). Конвекционный ток в плоскости резонатора Р 2 в этом случае можно считать практически синусои­ дальным из-за малости параметра группирования. Второй резона­ тор не нагружен и имеет высокую добротность. Поэтому напряжение U2, создаваемое на резонаторе Р 2 наведенным током, велико, и должно оказывать сильное тормозящее воздействие на пролетаю­ щий электронный поток. Напряжение U%противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока (см. § 1.4). Для резона­ тора Р 2 невозмущенным электроном будет электрон О', проходящий

щенного электрона О', отстающего от «старого» невозмущенного электрона О на угол лі2. После второго резонатора прямые на про­ странственно-временной диаграмме резко изменяют наклон, что свидетельствует об улучшении группирования.

Совместное воздействие двух резонаторов P j и Р 2 значительно сильнее, чем при одном резонаторе Р и и обеспечивает необходимое группирование электронов в зазоре третьего резонатора. Осущест­ вление модуляции по скорости в двух резонаторах вместо одного создает эффект, аналогичный применению пилообразного напряже­ ния для модуляции по скорости (см. § 1.3).

§ 1.7. Параметры и характеристики многорезонаторного клистрона

Коэффициент усиления. Рассмотрим усиление слабого сигнала, когда все резонаторы настроены на частоту усиливаемого сигнала

(режим синхронной настройки). При слабом сигнале можно про­ вести теоретическое рассмотрение группирования, подобное рассмот­ рению в двухрезонаторном клистроне. При этом получаем урав­ нение группирования, совпадающее по виду с уравнением (1.19), если вместо параметра группирования подставить эффективный параметр группирования, определяемый соотношением

Здесь Х 13 — параметр группирования, если модуляция по скорости происходит в первом резонаторе, а промежуточный (второй) резо­ натор отсутствует; Х 23 — параметр группирования, если модуляция по скорости производится в промежуточном резонаторе; Ѳх и Ѳ2 — углы пролета между первым и вторым и между вторым и третьим резонаторами соответственно.

32

При усилении слабого сигнала (U1 U 0) без промежуточного резонатора параметр Х 13 мал и не может быть сделан большим при увеличении длины клистрона (угла пролета), так как при слабой модуляции по скорости наиболее резко проявляется ухудшение группирования из-за влияния сил расталкивания в пучке. Длина клистрона не может превышать величины г' на рис. 1.15. Однако при наличии промежуточного резонатора с высокой добротностью вследствие большой величины U2 Х 23 > Х 13, т. е. группирование практически происходит в пространстве между вторым и третьим резонаторами в результате модуляции по скорости во втором резо­ наторе. Эффективный параметр группирования (1.60) оказывается большим (ХЭф > Х 13). Максимальную выходную мощность в тре­ тьем резонаторе получим при оптимальном параметре группирова­ ния ХЭф(опт) = 1,84, как в двухрезонаторном клистроне.

Для. расчета коэффициента усиления воспользуемся формулами, аналогичными (1.56) и П.58). Вместо (1.56) для мощности третьего

аG3 — эквивалентная проводимость резонатора. Формула (1.58) для входной мощности приобретает вид

Коэффициент усиления по мощности с учетом (1.62) и (1.63):

Сравнивая эту формулу с (1.59), убеждаемся, что КУ(Р) трех­ резонаторного клистрона по сравнению с двухрезонаторным тем больше, чем больше величина ХІ$ІХ\3. Коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона при слабом входном сигнале составляет 30—35 дБ. Дальнейшее увеличение числа резонаторов приводит к дополнительному возрастанию КУ(Р) примерно на 20 дБ на каждый добавляемый резонатор. Поэтому КУ(Я) в клистроне с числом резонаторов N определяют по формуле

обратных связей возможно самовозбуждение колебаний.

Выходная мощность и электронный к. п. д. Уже отмечалось, что для малого входного сигнала максимальная выходная мощность и максимальный к. п. д. получаются при оптимальном эффективном параметре, равном 1,84, которому соответствует максимальное зна­ чение амплитуды первой гармоники конвекционного тока /(].)макс = = 1,16 / 0. Изменятся ли эти величины при большом входном сигнале?

Вернемся к пространственно-временной диаграмме на рис. 1.16,6. При слабом входном сигнале электроны приходят ко второму резо­ натору очень слабо сгруппированными около невозмущенного электрона О. Большому сигналу соответствует хорошая группиров­ ка электронов около электрона О. Однако следует заметить, что относительно поля второго резонатора невозмущенным оказывается другой электрон О', приходящий позже электрона О на четверть периода (я/2). Таким образом, центр приходящего ко второму ре­ зонатору сгустка сильно смещен относительно электрона О', около которого должно бы далее происходить группирование. В резуль­ тате этого смещения удаленные от 0' электроны приходящего сгуст­ ка не группируются около электрона О (разгруппировка) и выход­ ная мощность и электронный к. п д. уменьшатся.

Чтобы сохранить электроны в сгустке, необходимо каким-то образом совместить точки О и О' на рис. 1.16, б. Это совмещение можно обеспечить расстройкой промежуточного резонатора, при этом его резонансная частота должна быть выше частоты сигнала. Очень большой расстройке соответствует требуемый сдвиг фазы я/2 между током и напряжением резонатора. В этом случае цент­ ральный электрон прежнего сгустка оказывается невозмущенным электроном для второго резонатора. Однако сдвиг фазы, близкий к я/2, невыгоден по другой причине: сгусток проходит между сетка­ ми второго резонатора при малых напряжениях u2(t), поэтому взаи­ модействие с этим полем не вызывает заметного дополнитель-' ного изменения скорости электронов. Следовательно, необходимо установить меньший сдвиг фазы, при котором напряжение на зазоре «2 (0 станет таким, что группирование будет достаточно для получе­ ния максимальных значений мощности, коэффициента усиления и к. п. д.

Расчеты показывают, что оптимальная расстройка промежуточ­ ного резонатора при усилении большого сигнала позволяет создать такую группировку около третьего (выходного) резонатора, что максимальная амплитуда первой гармоники конвекционного тока возрастает до 1,48 / 0 по сравнению с 1,16 / 0 в двухрезонаторном клистроне. В двухрезонаторном клистроне максимальный электрон­ ный к. п. д. составляет 58%, в трехрезонаторном клистроне при сла­ бом сигнале он также равен 58%, так как в обоих случаях опти­ мальный параметр группирования одинаков и равен 1,84. Рост амплитуды первой гармоники конвекционного тока от 1,16 / 0 до 1,48 / 0 при большом сигнале приводит к увеличению к. п. д.

до 73,8%.

Увеличение числа резонаторов приводит к дальнейшему, но относительно меньшему росту амплитуды первой гармоники тока, выходной мощности и к. п. д.

Амплитудные характеристики многорезонаторного клистрона показаны на рис. 1.17. Характеристика 1 соответствует режиму синхронной настройки резонаторов, а характеристика 2 — режиму получения максимальной мощности и к. п. д.

34

Крутизна начального участка характеристики 1 велика, так как в режиме синхронной настройки при малом сигнале получается наибольший коэффициент усиления. Участок характеристики с боль­ шим значением мощности (область насыщения) невелик, так как с увеличением входного сигнала в этом режиме резко падает выход­ ная мощность.

Характеристика 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Начальный участок имеет меньшую крутизну (меньший коэффициент усиления), но область насыщения оказы­ вается широкой. Этот режим рабо­ ты можно использовать для уси­ ления немодулированных колеба­ ний и колебаний, модулированных по фазе или частоте.

Амплитудно-частотная и фазо­ частотная характеристики. В ре­ жиме синхронной настройки ши­ рина полосы пропускания опреде­ ляется добротностью резонаторов и она меньше, чем при расстройке резонаторов, производимой для по­ лучения максимальной мощности и к. п. д. Полоса пропускания со­ ставляет десятые доли процента

в сантиметровом диапазоне волн и несколько процентов — в де­ циметровом. Фазо-частотная характеристика определяется фазо­ частотными характеристиками резонаторов и зависит от режима настройки резонаторов. Для усиления колебаний, модулированных по фазе или частоте, необходимо иметь линейную фазо-частотную характеристику.

§ 1.8. Особенности устройства и параметры усилительных пролетных клистронов

Конструкция усилительных клистронов зависит от их назначе­ ния, уровня номинальной выходной мощности, типа резонаторов, способа фокусировки электронного потока, способов ввода и вы­ вода энергии, перестройки частоты и типа охлаждения.

По роду работы клистроны подразделяют на импульсные и не­ прерывного действия. Импульсная работа обеспечивается подачей импульсов напряжения на резонаторы или управляющий элект­ род (модулятор). Частота повторения импульсов обычно порядка нескольких сотен или тысяч герц, а длительность составляет от долей микросекунды до нескольких микросекунд и даже миллисе­ кунд при низкой частоте следования импульсов.

По уровню мощности выделяют маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные пролетные клистроны. В дециметровом

диапазоне мощность в импульсе у маломощных импульсных кли­ стронов менее 10 кВт, у клистронов средней мощности от 10 кВт— до 1 МВт, у мощных — от 1 до 100 МВт, у сверхмощных — более 100 МВт. Для клистронов непрерывного действия мощнорть

ческая фокусировка и фокусировка полем постоянных магнитов. Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноЕодные и коаксиально-волноводные системы.

Рис. 1.18

По конструкции резонаторов пролетные клистроны делятсяна клистроны с внутренними и внешними резонаторами. В последних резонаторы находятся вне вакуумного объема клистрона. Обычно внешние резонаторы составные, с разъемом по образующей ци­ линдра. В некоторых клистронах предусмотрена механическая перестройка резонаторов в процессе эксплуатации (перестраивае­ мые клистроны).

Охлаждение клистронов может быть естественным или прину дительным (газ, жидкость, контакт). Основная мощность электрон­ ного потока рассеивается на массивном коллекторном электроде с конусным углублением для распределения потока электронов на большую поверхность.

На рис. 1.18 приведены фотографии мощных усилительных кли стронов — импульсного КИУ12 и непрерывного действия КУ304 и КУ310А, параметры которых даны в табл. 1.

36