книги из ГПНТБ / Пахлавян, А. Н. Радиопередающие устройства учебник

щего напряжения возбуждения изменится и поле резонатора будет оказывать на электроны тормозящее действие, их скорость умень­ шится на 'величину Д о и они отдадут резонатору часть своей кине­ тической энергии ’(наибольшее количество в моменты t2). Таким образом, скорость различных электронов, покидающих резонатор O P i , оказывается различной в зависимости от фазы взаимодейст­ вия с его переменным электрическим полем. Если средняя скорость электронов v0 настолько велика, что промежуток между сетками резонатора электроны пролетают за небольшую долю периода, то закон изменения скорости электронов, вылетающих из резонатора OPi в пространство дрейфа, повторяет гармонический закон воз­ бужденных в резонаторе колебаний. Максимальные скорости соот­ ветствуют моментам времени >ti, минимальные— to. В моменты времени t0, соответствующие перемене полярности напряжения, действующего на резонаторе, т. е. при Д и = 0 , электроны сохраняют свою первоначальную скорость v0 во всем пространстве дрейфа и образуют так называемые центры группирования, отмеченные точками на рис. 8.3. Так как к сетке O P i подлетает равномерный поток электронов, то число ускоренных в положительный и число замедленных в отрицательный полупериоды оказывается одинако­ вым, а энергия, отбираемая электронным потоком и возвращаемая объемному резонатору в каждый полупериод, — равной. Следо­ вательно, источник внешнего возбуждения не расходует мощности на управление потоком электронов по скорости. Величина мощ­ ности определяется лишь потерями во входном резонаторе OPi. В пространстве дрейфа после резонатора OPi, где на электроны ничто не оказывает действия, они движутся е постоянными, но раз­ ными скоростями вдоль оси. В пространстве дрейфа происходит группирование электронов, в результате которого образуются уп­ лотненные и разряженные участки, равномерность потока нару­ шается и он становится неоднородным. Изменения плотности по­ тока электронов, связанные с изменениями их скорости, естествен­ но, повторяют закон возбуждающего резонатор напряжения. Образование максимальных сгустков и разряжений в пространстве дрейфа при неизменных напряжениях Ui и Е0 происходит в опре­ деленных сечениях и носит название процесса группирования или модуляции плотности потока электронов. На пространственно-вре­ менной диаграмме (см. рис. 8.3) условно поясняется процесс груп­ пирования. Различным, но постоянным скоростям (электронов или групп электронов) соответствуют линии с отличающимися крутиз­ нами. Больший наклон свидетельствует о меньшей скорости, чем первоначальная (т. е. за отрезок времени пройдено меньшее рас­ стояние X вдоль оси), меньший наклон — о большей скорости.

Линии не являются траекториями электронов, а характеризуют только их координату в зависимости от времени. В сечениях, где линии сближаются, образуются сгустки электронов. Плотность по­ тока повышается. Там, где они расходятся, образуются менее плот­ ные— разряженные — участки потока. В сечении, отстоящем на расстоянии I от сеток входного резонатора, образуется первый

231

■сгусток электронов, свидетельствующий о том, что большое число электронов, с различными скоростями и в различные моменты по­ кинувшее входной резонатор, одновременно прошло данное сече­ ние. Естественно, именно в это сечение следует поместить сетки выходного резонатора ОР2.

Когда электроны проходят пространство выходного резонатора

ОР2, они наводят в нем индукционный ток, результирующее зна­ чение которого не будет равно нулю вследствие неоднородности потока электронов. Возбужденное электромагнитное поле резона­ тора оказывает по законам индукции обратное действие на «воз­ будитель», в данном случае неоднородный поток электронов — пульсирующий конвекционный ток. И если выходной резонатор ОР2 настроен на частоту возбуждающих колебаний, его возбуж­ денное высокочастотное электрическое поле тормозит сгустки элек­ тронов (наибольшие значения пульсирующего конвекционного то­ ка) и ускоряет электроны, находящиеся в менее плотных слоях потока (наименьшие значения пульсирующего конвекционного то­ ка). При торможении электроны отдают свою кинетическую энер­ гию резонатору, а при ускорении — отбирают. Если выходной резо­ натор располагается в сечении I, где образуется сгусток электро­ нов, то отдаваемая резонатору энергия будет значительно превы­ шать отбираемую и в выходном объемном резонаторе будут под­ держиваться незатухающие электромагнитные колебания. Их мощ­ ность, отдаваемая во внешнюю нагрузку, будет максимальной при точной настройке объемного резонатора на частоту внешнего сиг­ нала и при выборе наиболее выгодной связи с нагрузкой.

в нем полем приводит к образованию еще большей неоднородно­ сти потока. В результате разность плотностей электронов в сгуст­ ках и разряжениях еще больше увеличится, и энергия, отдаваемая тормозящему полю последующего резонатора, будет значительно превышать отбираемую в момент ускорения разряженных слоев. Это приведет к повышению мощности и коэффициента полезного

действия прибора.

На рис. 8.4 показана схема трехрезонаторного клистрона, ис­ пользуемого, главным образом, в качестве мощного усилителя, когда на входной резонатор уже подано 'возбуждение значитель­ ной мощности. Увеличение слабых сигналов в мощных пролетных клистронах_не производят из-за высокого уровня собственных шу­ мов. Промежуточные резонаторы, число которых может быть 2—4, не связываются ни с внешней нагрузкой, ни с возбудителем. Необ­ ходимая энергия для модуляции плотности потока получается ими от уже частично сгруппированного после входного резонатора по­ тока электронов.

В мощных клистронах «конденсаторная» часть резонатора об­ разуется между торцами участков Пролетной трубы, соединяющей между собой резонаторы и направляющий поток электронов. Это

232

позволяет исключить сетки и уменьшить числе электронов, оседа­ ющих на «их. Уменьшение тока луча вследствие утечки электронов через зазоры и 'пролетные трубы снижает выходную мощность клистрона. Для ее увеличения стремятся повышать ток электрон­ ного луча и его фокусировку. Дополнительная поперечная фокуси­

Р ис. 8.4. Схематическое устройство трехрезонаторного пролет­

ного клистрона

рис. 8.4) достигается за счет действия продольного магнитного поля, создаваемого специальными катушками — соленоидами. Чем мощнее клистрон и больше ток катода (ток электронного луча), тем выше должна быть напряженность магнитного поля, достигаю­ щая обычно нескольких сотен гауссов. Продольное магнитное поле вдоль пространства дрейфа концентрирует электронный поток по оси. Утечка электронов неизбежна. Однако их потери в современ­ ных пролетных клистронах составляют не более 10—20% от тока катода..

Основной характеристикой пролетных клистронов является за­

ускоряющего постоянного напряжения До. Начальный участок этой зависимости свидетельствует о линейности процесса усиления, что весьма выгодно.

В многорезонаторных клистронах расстройка промежуточных объемных резонаторов оказывает существенное влияние на их вы­ ходную мощность. Обычно промежуточный, как правило предоко­ нечный, резонатор несколько расстраивается в сторону более вы­ соких частот относительно частоты усиливаемого сигнала <в0. На рис. 8.56 показан характер зависимости выходной колебательной мощности клистрона P~*sых от степени расстройки второго объем­ ного резонатора (группирователя) трехрезонаторного клистрона при трех различных уровнях входного усиливаемого сигнала Р~~ вх Как видно из рисунка, увеличение расстройки второго резонатора приводит к расширению полосы пропускания. Таким образом, при­ менение многорезонаторных клистронов позволяет несколько пре­ одолеть их основной недостаток — относительно узкую полосу про­ пускания. Однако увеличение числа резонаторов ограничено, так как приводит к большим конструктивным и технологическим труд-

233

костям, усложнению процесса их настройки. Поэтому в практике получили распространение трех- и четырехрезонаторные пролетные клистроны для мощного усиления.

В табл. 8.1 помещены сравнительные данные, иллюстрирующие зависимость усиления и ширины полосы пропускания от числа ре­ зонаторов и их расстройки. Как было отмечено выше, расстраива­ ются промежуточные резонаторы.

ТАБЛИЦА 8.1

Пролетные клистроны обеспечивают выходную колебательную мощность в десятки, сотни и даже тысячи киловатт при коэффи­ циенте полезного действия, достигающем'40%. Величины колеба­ тельной мощности и кпд клистронного генератора зависят от сте­ пени расстройки промежуточного резонатора и от величины уско­ ряющего напряжения Е0. Расположения центров группирования (точки /0 на рис. 8.3), т .е. сечений, через которые проходят сгустки, зависят от скорости электронов в потоке, определяемой, в свою очередь, величинами напряжения Е0, амплитудой напряжения воз­ буждения Ui и его частотой. Изменение одной из этих величин приводит к изменению скорости электронов в пространстве дрейфа и изменению расположения сгустков, т. е. изменению мест опти-

234

мального группирования. Это приводит к изменению величины отдаваемой энергии выходному резонатору и кпд клистрона. Точки оптимального группирования, определяющие расположение резо­ наторов вдоль оси дрейфа, рассчитываются при конструировании клистронного генератора и соответствуют только одному оптималь­ ному значению ускоряющего напряжения Eq.

.Конструктивное выполнение мощных клистронных генераторов с внешним возбуждением очень разнообразно. Характерны два их основных типа:

— цельнометаллические или металлостеклянные с резонатора­ ми, размещаемыми в вакуумном пространстве тела клистрона;

добротность вследствие дополнительных потерь в переходных кон­ тактах значительно понижается, и это является некоторым недо­ статком, поэтому их применение ограничивается более длинновол­ новой частью сантиметрового диапазона и меньшими колебатель­

Как следует из табл. 8.1 многорезонаторные клистроны могут дать большое усиление колебаний порядка 60—70 дБ, что соответ­

235

ствует коэффициенту усиления по мощности 107. Такое усиление не дают другие известные электровакуумные приборы. Серьезным недостатком клистронного генератора является сравнительно узкая полоса пропускания. В мощных устройствах она бывает не более 2—4% от частоты основного усиливаемого сигнала. Такая полоса во многих случаях недостаточна для передачи широких спектров сигналов современных видов информации.

Отечественные образцы пролетных клистронов непрерывного действия, используемые в качестве выходных мощных усилителей свч, представлены в табл. 8.2.

КЛИСТРОН-УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

■Пролетные клистроны при внешнем возбуждении могут использоваться в качестве умножителей частоты. Исследования сгруппированного потока в пространстве дрейфа показывают на­ личие в нем большого числа гармонических составляющих с мед­ ленным убыванием их амплитуд. Так, например, максимальное зна­ чение десятой гармоники сгруппированного потока может состав­ лять 60% от постоянной составляющей тока потока-и только в два раза меньше максимального значения первой гармоники. Изменяя мощность возбуждения и ускоряющее напряжение, т. е. влияя на характер группирования, удается получить при соответствующей настройке выходного резонатора достаточную мощность на нуж­ ной гармонике при удовлетворительном коэффициенте полезного действия.

Для умножения частоты колебаний без ослабления их мощно­ сти используются трехрезонаторные клистроны. Два первых резо­ натора— входной и промежуточный — образуют клистрон-усили­ тель, а выходной резонатор, настраиваемый на частоту выделяемой гармоники, — умножитель. Такое использование трехрезонаторного клистрона возможно в области сантиметровых волн порядка 15—10 см, на более длинных волнах удлиняется необходимое прост­ ранство (длина) дрейфа и конструкция клистрона становится гро­ моздкой. Двухрезонаторные клистроны-умножители могут исполь­ зоваться в метровом диапазоне, начиная с 1,5—1 м. Для уменьше­ ния размеров резонаторов в них искусственно увеличивают емкость конденсаторной части. Использование многорезонаторных клистро­ нов позволяет получить значительное общее умножение от 20 и выше, достигаемое последовательным каскадным умножением, ког­ да в каждом последующем резонаторе выделяется гармоника пре­ дыдущего.

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН

Отражательный клистрон ■— электровакуумный прибор, предназначенный для автогенераторов свч.

Выходная мощность отражательных клистронов невелика и не превышает 10 Вт. Это объясняется низким коэффициентом полез­ ного действия устройства — порядка 1—2% •

236

На рис. 8.7 приведена схема отражательного клистрона и по­ казано включение источников питания. Электронная пушка 1 и ускоряющий электрод А предназначены, как и в пролетных клист­ ронах, для создания электронного потока. Плотность потока в про­ странстве до объемного резонатора ОР сохраняется равномерной. Часто ускоряющий электрод отсутствует, и тогда постоянное уско-

Р ис. 8.7. Схематическое устройство отражательного кли­

строна:

ряющее напряжение приложено и действует на объемном резона­ торе и его сетке 2 .

Под действием ускоряющего напряжения электроны пролетают сетку объемного резонатора и по инерции двигаются к отражателю Отр. На отражателе действует постоянное отрицательное по отно­ шению к катоду напряжение £ 0тр. «Конденсаторная» часть объем­ ного резонатора выполняется в виде сеток с достаточной прони­ цаемостью. Пространство 3 между резонатором и отражателем называется пространством группирования. В этом пространстве действует постоянное электрическое поле, напряженность которого определяется суммой напряжений £о+£отр. Оно больше напряже­ ния Ей, определяющего напряженность ускоряющего поля. Поле в пространстве группирования тормозит электроны, двигающиеся от резонатора к отражателю, и, так как тормозящее поле больше ускоряющего, электроны не достигают отражателя и возвраща­ ются к резонатору. Траектории электронов условно показаны на рис. 8.8а. Если в резонаторе возбуждаются самопроизвольно даже незначительные колебания, они немедленно будут оказывать влия­ ние на электронный поток, ускоряя или замедляя электроны. Та­ ким образом, в процессе движения электронов к отражателю и об­ ратно будет происходить группирование электронов аналогично

237

группированию в пролетном клистроне. Отличие сводится к тому, что средняя скорость электронов здесь не остается постоянной, а меняет величину и направление, но это не сказывается на про­ цессе группирования. Если при этом сгустки электронов, возвра­ щающиеся к резонатору, оказываются в его тормозящем поле, то они отдают ему часть запасенной кинетической энергии и коле­ бания в резонаторе не затухают. Процесс группирования иллюстри­ руется диаграммой на рис. 8.86, на которой показаны три группы

9

Р ис. 8.8. Движение электронов в пространстве груп­ пирования ( а ) и пространственно-временная диа­ грамма ( б ) процесса группирования

электронов, покинувших катод в различные фазы возбужденного высокочастотного напряжения и с различными скоростями попа­ дающие в пространство группирования. Электроны с большими ско­ ростями 1 проходят наибольший путь и максимально приближа­ ются к отражателю; группы электронов 0 , пересекающие резонатор в моменты перемены знака напряжения Ui, не изменяют своей скорости. Электроны группы 2, замедленные полем резонатора, углубляются в пространство группирования на незначительное рас­ стояние. Все три группы электронов при соответствующем выборе величия ускоряющего Е0 и тормозящего Е0тр полей имеют воз­ можность вернуться в пространство резонатора одновременно. Здесь, как и в случае пролетного клистрона, центрами группиро-

238

вания являются электроны (или группы электронов), не изменяю­ щие своей скорости. Для поддержания автоколебаний сгустки элек­ тронов должны пересекать резонатор в тормозящем поле, а коли­ чество (т. е. плотность электронов в них) не должно быть меньше некоторого минимума.

Колебания в отражательном клистроне возбуждаются и под­ держиваются только при определенных соотношениях напряжений на аноде к отражателе. Генерируемая частота определяется соб­ ственной частотой объемного резонатора и зависит от напряжения на аноде и отражателе. Изменение только одного из этих напря­ жений приводит к одновременному изменению и частоты, и ампли­ туды автоколебаний. При одновременном и определенном измене­ нии напряжений Е0 и Е0тр можно получить изменения либо часто­ ты, либо амплитуды колебания.

Конструктивное выполнение отражательных клистронов обычно бывает двух видов — стеклянное и металлическое. Вывод высоко­ частотной энергии осуществляется при помощи петли связи или штыря, располагаемых в тороидальной части объемного резона­ тора и соединяемых с волноводом или коаксиальным фидером.

ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Лампой бегущей волны (ЛБВ) называется электрова­ куумный прибор, основанный на взаимодействии электронного по­ тока с электромагнитной волной, скорость распространения кото­ рой снижена специальной замедляющей системой до скорости потока.

Как и в клистроне, действие прибора основано на явлении управления плотностью потока электронов, т. е. его модуляции в соответствии с законом возбуждающего ЛБВ напряжения. Одна­ ко взаимодействие потока электронов с высокочастотной электри­ ческой составляющей поля происходит не в отдельных резонато­ рах, а длительно, на всем их пути в лампе. Этим устраняется боль­ шой недостаток клистронов — относительно узкая полоса пропус­ кания из-за наличия высокодобротных резонаторов, что и ограни­ чивает их применение в случаях усиления сигнала с широким спектром колебаний.

ЛБВ используется в качестве усилителей и автогенераторов. Различают два основных типа ЛБВ:

— лампы прямой волны, в которых осуществляется взаимодей­ ствие электронного потока с одной из прямых электромагнитных волн, распространяющихся вдоль ее оси;

— лампы обратной волны, в которых это взаимодействие про­ исходит с одной из обратных волн, распространяющихся в направ­ лении, обратном потоку электронов.

Схематическое устройство лампы прямой волны приведено на рис. 8.9а. Источником потока электронов в ней, как и в клистроне, служит электронная пушка, создающая узкий, параллельный пу­ чок электронов (луч) в направлении от анода Аг к коллектору К.

239

Первоначальная фокусировка 'потока создается управляющим элек­ тродом Ф, на который подается отрицательное напряжение. На первый анод Л( подается положительное напряжение в несколько десятков или сотен вольт. Изменяя величину напряжений на элек­ тродах Ф и А 1, получают необходимую величину электронного по­ тока и его фокусировку. Ко второму аноду А2 подводится также

*)

СпиралЬ

положительное напряжение. Изменением его величины обеспечи­ вают нужную скорость электронного потока. Поэтому напряжение второго анода Е0 называют ускоряющим. Для • дополнительной фокусировки электронного потока в пространстве между вторым анодом Аг и коллектором К во избежание взаимного расталкива­ ния электронов используют действие продольного магнитного ноля, создаваемого специальными катушками — соленоидами.

■Важной частью конструкции лампы является ее замедляющая система, назначение которой — уменьшение скорости распростра­ нения электромагнитной волны вдоль оси спирали. В наиболее распространенном варианте она представляет собой отрезок коак-

240