книги из ГПНТБ / Хайков А.З. Клистронные усилители

В

частности,

дл я

резонатора

с

бессеточиым

з а з о р о м

при

Л ь 2 ( ' / - 1 1 а ] 1 — г т )

(рис.

I I . 2

в)

( П . 7 )

/ оО,А:[ГГи]

(11.8)

Л * [мм]

'т[мм)

'В

— '«

^

(11.9)

(последняя

формул а

дает

завышенно е

н

1,5—2

раза

значение

pi,).

Чтобы установить 'влияние размера dk на величину p2d/ip/1) вос­

пользуемся ф-лаши (3.92)

и (11.9). Учтем при этом, что изменение

резонансной частоты

при

'Изменении

du

следует

скомпенсировать

за

счет изменения

других

размеров . .Примем

д л я

простоты, что

ве­

личина

hk

д о л ж н а

меняться

так,

чтобы

произведение

hh\g(hitldh)

оставалось

постоянным . На

рис.

11.3 п о к а з а н ы р е з у л ь т а т ы

расчета

при этом условии зависи ­

мостей p2dftpft, нормиро­

ванных

к

значению

этого

произведения приу<4 / 1 = 1

д л я

двух

случаев,

когда

при

yedh=l

hijdh=\0

(сплошная

линия)

и

h)Jdh = 5

(пунктир) .

Графики рис. 11.3 по­

казывают,

что

п а р а м е т р

yedn

для

получения

наи­

большего

усиления

следу­

ет

выбирать

в

пределах

Рис.

п.З

1 —1,5.

Аналогичный

вы­

вод

соответствует и

резо­

заться целесообразным иметь yedk<.\.

Уменьшение

длины

зазор а

выходного резонатора согласно г р а ф и к а м

рис. 9.17 способствует ро­

сту .кпд, но при выборе dn

д о л ж н ы т а к ж е

учитываться

условия

элек-

трической прочности.

Если

выбра н

параметр

уе1 (под I

будем

понимать

dit, lh и л и ка­

кой-либо

другой

геометрический р а з м е р ) ,

величину /

можно

найти

по

ф о р м у л е

1[ и < 1

= г . э б ^ Е ^ о № 1 = 0 0 9 9 5 Ы ) [ р а д Л с м ]

1 f / 0 [ K B ] .

( П . Ю )

[мм]

На

"ри-ьс. 11.4 приведена .номограмниа, п о з в о л я ю щ а я

определить

р а з ­

мер

•/ в

зависимости

от U0 и f

и л и >к при условии,

что ус1=\.

При

других

значениях уе1

величина

/ пропорционально

изменяется .

Рис.

11.4

С о г л а с н о р а б о т е

[27] в

в а к у у м н ы х

приборах

евч

допускается

максимальный г р а д и е н т потенциала

- Е м а к с — 3 5 0

«В/см .

Величина

максимального градиента в

'большой

степени

зависит

от

значений

минимальных р а д и у с о в закруглений

д е т а л е й ,

н а х о д я щ и х с я п о д на ­

п р я ж е н и е м , и может

быть

с в я з а н а

со

средним

градиентам ЕСр с

помощью

г р а ф и к о в , полученных в этой

р а б о т е . Обычно

выполняет ­

П о э т о му ориентировочно следует считать допустимым средний

пра-

диент Ecv~

100 KiB/см.

Д л я выходного з а з о р а

в р е ж и м е

максимальной мощности

сог­

ласно г р а ф и к а м

рис . 9.9 •амплитуда

высокочастотного н а п р я ж е н и я

L'n= (1,14-1,3)tcV

'Поэтому

величина

d„ д о л ж н а выбираться

в со­

ответствии

с неравенством

Н о м о г р а м м а

рис .

11.4

позволяе т

упростить

.нахождение

y,dn.

Если

определена

величина

dn

по ф - ле

(11.11) и найдено / при

у,./=1

с

п о м о щ ь ю н о м о г р а м м ы , то

^ 1

Р

» , = - 7 | ^ Г -

0 1 . 1 3 )

С о о б р а ж е н и я , аналогичные приведенным выше, д о л ж н ы

прини­

маться

в о

в н и м а н и е

при

в ы б о р е

р а з м е р о в dk i и

Ik 12 в

резонаторах

с двукратны м

взаимодействием : максимизаци я p2 «p/i ( когда

нет

не­

обходимости

регулировать

проводимость

электронной

.нагрузки,

возможное уменьшение

1п

12 Для

увеличения

кпд

и

выбор

длины

«элементарных» зазоро в выходного р е з о н а т о р а

(иногда

.и

предвы­

ходного)

и з

условий электрической

прочности.

Выбор р а д и у с а пролетных труб

и электронного потока

в л и я е т

на

величины

.коэффициента взаимодействия р^ (если

з а з о р ы

не

имеют

с е т о к ) ,

характеристического сопротивления р/( и

п а р а м е т р а

пространственного

з а р я д а

q и,

следовательно, на

усиление,

полосу

и кпд клистрона . Кром е того, от значения гп

зависи т плотность

то­

ка /о, что, в свою очередь,

определяет п л о щ а д ь

катода и

коэффи ­

циент

с ж а т и я

по плотности тока. Обычно

величина

коэффициен ­

та

заполнения

<rnfirT

точно н е известна . П р и н я т о

считать,

что

у кли­

стронов

большой

мощности

1ГП /'Гт =0,6ч - 0,'8,

средней

мощности

Гп/гт

= 0,54-0,7,

малой

мощности

'Гп /1гт =0,44-0,6. Меньшие

числа

от­

носятся к клистронам сантиметрового д и а п а з о н а ,

большие — деци­

метрового.

'«•Усиление

н а

участок»

\S(k-[)kZk\

пропорциональн о

произведе­

нию

параметров,

з а в и с я щ и х

от

г т ,

fi2rq>ph-

Это'

произведение

н е

имеет

оптимума,

если

не

принимать в о кии мание

т р и в и а л ь н о е

ре ­

шение

г п = - 0 . С

увеличением г т

и

р,- и рл уменьшаются . Величина

рк

согласно

ф-ле

(11.9) изменяетс я

п р и м е р н о обратн о

пропорциональ ­

но "J/77,-закон

ж е

изменения

р г с л о ж н е е — с р а в н и т е л ь н о

с л а б а я

зависимость при уе"'т<|0,5 переходит затем в участок резкого

умень ­

шения

р г

при

росте

г т , к о г д а

у ^ т > 1

[см. ф-лу

(3.936)

и

рис. 3.19].

П а р а м е т р

q согласно

ф-ле

(3.108)

в о з р а с т а е т

с

увеличением

гт

(при rn/irT =const), но это

в о з р а с т а н и е л и ш ь

в

малой

степени ком ­

пенсирует уменьшение р2 ,р;{ .

342

Д л и н а клистрона

(точнее,

его высокочастотной

части)

зависит

от того,

сохраняется

ли поотоянньим п а р а м е т р ypL^-\)h

пр и измене ­

нии первеанеа . Пр и

Yp£(/i-i)ft='ConsT.

L(k-i)А~3/5

,

( П . 1 7 )

так к а к

с о р ~ Л 1 / 2 , с 0

~ Л _ 1 / 5 .

-Пропорционально р а с с т о я н и ю

м е ж д у

серединами з а з о р о в

соседних р е з о н а т о р о в

меняется и

длина

клист­

рона. П р и низких значениях

первеанса она

сильно возрастает . Тог­

да 'целесообразней о т к а з а т ь с я

от условия,

что Y P ^ / I - D S ~ 1 - и

сде ­

л а т ь все пролетные

т р у б ы короче . П р и з а м е т н о м

укорочении

труб,

группировка электронного потока ухудшится и кпд упадет .

Согласно .ф-ле (7.1в) Sm~qG0.

С л е д о в а т е л ь н о ,

S m

~ A 3 / w

. Уси­

ление клистрона определяется

п а р а м е т р о м

C0 = p5 m /Q 0 . .Можно

счи­

тать, что приблизительно

Кпп~С'о~1.

П р и

Неизменной полосе Q0

<и постоянном р

С 0 ~ Л 3 / 1 ° ,

(11.18а)

если

.принять,

что полоса меняется

в .соответствии

с ф- лой

(11.15),

то

С 0 ~ Л - 1 / 2 .

(11.186)

Уменьшение 'усиления при росте первеанса в последнем

случае оп­

р е д е л я е т с я з а м е т н ы м в о з р а с т а н и е м

полосы.

Зависимость к п д от

п е р в е а н с а

м ы найдем упрощенно,

опреде­

л и в

связанный

с

первеансом

р а з б р о с скоростей

электронов .

Вос­

пользуемся ф-лой

(9.26), причем

ограничимся с л у ч а е м двухрезона -

торного клистрона . При широкополосной .настройке

многорезона-

торного

клистрона

пруппировка

на

п р а в о м

к р а ю

полосы

происхо­

дит

практически так же, как в двухрезоиаторном клистроне,

состоя­

щем

и з двух

последних

резонаторов и соединяющей

их

пролетной

трубы .

И т а к ,

в двухрезоиаторном

клистроне

а п }

= 4 " Pi Щ C 0 S Ур L l * = — tg УР

V

z

q

К а к

уж е

у к а з ы в а л о с ь в § 9.2,

с

учетом

р а з б р о с а

скоростей

опти­

м а л ь н ы е

значения

Х\2

меньше

величины, соответствующей

макси­

муму

первой гармоники

конвекционного

тока. П р и 9 = 1 0

мы .полу­

чили,

что

кпд

будет н а и б о л ь ш и м ,

если

А ' | 2 = 1 , 7 0 . В

зависимости

от

q это значение

будет

'.меняться. П р и q, л е ж а щ и х в п р е д е л а х

от 7

до

15, оптим-альная

величина

Х12

меняется

соответственно

от

1,65

до

1,75. П о л а г а я

Х]2=\,7,

ypLn—\

и q=\2]YА^,

получим

простую

оценочную формулу д л я кпд:

Ъ = т Г ( 1 - 0 , М / А Г ) .

( П . 1 9 )

Более

строгое

определение

в л и я н и я п е р в е а н с а

в о з м о ж н о ,

когда

известны

все

геометрические и электрические п а р а м е т р ы

клистро­

на -и учитывается расслоение

электронного

потока . Н о

интересно

отметить,

что

расчет п о ф - ле

(11.19) близок к результатам, полу­

ченным пр и расчете р е ж и м о в

многорезонаторных клистронов с по­

мощью

Э В М i[66] с

п е р в е а н с а ми,

р а в н ы м и -1 и 2,6

M K A / I B 3 /

2 .

П р и

в ы б о р е иервеан'са необходимо т а к ж е

учитывать,

к а к о й

спо­

соб

фокусировки

электронного

потока

п р е д п о л а г а е т с я

использо ­

в а т ь . Так, периодическую .магнитную фокусировку с п о м о щ ь ю

посто­

я н н ы х магнитов и электростатическую

фокусировку

в

настоящее

время

у д а е т с я

п р и м е н я т ь д л я

клистронов с

п е р в е а н с а м и ,

не

пре­

в ы ш а ю щ и м и

1,5 MKA/IB3 '" . О п р е д е л е н н о е

в л и я н и е

на

в ы б о р

перве­

анса

о к а з ы в а ю т т а к ж е

в ы х о д н а я

мощность и р а б о ч а я

частота,

так

11.4. Параметры многолучевых приборов

То обстоятельство,

что у .клистронов со оплошны м

электронны м

потоком

круглого

сечения

при

п е р в е а н с ах,

п р е в ы ш а ю щ и х

2—3 MIKA/IB3 / 2 , заметно ухудшается кпд , является препятствием дл я

получения достаточно большой полосы частот

in д л я

.работы

с о

сравнительно низкими у с к о р я ю щ и м и

н а п р я ж е н и я м и .

Р е ш а ю щ и м

при этом является уменьшение п а р а м е т р а пространственного

з а р я ­

да

о с ростом

п е р в е а н е а в соответствии с ф-лой

(3.108). Обсудим,

к а к

увеличить

первеанс,

не

изменяя

значение

п а р а м е т р а

q.

•Если

просто

у в е л и ч и в а т ь

п л о щ а д ь

сечения круглог о

потока,

ос­

т а в л я я

к о э ф ф и ц и е н т Гп/лг

постоянным, можно при q =eonst

в

опре­

деленной

степени п о в ы ш а т ь

и первеанс, .как это следует

из

ф-лы

(3.108)

и

г р а ф и к о в рис. 11.7. О д н а к о

одновременное

уменьшение-

п а р а м е т р о в р г

и ip/j

д е л а е т

такой

способ

н е ц е л е с о о б р а з н ы м

для

клистронов, р е з о н а т о р ы которых имеют бессеточные

зазоры-

Использовани е ленточных потоков, поперечное сечение

которых

имеет ф о р м у

вытянутого

прямоугольника,

п о з в о л я е т

значительно

уменьшить действие сил .пространственного

з а р я д а .

Слои

э л е к т р о ­

нов, н а х о д я щ и е с я на

расстояниях,

больших

ширины

потока,

м а л о

в л и я ю т

друг на друга, а стенки пролетны х

труб, т а к ж е

и м е ю щ и х

прямоугольную

форму,

о к а з ы в а ю т с я п р и б л и ж е н н ы м и

к о

всем

микропервеане

п о р я д к а 10 и

более,

причем п а р а м е т р q

будет еще-

достаточно высок [106]. У клистронов с ленточным

потоком умень­

шается

т а к ж е

характеристическое сопротивление резонаторов, так.

как изменение

конфигураци и

пролетных

труб приводит

к в о з р а с ­

т а н и ю емкости

з а з о р о в . К р о м е -того, пр и

большой

п р о т я ж е н н о с т и

з а з о р а

в поперечном .направлении

становится -сложным

добиться

in известных

величинах первеанса и характеристического с о п р о т и в ­

ления

резонаторов .

Д л я

коэффициента

усиления

были

получены

ф-лы

(7.6), (7.16), п о з в о л я ю щ и е

провести

расче т

по

известным

па ­

р а м е т р а м клистрона

при м а л о м

сигнале . iB §§ 4.8

и

9.3 р а с с м а т р и ­

валось, .как уменьшается усиление при переходе в

р е ж и м 'большо­

го сигнала . М о ж н о упростить эти расчеты

и

получить

соотношения,

п о з в о л я ю щ и е

провести

оценку

о ж и д а е м о г о

усиления

еще

до

точ­

ного

определения

всех п а р а м е т р о в клистрона .

•Коэффициент

усиления

достаточно

.находить

только

н а

цент­

р а л ь н о й частоте

полосы

(Q = 0),

т а к

к а к

в

пределах

полосы

он не

будет

меняться больше,

чем на

з а д а н н у ю

величину

(обычно

1 д Б ) .

При узкополоонои настройк е величина .функции

в л и я н и я

F B

R n

ма ­

ла, при широкополосной н а с т р о й к е

мало

значение

этой

функции

при

Q = 0 в связи

с

тем,

что резонатор ы

имею т

расстройки

р а з н о г о

знака . Поэтому ф-лы (7.6) и (7.40) можно

представить

в

с л е д у ю ­

щем

виде:

Км я ( 0 ) = 4 б В 1 1 1 Л н п Р

2 ( п

- 1

,

П

Sf</„M>

~

'

=

П(*н--^)

ft=i

=

4 б ш , , г

в ; н „ С 0 < -

Г1—1

s i n 2

у Л ( , . . п

!

.

(11.21)

1 > П

Если выходная

цепь

.имеет

ту ж е

полосу, что и клистрон в це­

лом

(Qo(n) = Qo), 1

1 2

нейтрально й

частоте

сопротивление

выходного

резонатора

(или

системы

связанных

резонаторов)

чисто

активное

и оно

равно

р „/6п.

И з

расчета

выходной

цепи

известен

п а р а м е т р

а =

бпн п/бгп + бо и-

Так как

обычно б о п " С б е н ,

можн о принять,

что

а = бпип/бе1г- Во входном

резонаторе

значение

6 В н 1г близко

к

б в и

Некоторое

р а з л и ч и е при

отказе

от согласования

не

может

сильно

повлиять на усиление. -Полагая, что

резонатор ы

т о

конструкции

одинаковы

и

o P i = 6 e „ ,

получим

^вн 1г^вн п

С

•

(11.22)

то

=

6Гг

( Н - а ) 2

Считая т р у б ы клистрон а

р а в н ы м и по

длине

и л и

в з я в

среднее

зна ­

чение длин

труб, п р е о б р а з у е м

соотношение

(11.21):

К м я ( 0 ) = п

А а

v ,

( p S , „ s i n y p L 0 ) 2 ( , i

ii—i

(.1 -|- а ) -

П ( 6 | ~

о 2 )

*=i

( C s i n ^ g - ' " - " -

'

( П . 2 3 )