книги из ГПНТБ / Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций]
.pdfцилиндры образуют два отрезка короткозамкнутых коаксиаль ных линий-; катодно-сеточный (образован внешней поверхностью катодного цилиндра и внутренней поверхностью сеточного) и анодно-сеточный (образован внешней поверхностью сеточного цилиндра и внутренней поверхностью анодного). Разделительные емкости Ср, показанные на схеме (рис. 19, а), образованы зазо
рами между цилиндрическими вводами анода, катода и соот ветствующими цилиндрами (рис. 19,6). R g — сопротивление гридлика; емкость гридлиКа образуют естественные емкости схемы. С помощью зонда осуществляется связь генератора с коаксиальным антенным фидером, т. е. связь здесь емкостная. Может быть осуществлена и индуктивная связь — с помощью петли связи.
|
|
|
Эквивалентная схема генера |
||||
|
|
тора с учетом междуэлектрод- |
|||||
|
|
ных |
емкостей |
приведена |
на |
||
|
|
рис. 20. Индуктивности вводов |
|||||
|
|
у |
металлокерамических |
ламп |
|||
пренебречь. |
X ag — реактивное |
очень малы, поэтому ими можно |
|||||
сопротивление |
короткозамкнутой |
||||||
анодно-сеточной коаксиальной |
линии, |
26g.K — |
катодно-сеточной. |
||||
Из рис. 20 |
видно, что генератор |
построен |
по |
двухконтурной |
схеме с общей сеткой. Контуры образованы междуэлектродными емкостями Cag., Cg.Kи реактивными сопротивлениями отрез ков линий X ag, XgK. Если указанные контуры заменить эквива лентными им реактивными сопротивлениями, то получим трех точечную схему.
Для выполнения условия баланса фаз в трехточечной схеме реактивные сопротивления между сеткой и катодом, анодом и катодом должны быть одинаковы по характеру, а реактивное сопротивление между анодом и сеткой — по характеру им противоположно. Следовательно, в нашей схеме длина анодно
сеточной линии должна быть меньше — , чтобы ее сопротивле
ние X ag носило индуктивный характер. Величина индуктивного сопротивления должна быть такой, чтобы эквивалентное сопро тивление анодно-сеточного контура по характеру было также индуктивным.
Длина катодно-сеточной линии может быть больше и мень-
I
ше — , но при этом эквивалентное сопротивление катодно-се
точного контура обязательно должно иметь емкостной характер,
Обратная связь в нашей схеме емкостная. Коэффициент обратной связи можно определить как
|
и- |
X gK3 |
р |
|
|
|
/ V |
у |
|
|
|
|
|
Л ак |
|
|
|
Величины |
реактивных сопротивлений |
линий X ag и X gK(длина |
|||
линий) определяются из условий |
получения нужной |
частоты |
|||
генерируемых |
колебаний и требуемого |
коэффициента |
обратной |
связи. Изменяя длину линий путем передвижения короткозамыкающих поршней (см. рис. 19), можно влиять на оба этих пара метра генератора. Следует отметить, что регулировка длины анодно-сеточной линии сильнее влияет
на частоту генерируемых колебаний, |
|
а катодно-сеточной |
линии — на коэф |
фициент обратной |
связи. |
2. Генераторы на маячковых лам |
пах. Эти генераторы используются для генерирования маломощных ко
лебаний |
в дециметровом |
диапазоне |
||||
волн. |
Они так |
же, как и генераторы |
||||
на |
металлокерамических |
|
лампах, |
|||
строятся по двухконтурной схеме с |
||||||
общей сеткой. |
Вследствие |
различия |
||||
в расположении |
вводов |
этих ламп |
||||
у генераторов |
на |
маячковых |
лампах |
|||
катодный и анодный цилиндры ме |
||||||
няются местами в сравнении с гене |
||||||
раторами |
на |
металлокерамических |
||||
лампах (см. рис. |
17 и 19, б). |
волн. |
||||
3. |
Генераторы |
метровых |
Для увеличения мощности генери руемых колебаний в метровом диапа зоне волн обычно используются
двухтактные схемы, имеющие ряд преимуществ в сравнении с однотактными (обеспечивают генерирование более высоких частот, возможность непосредственной связи с симметрич ной нагрузкой и др.). В качестве колебательной системы у
таких генераторов применяются отрезки двухпроводных |
линий. |
|||||||
На практике чаще всего используется |
двухтактная |
схема с |
||||||
двухпроводными |
линиями в |
цепях |
сеток и катодов |
(схема с |
||||
общим анодом), приведенная на рис. 21. |
В качестве ламп |
Лхи |
||||||
Л2 могут быть |
использованы, |
например, |
рассмотренные |
выше |
||||
триоды типа ГИ-17. Сопротивление |
R g |
и емкость C g образуют |
||||||
гридлик. Настройка генераторов осуществляется путем |
|
переме |
||||||
щения короткозамыкающих |
перемычек |
в сеточной |
и катодной |
|||||
линиях. |
|
на какой |
параметр |
генератора |
||||
Для того чтобы понять, |
||||||||
влияет каждая из этих регулировок, |
построим его |
эквивалент |
||||||
ную схему. При полной симметрии |
схемы точки |
1, 2 |
и 3 |
(см. |
21
рис. 21) имеют нулевой потенциал по высокой частоте. Следо вательно; схема разбивается на два плеча, на два одинаковых однотактных генератора и для рассмотрения работы схемы можно проанализировать работу только одного плеча.
Эквивалентная схема левого плеча генератора приведена па рис. 22. Сак, C.Jgi CgK — междуэлектродные емкости лампы Л!.
Xg и Хк — реактивные сопротивления короткозамкнутых сеточ ной и катодной линий. Индуктивность анодного ввода у лампы типа ГИ-17 и аналогичных ей по конструкции ламп очень мала, поэтому ею можно пренебречь и на схеме она не показана.
Индуктивности сеточного и ка тодного вводов . сравнительно велики. На схеме они отдельно не показаны, будем считать их включенными в реактивные соп ротивления сеточной и катодной цепей.
Приведенная схема одного плеча представляет собой двух контурную схему с общим ано дом. Для того чтобы лучше видеть это, начертим схему не сколько иначе (рис. 23). Если оба контура заменить эквива лентными реактивными сопро
тивлениями, то опять получим трехточечную схему. Тогда, учитывая соображения, которые были приведены выше, можно отметить следующее:
1)эквивалентное реактивное сопротивление контура между анодом и катодом должно быть емкостным, а контура между анодом и сеткой — индуктивным;
2)величины реактивных сопротивлений Xg и Х к (длина сеточной и катодной линий) определяются из условий получе ния требуемой частоты генерируемых колебаний и коэффициен та обратной связи.
3)регулировка частоты осуществляется изменением длины сеточной линии, а регулировкакоэффициента обратой связи (регулировка мощности) — изменением длины катодной линии.
22
§ 4. ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ КЛИСТРОНЫ
Отражательные клистроны являются маломощными генера торами колебаний нижней части дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн. Они используются большей частью в непрерывном режиме работы, имея мощность порядка единиц или десятков милливатт. В качестве колебательной системы эти генераторы используют объемные резонаторы.
Отражательный клистрон был изобретен в СССР в 1940 году В. Ф. Коваленко.
1. Устройство отражательного клистрона
Схема устройства и питания отражательного клистрона при ведена на рис. 24. Он содержит следующие основные элементы:
подогревный |
катод 1, объемный резонатор |
тороидального |
типа |
|||
с |
сетчатыми |
стенками |
в средней части 2, |
отражатель 3. |
ва |
|
куумный баллон |
4 и устройство для вывода |
энергии 5. |
|
|||
|
На отражатель клистрона подается |
|
|
|||
отрицательное |
относительно катода |
|
|
|||
и |
объмного |
резонатора |
напряжение |
|
|
U,отр> а на объемный резонатор — по
ложительное относительно катода напряжение U0. Распределе ние потенциала вдоль оси клистрона показано на рис. 25.
Кроме указанных основных элементов, клистрон может иметь фокусирующий и ускоряющий электроды. Фокусирующий электрод’ располагается у катода и имеет небольшой отрица тельный относительно него потенциал (может иметь потенциал катода); служит для фокусировки электронов в узкий луч. Ускоряющий электрод располагается между катодом и объем ным резонатором и имеет потенциал объемного резонатора; служит для ускорения движения электронов.
По конструктивным признакам отражательные клистроны делятся на стеклянные и металлические. Стеклянные клистроны применяются в диапазоне волн от 3 см и более. У них часть
23
объемного резонатора находится вне стеклянного вакуумного баллона (см. рис. 24). Металлические клистроны применяются в диапазоне волн короче 3 см. У них весь объемный резонатор находится внутри металлического ваккумного баллона.
2. Принцип действия
Электроны, эмиттируемые катодом, попадают в ускоряющее электрическое поле, созданное источником напряжения Uu в пространстве между катодом и объемным резонатором (см. рис. 25). В этом пространстве электроны движутся равноуско ренно и равномерным по плотности потоком. В резонатор электроны входят со скоростью 1/0, которая определяется ве личиной ускоряющего напряжения U0
где е й т — соответственно заряд и масса электрона.1 Если предположить, что в объемном резонаторе колебания
отсутствуют, то дальнейшее движение электронов будет проис ходить следующим образом. Электроны пролетают между сет ками резонатора и попадают в тормозящее электрическое поле, существующее в пространстве между резонатором и отражате лем вследствие того, что к отражателю приложено отрицатель ное напряжение U0Tp. В этом пространстве - (пространство груп пирования) электроны движутся равнозамедленно, скорость их постепенно уменьшается. В некоторой точке (точка К на рис. 25) скорость электронов становится равной нулю и начинается обратное равноускоренное движение электронов к резонатору, так как электрическое поле между резонатором и отражателем является теперь для них ускоряющим. Благодаря этому элек троны пролетают между сетками резонатора во второй раз. Электроны, возвратившиеся к резонатору, оседают на ускоряю щем электроде (если он имеется) или на самом резонаторе.
Таким образом, |
сквозь |
сетки объемного резонатора |
прохо |
дят два потока электронов— прямой и обратный. |
|
||
При пролете первых электронов прямого потока |
сквозь |
||
сетки объемного |
резонатора |
в нем возбуждаются высокочас- |
1 На основании закона сохранения энергии приращение кинетической энер гии электрона, двигающегося в электрическом поле, должно равняться рабо те, затраченной полем на перемещение электрона,
Отсюда
2 4
тотные колебания, которые между сетками резонатора (в облас ти интенсивного электрического поля) . создают переменное напряжение
ll(t) = UmS\n<s)t.
Эти собственные колебания объемного резонатора являются за тухающими.
Для получения незатухающих колебаний необходимо непре рывно пополнять запас энергии объемного резонатора, чтобы компенсировать потери. В отражательном клистроне поддержа ние незатухающих колебаний происходит за счет обратного потока электронов, который при определенных условиях отдает часть своей энергии электрическому полю резонатора. Для выявления этих условий рассмотрим процесс установившихся колебаний в отражательном клистроне.
Вследствие того, чго между сетками резонатора действует переменное электрическое поле, электроны прямого потока периодически ускоряются и замедляются при прохождении междусеточного пространства.
Если расстояние между сетками d (см. рис. 25) мало, а скорость электронов V0 велика, то можно пренебречь временем пролета электронов через резонатор. Тогда скорость электрона, выходящего из резонатора,
В отражательных клистронах обычно и т<^и0, т. е. |
В Учи |
тывая это, можно приближенно записать:
Таким образом, скорость электронов прямого потока, выхо дящих из объемного резонатора, будет периодически изменять ся относительно значения V0.
Процесс изменения скоростей электронов под воздействием переменного напряжения между сетками резонатора называется модуляцией электронов по скорости.
При движении модулированного по скорости электронного потока в пространстве группирования происходит преобразова ние модуляции по скорости в модуляцию по плотности — обра зование сгустков электронов. Рассмотрим этот процесс под
робнее.
В пространстве группирования электроны прямого потока движутся в тормозящем электрическом поле, напряженность которого
U,n - Uс
Сила, действующая на электрон со стороны этого поля,
F3 = еЕ.
Электрон движется в постоянном тормозящем поле равнозамед ленно со скоростью
V = V' - at,
где а — ускорение.
F3 |
еЕ |
е (U0 - UaТр) |
тт т-1
Обозначим через ",,Р — время пролета электрона от момента выхода его из резонатора до момента возвращения в резонатор (время нахождения в пространстве группирования). При
t — |
скорость электрона V |
0. |
|
|
|
||
|
|
0 = |
V |
' - a ^ f . |
|
|
|
Отсюда |
|
|
|
|
|
|
|
|
2т/Г„( 1 |
sin иt j |
|
2U, ■sinwt |
|||
|
-•■'Р = 2 —а |
e( U0 |
UoTp) |
'про’ |
1 + |
||
где . |
2ml |
|
-\ f |
~2e ,, |
‘ 2/ |
i/~2m 1t |
|
|
2ml V„ |
|
|||||
|
T"P« = e(Un- U mp) = |
e(U0 + Ump) V |
IE U" = |
|
Umv \ 1 T U" • |
Таким образом, время пролета электронов будет периодически
изменяться |
относительно значения тпро |
по тому же |
закону, что |
и скорость |
электронов прямого потока. |
Электроны, |
вылетевшие |
из резонатора с большей скоростью, возвращаются в резонатор через большее время, чем электроны, вылетевшие из резонато ра с меньшей скоростью. Вследствие этого электроны, вылетев
шие из резонатора |
в разные |
моменты |
времени, на |
обратном |
|
пути собираются в сгустки. |
о процессе |
модуляции |
электронов |
||
Наглядное представление |
|||||
по плотности дают графики движения |
электронов в тормозящем |
||||
электрическом поле, |
существующем |
в пространстве |
группиро |
вания. Эти графики, представляющие собой параболы, приведе ны на рис. 26. На этом рисунке изображены графики движения нескольких электронов, вылетающих из резонатора в разные моменты времени через каждую четверть периода высоко частотных колебаний. Начало оси х совмещено с сеткой резонатора. На этом же рисунке изображен график переменного высокочастотного напряжения между сетками резонатора.
Электроны 2 и 4 пролетают через резонатор в те моменты времени, когда переменное напряжение между, сетками равно нулю. Следовательно, вылетая из резонатора, они имеют ско
26
рость Уо и проходят |
к |
отражателю |
путь |
% |
определяемый |
||||||
величиной напряжения £/отр (при |
определенных |
значениях |
U0 |
||||||||
и /). Электрон 1 ускоряется |
переменным |
полем, |
потребляя |
||||||||
часть |
его |
энергии. |
Вследствие |
этого он |
проходит |
больший |
|||||
пу ть х, |
и находится |
большее |
время |
в пространстве |
группиро |
||||||
вания. Электрон 3 тормозится |
переменным |
полем, отдавая |
ему |
||||||||
часть своей энергии. Поэтому |
он |
проходит |
меньший |
путь .т3 и |
|||||||
находится |
меньшее время |
в пространстве группирования. |
|
х
Электроны 1, 2 я 3 собираются в сгусток, группируясь вокругэлектрона 2, который пролетает через резонатор в момент времени, когда поле из ускоряющего становится тор мозящим. Путем выбора величины напряжения t/0Tp сгусток электронов возвращается к резонатору в момент времени /ь когда переменное электрическое поле между сетками резонато ра для обратного потока электронов является максимально тормозящим. Пролетая сквозь сетки, электронный сгусток тормозится, отдавая часть своей энергии переменному полю. Электрон 4 при этом возвращается к резонатору в момент времени t>, когда поле для обратного потока электронов мак симально ускоряющее. Пролетая сквозь резонатор, он ускоря ется полем, потребляя часть его энергии.
Проведенный краткий анализ энергетического взаимодействия электронов с переменным нолем показывает, что количество отданной электронами полю энергии больше, чем отобранной у него. Вследствие этого осуществляется поддержание незатуха ющих колебаний в объемном резонаторе.
27
3. Зоны генерации
Как следует из рис. 26, оптимальное время пролета элек трона 2, являющегося центром группирования,
Т
При этом электронный поток отдает максимальную энергию полю резонатора. Однако такое время пролета не является единственно возможным. Максимальная энергия отдается электронами полю также при
(для этого надо уменьшить t/0Tp; сгусток возвращается к резо натору в момент времени t,j и других значениях тпр0, отлича
ющихся на целое число периодов Т.
Таким образом, общее выражение для тпр0 может быть запи сано в следующем виде:
где п — 0, 1, |
2. . . .. — |
номер зоны генерации. Подставив сюда |
значение тпро, |
получим |
условие самовозбуждения отражатель |
ного клистрона |
|
При точном выполнении этого условия мощность генериру емых клистроном колебаний будет максимальной.
Для выполнения условия самовозбуждения данного клистро
на (/ = |
const) при различных п необходимо |
изменять |
U0 или |
|||||
U0Тр . На |
практике используется |
изменение |
1/отр |
при постоянном |
||||
значении £/0. Объясняется это |
большим |
влиянием изменения |
||||||
1-Jотр на |
условие самовозбуждения. Кроме того, |
для |
управления |
|||||
работой |
клистрона путем изменения |
Ump не требуется |
затрат |
|||||
мощности, так как ток в цепи отражателя равен нулю. |
|
в |
||||||
Если |
при каждом п изменять |
напряжение |
на отражателе |
|||||
некоторых пределах относительно |
оптимального |
значения, |
то |
сгусток электронов возвращается не точно в момент максимума тормозящего поля, а раньше или позже его (см. рис. 26) и отдает меньшую энергию полю. При этом колебания в клистро не также возбуждаются, но поддерживаются менее эффективно и их мощность меньше максимальной. Таким образом, сущест вует ряд областей напряжения U0Tp, в пределах которых воз можно существование колебаний в отражательном клистроне.
Эти области называются зонами генерации. График зависимости выходной мощности клистрона от напряжения на отражателе приведен на рис. 27.
Из рис. 27 следует, что с увеличением номера зоны гене рации максимальная мощность уменьшается. Объясняется это
различной степенью группирования электронов. В отражатель ных клистронах оптимальное группирование обычно имеет место для зоны генерации-с наименьшим номером.
4.Перестройка частоты
Вотражательном клистроне существует два основных спосо ба изменения частоты: электронная и механическая перестройка.
Электронная перестройка представляет собой изменение
частоты колебаний клистрона путем изменения напряжения на отражателе.
Процесс электронной перестройки; например в нулевой зоне, можно пояснить следующим образом. При точном выпол
нении условия самовозбуждения |
Ц0тр = |
Нотр0 (см. |
рис. 27). |
|||
Сгустки |
электронов возвращаются |
при |
этом к резонатору в |
|||
моменты |
максимумов |
переменного |
поля, |
изменяющегося с |
||
частотой |
собственных |
колебаний / 0, = — |
, |
которая |
определя |
|
ется объемом резонатора (см. рис. |
26). Следовательно, собст |
венные колебания резонатора поддерживаются сгруппированным
электронным потоком „в такт", частота колебаний |
равна / 0. |
|||||||||||
Если уменьшить напряжение на отражателе |
7/отр < £/отро, то |
|||||||||||
сгустки |
электронов |
будут |
|
возвращаться |
к резонатору |
позже |
||||||
моментов максимумов переменного поля. |
В этом |
случае |
соб |
|||||||||
ственные колебания резонатора будут поддерживаться |
„не в |
|||||||||||
такт11, то |
есть |
возникнут |
вынужденные |
колебания |
с частотой |
|||||||
/', отличной |
от / 0. |
Этот |
случай |
иллюстрируется |
|
графиками, |
||||||
приведенными на рис. 28. |
|
сгусток |
электронов |
возвращается |
||||||||
На рис. 28 показано, что |
||||||||||||
к резонатору |
в момент времени U — позже |
максимума |
пере |
|||||||||
менного поля (момент времени ^). |
Пролет сгустка |
электронов |
||||||||||
между сетками резонатора |
в |
момент |
времени |
U |
можно |
рас |
сматривать как подачу на сетку в этот момент кратковремен-
29