книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

Коэффициент усиления по мощности также имеет максимум при малых

и уменьшается с увеличением мощности, подводимой к входному резонатору. Поэтому следует различать два режима работы усилительного клистрона:

режим максимального усиления и режим максимальной выходной мощности. Выходная мощность, как было указано выше, максимальна при г='1,84, тогда как при этом значении г коэффициент усиления по мощности составляет 0,40 от максимального.

Обычно коэффициент усиления измеряют не в относительных, а в лога­ рифмических единицах — децибелах

£ = Ю l g i o = Ю Igm Ко №■

Двухрезонаторные клистроны в режиме максимального усиления имеют коэффициент усиления по мощности порядка 20 дб (100 раз),' а в режиме максималькой выходной мощности — порядка 10—15 дб.

Излож1енная 6 этом параграфе теория двухрезонаторных клистронов, пре­ небрегающая влирнием пространственного заряда, даёт правильное представ­ ление о механизме процессов и объясняет основные закономерности, но для реальных ламп оказывается недостаточно точной. Влияние пространственного заряда проявляется в существовании расталкивающих сил, противодействую­ щих группированию электронов, что приводит к уменьшению степени группи­ рования, которая: имела бы место при отсутствии пространственного заряда. Это явление носит название продольного разгруппирования. Наряду с этим, пространственный заряд при возникновении электронных групп создаёт также силы, расталкивающие электронные группы в радиальном направлении (ра­ диальная, или поперечная, разгруппировка). Разгруппировка более сильно проявляется при длительном движении электронов в пролётном пространстве,

т. е. при больших углах пролёта 0 О , вызывая уменьшение сгруппированного тока ’).

§ 15.3. Процессы в многорезонаторных клистронах

Для увеличения коэффициента усиления, выходной мощности и кпд пролётных клистронов при одной и той же подводимой мощности источников-постоянного тока используются многоре­ зонаторные клистроны. Устройство такого клистрона изображено на рис. 15.8. В многорезонаторных клистронах, в отличие от

390

двухрезонаторных, между входным и выходным резонаторами вдоль электронного луча располагается один или несколько про­ межуточных резонаторов.

Малое переменное напряжение, подводимое от внешнего ис­ точника к входному резонатору многорезонаторного клистрона, будет создавать так же, как и в двухрезонаторном клистроне, модуляцию по скорости и группирование электронного потока. Сгруппированный электронный поток вызовет во втором резона­ торе электромагнитные колебания значительно большей ампли­ туды, чем в первом резонаторе. Напряжение во втором резона- • торе, в свою очередь, создаёт значительно большую, чем в пер­ вом резонаторе, модуляцию электронного потока по скорости, который при дальнейшем движении за вторым резонатором бу­ дет группироваться и создавать колебания в третьем резонаторе

сещё большей амплитудой. При прохождении через следующие резонаторы электронный поток будет создавать в них колебания

самплитудой, возрастающей от резонатора к резонатору до тех пор, пока амплитуда колебаний не станет примерно равной ус­ коряющему напряжению. Этот процесс многократной модуляции по скорости и многократного группирования электронного пото­ ка называется каскадным группированием. На рис. 15.9 изобра­ жены графики движения электронов при каскадном группирова­ нии в трёхрезонаторном клистроне.

Пролётный клистрон с л+1 резонатором представляет собой как бы л-ступенный усилитель на двухрезонаторных клистронах с той разницей, что в многорезонаторном клистроне использует­ ся один электронный поток, а промежуточные резонаторы одно­ временно играют роль выходного резонатора предыдущей сту­ пени и входного резонатора следующей ступени. Многорезона­ торный клистрон имеет те очевидные преимущества, что подво­ димая мощность постоянного тока будет вследствие использо­ вания одного электронного потока в л раз меньше, чем в л-сту- пенном усилителе на двухрезонаторных клистронах, а коэффи­ циент усиления больше из-за меньшего числа резонаторов, в ко­ торых часть мощности расходуется на тепловые потери.

Рассмотрим работу усилительного ммогорезоиаторного клистрона в режи­ ме усиления малых сигналов и найдём выражение для коэффициента усиле­ ния в случае, когда все резонаторы настроены на частоту входного сигнала. Пусть клистрон имеет п одинаковых резонаторов, которые равномерно рас­ положены вдоль оси клистрона. Обозначим угол пролёта между центрами со­

седних резонаторов в 0 г а амплитуду переменного напряжения и основную

составляющую конвекционного тока в зазоре s-ro резонатора соответственно

Us и Is , тогда из (15.31) н (15.33)

391

Предположим, что амплитуды напряжении в любом из резонаторов, кро­

ме последнего, малы по сравнению с постоянным ускоряющим напряжением

,U S v

— <ClJ и что максимальная величина параметра группирования, обу­

словленная напряжением любого из резонаторов, значительно меньше еди­ ницы:

При этом условии амплитуда составляющей сгруппированного тока ос­ новной частоты, как следует из (15.24), пропорциональна амплитуде напря­ жения в резонаторе. Представим напряжение us(i)=Us sin at , действующее в 5-м резонаторе, и выражение (15.24) для основной составляющей сгруппи-

392

рованного тока, создаваемое напряжением s-ro резонатора, в комплексной форме:

us (t) = - i U s e{“t = Us eM ,

— соответственно комплексные амплитуды напряжения s-ro резонатора и ос­ новной составляющей сгруппированного тока, создаваемого этим напряже­ нием.

Из (15.41) и (15.42) следует соотношение между Is и Us

тока основной частоты, проходящего через зазор л-го резонатора, равна сум­ ме составляющих сгруппированного тока ооновной частоты, создаваемых пре­

тогда как для определения коэффициента усиления необходимо найти абсо­

Последовательно вычисляя U„ из (15.46) для л=2, 3, 4 и 5, получим ко­ эффициенты усиления по напряжению двух-, трёх-, четырёх- и пятирезонатор-

393

ного клистрона в режиме малых сигналов:

•

U i

Для произвольного числа резонаторов п коэффициент усиления, получае­ мый из решения ур-ния (15.47), равен

115.49)

Из (15.48) и (15.49) видно, что коэффициент усиления л-резонаторного клистрона больше, чем /С” 1 >т. е. больше, чем коэффициент усиления усили­

теля с (п—1) ступенями на двухрезонаторных клистронах. Это свойство есть следствие того, что группирование электронного потока усиливается в резуль­ тате совместного действия напряжений всех резонаторов, кроме последнего.

На рис. 15.10 представлена зависимость коэффициента усиления в лота­

/р

ления в промежутке между двумя резонаторами ТС и от числа резонаторов п . Мно­ горезонаторные клистроны как усилители слабых сиг­ налов обладают наивысшим среди ламп для сверхвысо­ ких частот усилением, од­ нако они не пригодны для усиления очень малых сиг­ налов, сравнимых с уров­ нем шумов, так как внут­ ренние шумы усилительных пролётных клистронов до­ статочно велики.

В. режиме макси­ мальной выходной мощ­ ности при переменных напряжениях в выход­ ном резонаторе, срав­

нимых с ускоряющим напряжением, многорезонаторные, и в частности, трёхрезо­

наторные клистроны, имеют более высокий кпд и выходную мощность, чем двухрезонаторные клистроны при одинаковой

394

подводимой мощности постоянного тока. Более высокие кпд и выходная мощность обусловлены характером группирования при больших амплитудах, которое можно объяснить, используя рис. 15.9. Центр группы электронов, образованный напряжением первого резонатора, проходит через второй резонатор при мак­ симуме тормозящего напряжения в нём. Под воздействием на­ пряжения второго резонатора происходит дополнительное груп­ пирование электронов, которое имеет центром электроны, прохо­ дящие через второй резонатор, когда напряжение в нём равно нулю,переходя из тормозящего в ускоряющее. Группы электро­ нов, образованные под воздействием напряжения второго резо­ натора, состоят из электронов, прошедших через второй резона­ тор в течение полупериода от максимального тормозящего до максимального ускоряющего напряжения. Поэтому в группу электронов после второго резонатора входит не только вся груп­ па электронов, образованная напряжением первого резонатора, но и часть электронов, которые составляли разрежение при груп­ пировании после первого резонатора.

В результате такого совместного действия напряжений пер­ вого и второго резонаторов, усиливающих группирование элек­ тронов, максимальная величина составляющей сгруппированно­ го тока основной частоты увеличивается в 1,28 раза по сравне­ нию с двухрезоибторным клистроном, а наибольший теоретиче­ ский электронный кпд трёхрезонаторного клистрона равен 74%. Реальный кпд его составляет 35—40%.

В пролётных клистронах с числом резонаторов более трёх для получения возможно большего усиления и максимальной выходной мощности и кпд в начальной части клистрона исполь­ зуется режим максимального усиления, а в конечной части его, где амплитуды напряжения в резонаторах сравнимы с ускоряю­ щим напряжением, стремятся достигнуть оптимального группи­ рования и наибольших мощности и кпд. Пролётные клистроны, имеющие резонаторы с высокой добротностью, являются узко­ полосными усилителями, лишь при расстройке резонаторов от­ носительно средней частоты удаётся расширить полосу усили­ ваемых частот до 3—5% от значения номинальной частоты за счёт существенного уменьшения коэффициента усиления.

§ 15.4. Конструкции и характеристики пролётных клистронов

По конструкции пролётные клистроны разделяются на кли­ строны с внутренними резонаторами и клистроны с внешними резонаторами.

В клистронах с внутренними резонаторами, которые показа­ ны на рис. 15.11 и 15.12, резонаторы составляют часть вакуум­ ной оболочки лампы. Возбуждение колебаний во входном резо­ наторе и отвод мощности из выходного резонатора в случае малых мощностей осуществляется при помощи витков связи,

395

присоединяемых к коаксиальным линиям через стеклянное ва­ куумное уплотнение. Элемент связи В подобной конструкции имеет клистрон, изображённый на рис. 15.12. Настройка резо­ наторов производится при помощи изменения зазора резонато­ ра путём деформации его гибких торцевых стенок или посред­ ством введения плунжера в полость резонатора через гибкое вакуумплотное соединение. Первый способ настройки вакуумных резонаторов показан на рис. 15.11, а второй — на рис. 15.12, где

Рис. 15.11

плунжер Пл, изменяющий частоту резонатора, перемещается микрометрическим винтом М, а в качестве гибкого вакуумплотного соединения служит гофрированный цилиндр С.

В клистронах с внешними резонаторами зазоры и часть по­ лости резонатора находятся внутри вакуумной части лампы, а оболочки резонаторов, ограничивающие остальные части поло­ сти, вне её. Это осуществляется применением спаев керамических колец с металлической оболочкой клистрона. Клистрон такого типа представлен на рис. 15.13; в поперечном сечении металли­ ческие части изображены штриховкой с пунктиром, а керамиче­ ские разделительные кольца — крестообразной штриховкой. До­ стоинство такой конструкции заключается в упрощении вакуум­ ной части лампы и в размещении органов настройки резонато­ ров и элементов связи вне лампы. Клистроны с внешними резо­ наторами имеют широкий диапазон перестройки и относитель­ но малое изменение мощности по диапазону перестройки.

Коллектор и резонаторы при работе находятся под одним и тем же потенциалом. Для более равномерного оседания элек­ тронного потока и устранения местных перегревов внутренняя поверхность коллектора имеет форму, близкую к конической. В зависимости от мощности клистрона используется естественное

396

или принудительное воздушное или водяное охлаждение кол­ лектора, а иногда и корпуса клистрона.

Применение сеток в зазорах резонатора для ограничения об­ ласти поля высокой частоты увеличивает коэффициент связи луча с полем резонатора, но уменьшает прохождение тока. Тем­ пература сеток ставит предел максимальной мощности клистро­ нов. Поэтому мощные клистроны не имеют сеток.

Рис. 15.13

Для формирования электронного луча в пролётных клистро­ нах используется электростатическая электронная пушка, а большая плотность тока и малое оседание луча вдоль длин­ ного пространства группирования обеспечивается применением одного из трёх способов фокусировки: ионной фокусировки, фо­ кусировки пространственным зарядом или фокусировкимагнит­ ным полем.

При ионной фокусировке положительные ионы, образовав­ шиеся из молекул остаточного газа, нейтрализуют пространст­ венный заряд электронов луча, что обеспечивает движение элек­ тронного луча вдоль пролётного пространства без расхождения в радиальном направлении. Ионная фокусировка применяется только в клистронах непрерывного режима, имеющих резонато­ ры с сетками, так как в импульсных клистронах к началу им­ пульса не существует ионов, необходимых для фокусировки луча.

В случае фокусировки пространственным зарядом фокуси­ рующие электростатические поля электронной пушки создают сходящийся аксиально-симметричный поток электронов, как это изображено на рис. 15.11. В пролётном пространстве, где отсут­ ствуют фокусирующие поля, электронный луч вначале продол­ жает сходиться, но под воздействием сил пространственного заряда, направленных перпендикулярно оси луча, вскоре стано­ вится расходящимся. Таким образом, диаметр электронного луча не является постоянным-по длине, вначале он уменьшает-

398

ся, а затем, достигнув некоторого минимального значения, сно­ ва увеличивается.

Наиболее широко в пролётных клистронах применяется тре­ тий способ — фокусировка луча посредством продольного маг­ нитного поля. При этом способе электронный луч формируется электронной пушкой и вводится в однородное аксиальное маг­ нитное поле, которое сохраняет неизменным диаметр луча на требуемом расстоянии. Магнитное поле создаётся либо соленои­ дами, через которые пропускается постоянный ток, либо по­ стоянными магнитами. В последнем случае полюсные наконеч­ ники магнита являются элементом конструкции лампы. На рис. 15.12 изображён пятирезонаторный клистрон с встроенны­ ми полюсными наконечниками, которые обозначены ПН.

Рис. 15.14

На рис. 15.14 показана типичная зависимость выходной мощ­ ности и кпд многорезонаторного клистрона от ускоряющего на­ пряжения U0. Из рисунка видно, что пролётные клистроны мо­ гут быть использованы для получения разных значений мощно­ сти посредством изменения ускоряющего напряжения, при этом кпд изменяется мало. Выходная мощность при малом измене­

нии кпд изменяется примерно пропорционально Uo12 , так как ток

луча изменяется пропорционально Uq12.

-На рис. 15.15 изображена зависимость выходной мощности Рдых от мощности Рвх, подводимой к входному резонатору, для импульсного двухрезонаторного усилительного клистрона (кри­ вая а). Характерно, что выходная мощность, в зависимости от Р,х вначале быстро возрастает, а затем в значительном интер­ вале остаётся примерно постоянной. На этом же рисунке пока­ зана построенная по ф-ле (15.36) теоретическая кривая измене­ ния мощности (кривая Ь), которая заметно отличается от кривой. а в области больших значений Р ^. .;

399.