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

Пролётные клистроны являются эффективными усилителями мощности в диапазоне от 2 м до миллиметровых волн. Клистро­ ны непрерывного генерирования и импульсные клистроны раз­ работаны на различные выходные мощности и диапазоны час­ тот. Импульсные клистроны могут создавать мощность порядка

20 Мет и выше, а в непрерывном режиме максимально достиг­ нутая клистронами мощность составляет несколько десятков киловатт. В табл. 15.1 приведены параметры некоторых много­ резонаторных клистронов, характеризующие их технические возможности.

Достоинствами пролётных клистронов по сравнению с дру­ гими типами ламп для сверхвысоких частот являются: большой коэффициент усиления по мощности, большая достижимая ве-

400”

личина выходной мощности и практически полное отсутствие связи между выходными и входными цепями, благодаря чему они широко применяются в радиотехнике.

§ 15.5. Физические процессы в отражательных клистронах

Отражательный клистрон представляет собой однорезонатор­ ный клистрон, в котором электронный поток после прохождения резонатора изменяет направление движения под воздействием отражателя—электрода, потенциал которого ниже потенциала катода, и проходит через резонатор во второй раз. Конструк­ ции отражательных клистронов, явившихся прототипами совре­ менных образцов, были впервые предложены и разработаны в

В. Ф. Коваленко предложил безынерционный способ изменения частоты отражательного клистрона, получивший название элек­ тронной настройки.

Устройство отражательного клистрона и распределение по­ тенциала в нём схематически изображено на рис. 15.16. Элек­ тронный ноток, эмитируемый като­ дом К, так же как и в пролётном клист­ роне, ускоряется постоянным напряже­ нием 1/0, приложенным между катодом

ирезонатором. Электроны при пролёте между катодом и резонатором приоб­ ретают скорость Vo. Между сетками С[

иС2 резонатора действует переменное напряжение и (ti) — U\ sinco/i, ампли­

туда U] которого мала по сравнению

с ускоряющим напряжением Uо- Элек­ тронный поток при прохождении через резонатор модулируется переменным напряжением по скорости и поступает в пространство между второй сеткой резонатора С2 и отражателем Отр, на­ зываемое пространством группирова­ ния. К отражателю приложено отри­ цательное относительно катода напря­ жение — UomP, поэтому в простран­

стве С2 — Отр существует тормозящее поле, под воздействием которого электронный поток, не достигая отражателя, изме­ няет направление движения на обратное и проходит через ре­ зонатор во второй раз. При движении модулированного по ско­ рости электронного потока в пространстве резонатор — отража­ тель происходит преобразование модуляции по скорости в моду­ ляцию по плотности — группирование электронного потока.

Сгруппированный электронный поток, проходя второй раз че­ рез резонатор, при определённых условиях отдаёт часть своей энергии полю резонатора и поддерживает в йём колебания. Пос­ ле второго пролёта через резонатор большая часть электронно­ го потока оседает на электродах лампы и из дальнейшего про­ цесса выбывает. Отражательный клистрон представляет собой генераторный клистрон, в котором функции входного и выход­ ного резонаторов совмещены в одном резонаторе.

Процессы модуляции электронного потока по скорости и от­ дачи энергии сгруппированным электронным потоком полю резо­ натора тождественны с аналогичными процессами в пролётных клистронах и описываются уравнениями, которые были выведе­ ны в предыдущих параграфах. Отличие процессов в отражатель­ ном клистроне от рассмотренных выше процессов в усилитель­ ных пролётных клистронах заключается в характере группиро­ вания в тормозящем поле и в особенностях работы отражатель­ ного клистрона как генератора.

Для рассмотрения движения электронов в области между второй сеткой резонатора и отражателем поместим начало коор­ динат в плоскости второй сетки и направим ось х от второй сет­ ки к отражателю вдоль оси клистрона. Напряжённость поля в

где I — расстояние между второй сеткой и отражателем. Урав­ нение движения электронов в тормозящем поле, как показано в § 4.1, в данном случае имеет вид

(15.51)

Z т

где v — скорость электрона в плоскости второй сетки,

11 — момент времени, в который электрон проходит через вторую сетку.

Из (15.51) получаем, что время пролёта электрона в прост­ ранстве группирования от второй сетки до точки возврата и об­ ратно равно

График движения электрона в тормозящем поле, т. е. зави­ симость координаты электрона х от текущего времени t, пред­ ставляет собой параболу, как это следует из (15.51). При сину­ соидальной модуляции начальной скорости электронов время пролёта и максимальное расстояние, на которое проникает элек­ трон в тормозящем поле, изменяются периодически.

На рис. 15.17 изображены графики движения электронов в тормозящем поле. Электроны, ускоренные высокочастотным по-

402

лем резонатора, проходят большее расстояние и находятся большее время, а замедленные электроны проходят меньшее расстояние и находятся меньшее время в поле между резонато­ ром и отражателем', чем электроны с неизменённой скоростью. На этом различии времени пролёта ускоренных и замедленных

8=$5ж;л=2

О 0.51Г Ж 1.51Г 27! 2.51! ЗЖ 3.5Ж ЬЖ \5Ж 5Ж 55ж 6Ж ВЫС 2ж Т5к вп в.5ж

электронов основано группирование электронного потока в от­ ражательном клистроне.

Группирование электронов происходит вокруг электронов с неизменённой скоростью, прошедших через середину зазора ре-- зонатора в моменты, когда напряжение изменяется из.ускоряю­ щего на тормозящее. Электроны, выходящие из резонатора в; течение полупериода, когда напряжение изменяется от макси­ мального отрицательного, до максимального положительного, не группируются, а рассеиваются, возвращаясь в резонатор в те­ чение целого периода.

При рассмотрении группирования в отражательном клистро.- не предполагалось, что в резонаторе существует переменное на­ пряжение с неизменной амплитудой. Для существования коле­ баний необходимо восполнение потери энергии, рассеиваемой в резонаторе и связанной с ним нагрузке, за счёт передачи энер­ гии от электронного потока полю резонатора. Сгруппирован­ ный электронный поток, возвращаясь, отдаёт энергию в том случае, если группы электронов проходят через резонатор в те промежутки времени, когда высокочастотное поле резонатора тормозит их движение.'Тогда группы электронов, замедляясь, отдают часть своей кинетической энергии полю резонатора.

Центром электронной группы, как было указано, являются электроны с неизменённой скоростью, которые проходят через резонатор в моменты, когда напряжение резонатора по отноше­ нию к электронному потоку, движущемуся в прямом направле­ нии, изменяется из ускоряющего на тормозящее. Но ускоряю­ щее поле по отношению к электронному потоку в прямом на­ правлении, т. е. движущемуся к отражателю, будет тормозящим по отношению к обратному электронному потоку, идущему от от­ ражателя к резонатору. Для максимальной передачи энергии группа электронов должна возвращаться в моменты максималь­ ного тормозящего напряжения для обратного потока, т. е. в мо­ менты максимального ускоряющего напряжения для электронно­ го потока в прямом направлении. Отсюда следует, что оптималь­ ное время пролёта электронов с неизменённой скоростью, при котором электронный поток отдаёт максимальную энергию полю резонатора, должно составлять целое число п периодов колеба­ ний Т плюс три четверти Т:

Колебания в клистроне возможны при времени пролёта, рав­ ном или близком к оптимальному времени тя. На рис. 15.17 изо­ бражён случай движения электронов, когда время пролёта элек­ тронов с неизменённой скоростью составляет 2,75 периода ко­ лебаний (п==2, 0 Л= 2,75.2-=5,5 тс). Из рисунка видно, что группа электронов А, образующаяся вокруг электронов с неиз­ менённой скоростью, возвращается в момент максимального тор­ мозящего напряжения.

: Время пролёта электронов с неизменённой скоростью от сере­ дины зазора резонатора до точки возврата в пространстве груп­ пирования и обратно слагается из времени пролёта от середины зазора резонатора до второй сетки в прямом и обратном направ­

40.4

щего напряжения U0 и напряжения отражателя U0/np, то'.сущест.- вует ряд областей напряжений U0 и U0mp , в пределах. которых возмолсно существование колебаний в отражательном клистроне-: Эти области носят название областей, или зон, колебаний, Зопц колебаний характеризуются номером зоны я—целым числом, ксЬ торое определяет оптимальные для данной зоны время- и угол пролёта— тл и в„. Из (15.53а) и (15.56) получаем уравнении;' устанавливающие связь между напряжениями, •геомётрйч^сКЙМ^ размерами, длиной волны или частотой, при которых, угол про-] лёта равен оптимальному:

где я — номер зоны колебаний (целое число). В/этих1формула,^ напряжения выражены в вольтах, геометрические- ;размеры и длина волны колебаний л в сантиметрах; частота колебаний f в мегагерцах. При изменении U0 или Uompпоследовательно перехо­ дим от одной зоны колебаний к другой. На рис. 15.18а представ-

Рис. 15.18

лены для середины каждой из зон колебаний графики движения электронов с неизменённой скоростью, являющихся центрами электронных групп.

На рис. 15.186 изображена зависимость выходной мощности клистрона от напряжения на отражателе, показывающая зоны колебаний по напряжению на отражателе.

405

§ 15.6. Анализ процессов в отражательном клистроне

Группирование электронного потока в тормозящем поле

Процессы в отражательном клистроне мы будем рассматривать при тех же упрощающих предположениях, как и процессы в пролётных клистронах, вводя ещё следующие дополнительные предположения: 1) электроны после

пролётном пространстве тем, что центром группы электронов при группиро­ вании в тормозящем поле являются электроны с неизменённой скоростью, прошедшие через резонатор в моменты изменения поля из ускоряющего на тормозящее, тогда как в пролётном пространстве двухрезонаторного клистро­ на группирование происходит вокруг электронов с неизменённой скоростью, прошедших резонатор в моменты изменения поля из тормозящего «а ускоря­ ющее. Это различие указывает на то, что в тормозящем поле и в пролётном пространстве группирование происходит в противоположных направлениях.

Как было отмечено в § 15.2, в связи с ур-нием (15.32), в зазоре резона­ тора, где отсутствуют постоянные поля, происходит группирование электрон­ ного потока, как в пролётном пространстве, которое определяется половиной угла пролёта между сетками. Следовательно, в отражательном клистроне на­ ряду с группированием в тормозящем поле происходит противоположное по своему действию группирование между сетками резонатора при прямом и об­ ратном прохождениях электронного потока.

Скорость электрона при выходе из резонатора определяется выражением (15.5), поэтому время и угол пролёта электронов в пространстве группиро­ вания из (15.52) и (15.55) равны:

В_этих формулах т0 и 0 о=што — время и угол пролёта электрона с не­ изменённой скоростью в пространстве группирования.

Время и угол пролёта электронов от середины зазора до второй сетки и обратно при модуляции по скорости составляют:

dx

Общее время пролёта электронов от середины зазора резонатора до точ­ ки возврата и обратно складывается из времени пролёта t итс . Переходя от времени пролёта к фазовым углам, получим из (15.59) и (15.61), что фаза возврата электронов в середину зазора резонатора и 1г в зависимости от фазы

406

или

где параметр группирования

0,). (15.63)

Из (15.62) имеем

d (ш/2)

1 4 - г COS со /,.

d (ш7г)

откуда сгруппированный конвекционный ток возвращающихся электронов в центре зазора согласно (15.11) равен

Для нахождения составляющей основной частоты сгруппированного тока необходимо проделать вычисления, подобные тем, которые были выполнены для получения (15.22) из (15.17) и (15.15а) в случае пролётного клистрона. Выполняя эти преобразования с (15.64) и (15.62), которые отличаются только знаком перед тригонометрическими функциями от (15.17) и (15.15а), получим

. выражение для составляющей сгруппированного тока основной частоты в центре зазора

Составляющая тока основной частоты, наводимого в резонаторе сгруппи­ рованным электронным потоком, получается, как следует из (15.27) и (15.28), путём умножения величины основной составляющей конвекционного тока на

Этот ток в к раз меньше тока /о, идущего от катода, вследствие оседания на сетках и стенках резонатора; к есть коэффициент прохождения тока. По­ этому ’

выражение (15.67) для основной составляющей наведённого тока в комплекс­ ной форме:

следовательно, комплексные амплитуды напряжения и наведённого тока в ре­ зонаторе равны

Наводимый в резонаторе ток сдвинут относительно переменного напряже­

ния в резонаторе на угол ( 0 o+ 0 i — -^-).Угол, определяющий фазовый сдвиг

тока, можно найти из (15.55) и (15.54)

407

Но вследствие указанного выше различия группирования в пространстве между сетками и в поле отражателя угол пролёта, определяющий параметр группирования г, согласно (15.63) , равен 00—0!.

Средняя за период мощность, отдаваемая электронным потоком полю резонатора, согласно (15.68) и (15.69) составляет

Ро

Величина (Ре)макс и (i)е)макс зависят от величины г, т. е. от амплитуды переменного напряжения в резонаторе Uu На рис. 15.7 представлен график функции rJi(r) в зависимости от г, которая имеет максимум, равный 1,25 при г=2,405.

Основные уравнения установившихся колебаний в отражательном клистроне

Для определения мощности, отдаваемой в нагрузку, и частоты колебаний

ратном прохождении через резонатор. Полная проводимость резонатора равна

408

— нагруженная добротность — добротность резонатора с учётом проводимо­ сти нагрузки.

Для нахождения амплитуды и частоты колебаний, возбуждаемых в резо­ наторе электронным потоком, удобно ввести величину, называемую электрон­ ной проводимостью. Определим электронную проводимость как отношение комплексной амплитуды составляющей наведённого тока основной частоты, взятой с обратным знаком, к комплексной амплитуде переменного напряже­

1

-)- — J < в ‘о + 01 < 2л (л+1) электронная проводимость имеет отрицательную

активную составляющую, которая максимальна при оптимальном угле про­

лёта 0 Л= 0 О+ 0 Х= 2 л

409