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

Как было показано ранее, мощность, отдаваемая электронным потоком полю резонатора, также максимальна при оптимальных углах пролёта. По­ этому для рассмотрения колебаний в каждой из зон удобнее вместо угла пролёта 0 О+ © 1 ввести изменение угла пролёта Д 0 относительно оптималь­ ного для данной зоны колебаний:

где

\Д0|

Действие электронного потока «а резонатор клистрона можно рассматри­ вать как влияние электронной проводимости на колебания в контуре, эквива­ лентном резонатору клистрона. Эквивалентная схема резонатора клистрона с учётом влияния электоонного потока представляется цепью, изображённой на рис. 15.19, где у е — электронная проводимость, присоединённая парал­ лельно резонансному контуру. Такое представление сводит задачу об ампли­ туде и частоте колебаний в отражательном клистроне к задаче о колебатель­ ном контуре, в котором изменение электронной проводимости уе изменяет активные потери и резонансную частоту.

Амплитуда затухающих свободных колебаний, которые возникают в кон­ туре за счёт тепловых шумов или ударного возбуждения, определяется зави­ симостью

u(t) = Uxe- J2-Сt sin<W.

Для рассматриваемого случая в этой формуле g равно сумме активной составляющей электронной проводимости ge и проводимости потерь в резо­ наторе и нагрузке gpe-\-gH■ Если g положительно, то колебания в контуре будут затухать. Однако, если активная составляющая электронной проводи­ мости будет отрицательной и по абсолютной величине больше, чем gpe+gm то g будет отрицательным и колебания в контуре будут возрастать по экспо­ ненциальному закону. При возрастании амплитуды колебаний абсолютная величина активной составляющей электронной проводимости £ г,как это сле­ дует из (15.78а) и рис. 15.7, будет уменьшаться до тех пор, пока не сравняет­ ся с проводимостью потерь в резонаторе и нагрузке gpe^rga • В этом случае величина g обратится в нуль, и колебания' в контуре будут продолжаться с неизменной амплитудой. Таким образом, условием установившихся колебаний является равенство нулю суммы активной составляющей электронной прово­ димости g e и проводимости потерь gpe-\-gH . Частота установившихся коле­ баний определится, как для обычного колебательного контура, из условия ра­ венства нулю реактивной проводимости, т. е. суммы реактивной составляющей

\ “о '

ма электронной проводимости и полной проводимости резонатора равна нулю

Уе + Ур = 0.

Это есть условие установившихся колебаний в отражательном клистроне.

410

Используя (15.75), (15.786) и (15.796), запишем условие установившихся колебании по отдельности для активной и реактивной составляющих:

Уравнение (15.84а) показывает, что при стационарных колебаниях, как это следует из закона сохранения энергии, средняя за период активная мощность, отдаваемая электронным потоком, равна средней за период активной мощ­ ности, поглощаемой в резонаторе и нагрузке. Действительно, величина, стоя­ щая в левой части этого уравнения, представляет собой мощность, отдаваемую электронным потоком полю резонатора [см. ур-ние (15.71а)], а правая часть

ёреЩ

уравнения равна сумме мощности потерь в резонаторе — —— и мощности.

отдаваемой в нагрузку , Введение электронной проводимости яв­

ляется лишь иной формой использования закона сохранения энергии для ана­ лиза колебаний в отражательном клистроне.

Найдём ооновные уравнения, определяющие режим работы отражатель­ ного клистрона. Заменяя t/j через г согласно (15.63) и используя (15.80), за­ пишем (15.82) в форме

Это уравнение через известные в правой части величины определяет ве­ личину г, т. е. амплитуду колебаний Uи Далее, перенося в выражениях (15.82) и (15.83) первые члены в правую часть и деля второе из полученных уравнений на первое, получим, иопользуя (15.76),

2 Д ш

выходная мощность отражательного клистрона — мощность, отдаваемая в нагрузку Як из (15.84а), равна

вым двум основным уравнениям вычисляются г и 4 м , а из последнего урав­ нения — выходная мощность.

411

Выходная мощность

гУео

Рассмотрим условие возникновения колебаний в центре зоны, когда угол

Уравнение (15.88) есть условие возникновения колебаний. Если же gpe-\-gn<yeо. то из (15.856) следует, что г отлично от нуля, т. е. возникают колебания с конечной амплитудой U\. Таким образом, при уменьшении про­ водимости нагрузки £ я или увеличении уе0, например, путём увеличения тока луча /о происходит возникновение колебаний. Подставляя (15.80) в (15.88), найдём величину пускового тока — тока луча, при котором возникают коле­ бания,

412

При отклонении угла пролёта от оптимального в пределах одной зоны колебаний выходная мощность уменьшается от максимального значения до

Рис. 15.21

нуля. Это следует из (15.85а), так как при возрастании Д 0 увеличивается правая часть этого уравнения, что указывает на уменьшение г , т. е. ампли­ туды колебаний. Границы зоны определяются такими значениями (Д Ъ)макс,

при которых член —'■■г — в (15.85а) равен единице, т. ё.

&ре ~Ь 8н _ Iо пуск

cos (Д 0).„

Уео /о

На рис. 15.21 внизу изображена одна из характеристик отражательного клистрона — зависимость выходной мощности от 'напряжения на отражателе при постоянном ускоряющем напряжении. Эта зависимость в пределах одной зоны имеет форму, близкую к параболической.

Величина выходной мощности зависит от величины проводимости нагруз­

электронной мощности, т. е. соответствовал бы таким переменным напряже­ ниям Ч\, для которых г=2,40. Однако вследствие потерь в резонаторе, кото­ рые возрастают пропорционально квадрату амплитуды высокочастотного на­ пряжения U\, максимум выходной мощности имеет место при меньших пере­ менных напряжениях U\, т. е. при меньших г. Можно показать1), что макси­ мум мощности имеет место при значении г, определяемом уравнением

4-13

По получаемому из (15.91) значению г находится оптимальная величина проводимости нагрузки

§н = Уео J 2(r)<

при которой отдаваемая мощность максимальна.

Величина мощности в центре зоны колебаний изменяется при переходе

Наименьшие мощность и кпд отражательный клистрон имеет в центре зо­ ны колебаний, если параметр группирования г = г опт= 1,84, а проводимость

нагрузки имеет оптимальную величину. При этом наибольшие мощность и кпд1):

к 7о Uо

(15.92)

1,07 к

И т Ь в:

Как следует из ф-лы (15.92), максимальный возможный кпд для зоны

Электронная настройка

Частота колебаний отражательного клистрона определяется условием, что сумма реактивной электронной проводимости и реактивной проводимости колебательного контура, эквивалент­ ного резонатору клистрона, должна быть равна нулю в режиме установившихся колебаний. При оптимальном угле пролёта реак­ тивная составляющая электронной проводимости равна нулю, поэтому частота колебаний в центре зоны равна резонансной ча­ стоте контура. При изменении угла пролёта относительно опти­ мального реактивная составляющая электронной проводимости вследствие изменения фазы сгруппированного тока становится отличной от нуля, в результате чего частота колебаний клистро­ на изменяется относительно резонансной частоты контура. По­ этому при изменении напряжения на отражателе или ускоряю­ щего напряжения в пределах зоны частота колебаний изменяет­ ся, как это следует из (15.86). Явление изменения частоты коле­ баний при изменении напряжения на отражателе или ускоряю­ щего напряжения носит название электронной настройки. Ско­ рость изменения частоты при электронной настройке ограничи­ вается лишь переходными процессами в резонаторе и электрон-

414

ном потоке, поэтому возможно, производить до нескольких де­ сятков миллионов перестроек в секунду. Практически примене­ ние получила только электронная настройка путём изменения на­ пряжения на отражателе вследствие того, что ток в цепи отра­ жателя равен нулю и управление частотой клистрона происходит без затраты мощности. На рис. 15.21 вверху изображено изме­ нение частоты Af относительно собственной частоты резонатора /0 в зависимости от напряжения на отражателе для различных

крутизна — отношение изменения частоты к изменению напря­ жения на отражателе. Крутизна электронной настройки в центре зоны колебаний из (15.93) равна

Другим параметром электронной настройки является её диа­ пазон. При изменении напряжения на отражателе наряду с из­ менением частоты изменяется также и выходная мощность. Ус­ ловились называть Диапазоном электронной настройки диапа­ зон частот, в пределах которого выходная мощность изменяется в два раза относительно максимальной мощности в данной зоне. На рис. 15.21 для зоны п = 2 показан графический метод опре­ деления диапазона электронной настройки между точками по­

шение диапазона электронной настройки к частоту колебаний в центре зоны — составляет десятые доли процента, но в специ­ альных типах клистронов она может достигать нескольких процентов.

Изложенная здесь элементарная теория, пренебрегающая многократным пролётом электронов через резонатор, влиянием пространственного заряда и другими факторами, даёт качествен­ но верные закономерности, однако, вследствие сделанных ограничений, она неприменима при больших амплитудах, т. е. для зоны п = 0 и от части п=1, и не объясняет некоторых явле­ ний ').

*) Более обстоятельное изложение процессов в отражательном клистроне, объясняющее влияние многократного пролёта электронов,, неоднородности по­ ля и пр., дано в книге В. Ф. К о в а л е н к о «Введение в электронику сверх­ высоких частот», изд. «Советское радио», 1955 I.

415

§ 15.7. Конструкции и параметры отражательных клистронов

По конструктивному оформлению отражательные клистроны можно разделить на две основные группы: клистроны с внешним резонатором и клистроны с внутренним резонатором.

В клистронах с внешним ре­ зонатором (рис. 15.22) вакуумная оболочка изготовляется из стекла, а резонатор делается разборным. Средняя часть торцевых стенок резонатора представляет собой медные диски Д с сетками С| и С2 в центре; диски спаиваются со стеклянной оболочкой лампы, об­ разуя внутреннюю часть резона­ тора. К выступающим из стеклян­ ного баллона лампы краям дис­ ков снаружи присоединяется внешняя часть резонатора, пока­ занная пунктиром. Электронная пушка состоит из подогревного катода К, соединённого с ним фокусирующего электрода Ф и сетки С3, ускоряющей электрон­ ный поток. Над верхним диском Д расположен отражатель Отр чашеобразной формы.

стяжками Ст, в результате чего происходит перемещение голов­ ки лампы Г, которая, деформируя верхнюю диафрагму резонато­ ра, изменяет расстояние между сетками. Для вывода энергии из резонатора служит виток связи В и коаксиальная линия Л со стеклянным вакуумным уплотнением. Электронная пушка со­ стоит из катода К и фокусирующего электрода Ф, соединённого с катодом. Отражатель Отр укреплён на траверсе, проходящей через стеклянное уплотнение в головке лампы.

Некоторые металлические клистроны имеют устройство для быстрой механической перестройки частоты в виде кулачкового механизма, деформирующего стенки резонатора.

416

На диапазон волн от 60 до 2,5 см изготовляются стеклянные клистроны с внешним резонатором, с широким диапазоном пе­ рестройки частоты. Для сантиметровых и миллиметровых волн выпускаются металлические клистроны с внутренним резонато­ ром, диапазон перестройки которых не превышает ±10'%.

Отражательные клистроны благодаря простоте конструкции и эл-ектронной настройке получили широкое применение в радио­ технической аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Вследствие низкого кпд они не используются для получения больших мощностей. Отражательные клистроны применяются в измерительной аппаратуре сантиметрового диапазона волн, в приёмниках радиолокационных станций в качестве гетеродинов, а также в качестве гетеродинов и генераторов радиорелейных станций. Отражательные клистроны для генераторов радиорелей­ ных станций имеют повышенную выходную мощность (от 1 до 10 вт) и изготовляются в металлическом оформлении.

В табл. 15.2 приведены параметры некоторых отечественных отражательных клистронов. Напряжение накала равно 6,3 в, а тек накала равен 0,6 -е- 0,85 а.

') С принудительным охлаждением.

Диапазон электронной настройки — 0,5% от рабочей частоты. а) Используется Л-катод.

Г Л А В А 16

МАГНЕТРОНЫ

§16.1. Управляющее действие магнитного поля

вмагнетронах

Магнетронами называются двухэлектродные лампы, предна­ значенные для генерирования электромагнитных колебаний и отличающиеся тем, что в них электроны, летящие от катода к аноду, подвергаются воздействию не только электрического, но также и магнитного поля.

Простейшая конструкция магнетрона представляет собой двухэлектродную лампу с цилиндрическими коаксиальными электродами, помещённую в постоянное магнитное поле, направ­ ленное параллельно катоду (рис. 16.1), Электроны, испускаемые катодом и летящие под действием электрического поля анода перпендикулярно линиям магнитного поля, под воздействием магнитного поля отклоняются от прямолинейного движения. На рис. 16.2 показаны траектории электронов, получающиеся при одном и том же Уа для различных значений индукции магнит­ ного поля В. Когда магнитное поле отсутствует (В = 0), электро,- ны летят к аноду прямолинейно по радиусам; когда магнитное

поле имеется и напряжённость его не очень большая, траектории электронов искривляются, но все электроны так же, как и в первом случае, попадают на анод (рис. 16.2б). Чем больше взя-