книги из ГПНТБ / Бородич, Сергей Владимирович. Радиорелейная связь учебник для техникумов связи

Как уже отмечалось, конструкция свч триодов специально рассчитана на соединение лампы с объёмными резонаторами коаксиального и радиального типа. На рис. 3.84 схематически изображены конструкции свч усилителя на маячковом триоде с радиальным и коаксиальным резона­

Ннс. 3.84. Схематические конструкции свч усилителя на маячко* вом триоде:

а) радиальная конструкция контуров; б) коаксиальная конструкция контуров;

/—^анодный разделительный конденсатор, 2—вывод энергии, 3—анодно-се­ точный контур, 4—сеточно-катодный контур, 5—ввод энергии, 6—катодное сопротивление

149

отрезок проводника длиной в четверть волны, являющийся анодным дросселем. Дроссель заблокирован конденсатором 3.

В большинстве случаев свч триоды, рассчитанные на мощ­ ность и несколько ватт, требуют принудительного воздушного охлаждения. Воздух от вентилятора подаётся в оба резонато­ ра: анодно-сеточный и сеточно-катодный для охлаждения всех трёх выводов электродов лампы.

Свч триоды часто используются и в качестве мощных смеси­ телей. Схема и конструкция мощного смесителя такая же, как и у свч усилителей с той лишь разницей, что в цепь катода вво­

ратной связи применяется в диапазонных генераторах. Связь с помощью О-образной петли (рис. 3.86б) удовлетворительно ра­ ботает только в узком диапазоне частот. Находит применение комбинированная связь с помощью петли и зонда (рис. 3.86г), являющаяся компромиссом между связью с помощью двухсто­ роннего зонда и S-образной петли.

На рис. 3.87 показано конструктивное оформление передат­ чика на свч триодах ГС-90Б.

150

лейных линий многорезонаторные клистроны применяются очень редко, но они получили почти исключительное применение в передающих устройствах радиорелейных линий, использую­ щих дальнее тропосферное распространение укв.

Известно, что передающие устройства аппаратуры этих линий должны отдавать большую мощность — не менее нескольких киловатт. Современные многорезонаторные клистроны способны отдавать на частотах до 1000 Мгц полезную мощность порядка 10 и даже 50 кет при коэффициенте усиления до 30—40 дб. Ши­ рина полосы пропускания такого усилителя достигает 20 Мгц.

Таким образом, мощный передатчик линии с тропосферным рассеянием укв состоит из возбудителя небольшой мощности (порядка 10 вт) и мощного усилительного клистрона.

Рассмотрим кратко устройство и принцип действия мно­ горезонаторного усилительного клистрона. На рис. 3.88 схе­ матически изображена конструкция двухрезонаторного клист­ рона.

действия поля группирователя с электронами. Конструкция се­ ток (размеры ячеек сетки) выбирается так, чтобы, с одной сторо­ ны, сетки представляли небольшое препятствие для летящих

152

электронов, а с другой, — чтобы было мало излучение электро­ магнитной энергии из резонатора. Электроны, пролетающие че­ рез зазор между сетками группирователя в течение полупериода колебаний, когда переменное поле ускоряет их, приобретают большую скорость. Электроны, проходящие между сетками в другой полупериод колебаний, за счёт торможения переменным полем теряют скорость.

Между первым (входным) резонатором и вторым (выход­ ным), иначе называемым улавливателем, расположено так на­ зываемое пространство преобразования, или пространство груп­ пирования. В этом пространстве электрические поля отсутству­ ют полностью. Вошедшие в пространство группирования более быстрые электроны догоняют и перегоняют более медленные электроны, которые прошли сетки группирователя несколько раньше. В результате на некотором расстоянии за выходным от­ верстием группирователя в*'пространстве преобразования элек­ троны периодически, с периодом высокочастотных колебаний,, будут пролетать сгустками, с большой плотностью заряда. Сле­ довательно, после прохождения через группирователь равно­ мерный по плотности заряда электронный поток превратится в последовательность сгущений и разрежений зарядов или, как говорят, будет модулирован по плотности.

Сетки второго резонатора помещены в том месте, где плот­ ность электронных сгустков наибольшая. Сам резонатор на­ строен на ту же частоту, что и группирователь. Если предпо­ ложить, что между сетками второго резонатора существует на­ пряжение высокой частоты и что сгустки электронов проходят через зазор между сетками в ту часть периода, когда высоко­ частотное поле будет тормозить электроны, то скорость элект­ ронов станет меньше и часть своей кинетической энергии они отдадут электромагнитному полю резонатора-улавливателя. Если поле в зазоре между сетками имеет достаточную величину и электроны у противоположной сетки будут заторможены полностью, то передача энергии от, летящих электронов полю будет максимальной.

В реальных условиях в резонаторе-улавливателе нет ника­ кой необходимости создавать поле от постороннего источника, поскольку пролетающие через сетки резонатора сгустки элект­ ронов вызовут появление заряда на сетках и токов на внутрен­ них стенках, т. е. в резонаторе возникнут колебания.

Двухрезонаторный -клистрон может быть использован в ка­ честве усилителя или генератора. В первом случае высокочас­ тотное поле группирователя создаётся в резонаторе от внеш­ него источника, а из второго контура усилителя энергия посту­ пает в нагрузку.

Если часть энергии, накопленной в улавливателе, направить в группирователь и при этом подобрать нужные фазовые соот­ ношения, то при условии, что мощность, отдаваемая электро­

153

нами улавливателю, превосходит потери в резонаторах и в на­ грузке, в клистроне возникнут колебания.

Процесс образования сгустков электронов можно пояснить с

что клистрон имеет два резонатора. Она даёт представление о

частотного поля в зазоре заметным образом не изменяется. Это позволяет считать, что изменение скорости движения электро­ нов пропорционально мгновенному напряжению в зазоре. Тесное расположение линий скорости говорит о том, что много электронов пролетает через эту точку в короткий интервал вре­ мени, т. е. электроны в этом месте образуют сгустки.

Из рассмотрения приведённого рисунка следует, что по ме­ ре удаления от сеток первого резонатора плотность электронов в сгустках возрастает и достигает максимальной величины на расстоянии I. Следует также отметить, что образование элект­ ронного сгустка происходит около тех электронов, которые прошли сетку при нулевом потенциале напряжения высокой частоты, когда высокочастотное поле изменяет фазу торможе­ ния на фазу ускорения электронов, т. е. тогда, когда на второй сетке группирователя отрицательный заряд замещается поло­ жительным.

Если рассматривать процесс образования сгустков электро­ нов при расстояниях, больших /, то можно заметить, что при оп­ ределённых удалениях от входа группирователя будут образо­ вываться новые сгущения электронов. В образовании этих сгуст­ ков будут принимать участие электроны, прошедшие сетки груп­ пирователя не только в течение данного периода колебаний, но и в течение смежных периодов.

Взаимное отталкивание электронов, которое ради упрощения не было принято во внимание, вызывает явление разгруппиров-

154

ки, приводящее к уменьшению плотности электронов в сгустках ■и уменьшению эффективности взаимодействуя поля резонатораулавливателя с электронным потоком. Поэтому, как правило,

в многорезонаторных клистронах -выбирают такой режим, когда

сполем взаимодействует первый электронный сгусток. После­ довательность сгустков электронов, следующих во времени с частотой, равной рабочей частоте клистрона, можно рассма­ тривать как модуляцию по плотности электронного луча мно­ гими частотами, кратными основной частоте так, как это сле­ дует-из разложения в ряд Фурье периодического процесса. Ам­ плитуды этих колебаний зависят от расстояния от сеток группирователя и увеличиваются при приближении к центру сгуст­ ка электронов. Анализ показывает, что положение максималь­ ного значения амплитуды основной частоты и положение цент­ ра сгустка электронов несколько отличаются друг от друга. По­ этому для наиболее эффективной работы клистрона сетки улав­ ливателя приходится смещать относительно центра электрон­ ного сгустка с тем, чтобы через улавливатель протекал наи­ больший ток рабочей частоты.

Из выражения (3.81) и графиков рис. 3.90 следует, что при заданной величине постоянной составляющей / а амплитуда лю­ бой компоненты тока луча изменяется с изменением параметра группирования х. Таким образом, если не учитывать взаимного отталкивания электронов в луче, то увеличивая длину прост-

155

разгруппировку (размытость сгустков) и, следовательно, умень­ шение переменной составляющей тока луча. Кпд современных клистронов достигает 25—45%.

В первых конструкциях клистронов величина выходной мощ­ ности ограничивалась величиной тока луча. В настоящее время разработаны новые типы катодов, позволяющие получать боль­ шие величины тока луча. В новых конструкциях клистронов увеличение полезной мощности практически ограничивается рассеянием тепла на электродах. В мощных клистронах поэтому применяется водяное охлаждение.

В современных усилительных клистронах число резонаторов доходит до шести, что позволяет расширить полосу частот пропускания. Так как длина клистрона получается довольно большой, то необходима фокусировка луча на всём его пути от электронной пушки до коллектора. Для этого между резона­ торами клистрона помещают фокусирующие катушки, питае­ мые постоянным током.

Отражательный клистрон по своему принципу является ге­ нератором колебаний свч. Мощность колебаний, генерируемых отражательным клистроном, невелика и составляет от 20—30 мет до 1 вт для клистроноз разных типов.

Отражательные клистроны широко применяются в приёмно­ передающей аппаратуре радиорелейных линий в качестве ге­ теродинов приёмников я задающих генераторов передатчиков диапазона дециметровых и сантиметровых волн. Весьма важ­ ным свойством отражательного клистрона является так назы­ ваемая электронная подстройка.частоты, т. е. изменение частоты генерируемых колебаний при изменении напряжения на отра­

156

жательном электроде. Благодаря этому свойству, в генераторе на отражательном клистроне очень легко осуществляется час­ тотная модуляция.

Схематическое изображение конструкции отражательного клистрона приведено на рис. 3.91. Клистрон состоит из катода 1, ускоряющего электрода 2 , объёмного резонатора с двумя сет­ ками 3 и отражательного электрода 4.

Электроны, вылетающие с катода, ускоряются постоянным напряжени­ ем, приложенным между катодом и объёмным резонатором с присоеди­ нённым к нему ускоряющим электро­ дом, и, пролетая сквозь сетки резона­ тора, попадают в тормозящее поле отражательного электрода, находяще­ гося под отрицательным потенциалом относительно катода. В результате торможения электроны сначала теря­ ют скорость, а затем возвращаются

обратно в пространство между сетками резонатора и оседают на сетках.

При наличии колебаний в резонаторе между его сетками су­ ществует переменное напряжение, под действии которого мо­ дулируется скорость электронного потока. Электроны, проле­ тевшие сквозь сегки резонатора, группируются в тормозящем поле отражателя, образуя электронный поток, модулированный по плотности заряда. Электроны, пролетающие между сетками при положительной полуволне переменного напряжения на сет­ ках приобретают наибольшую скорость-и по инерции проходят наибольший путь, приближаясь к отражателю. При возвраще­ нии обратно в пространство между сетками они затрачивают наибольшее время. Электроны, пролетающие между сетками при отрицательной полуволне переменного напряжения, имеют наименьшую скорость, проходят наименьший путь и скорее возвращаются обратно.

При правильном подборе питающих напряжений обе груп­ пы электронов возвращаются обратно одновременно, образуя электронный сгусток'.

На рис. 3.92 показаны траектории различных электронов в пространстве отражатель — резонатор. Из рисунка видно, что электроны №№ 2, 3 я 4 возвращаются в зазор между сетками одновременно. Группирование происходит вокруг электрона № 3, скорость которого не зависит от переменного напряжения на сетках, так как он пролетает сквозь них при нулевом на­ пряжении (при переходе от положительной полуволны к отри­ цательной) .

Если электронные сгустки попадают в пространство между сетками в те моменты, когда на сетках положительная полувол­

157

на напряжения, то они тормозятся высокочастотным полем (так как двигаются в обратном направлении) и отдают ему свою энергию. При этом условии в резонаторе возникают колебания, частота которых определяется настройкой резонатора.

Из рись 3.92 видно, что это условие выполняется, если время пролёта электрона, вокруг которого группируется сгусток (электрон № 3), равно 3/4, или ИД, 23Д и т. д. периода коле­ баний.

Так как время пролёта этого электрона зависит только от постоянных напряжений на электродах, то, изменяя эти напря-

с ет к а м и

п о л у в о л н а н ап ряж ен и я

Рис. 3.92. Кривые движения электронов.-

/ —положительная полуволна напряжения между сетками резо­ натора, 2—распределение зарядов на сетках при положитель­ ной полуволне напряжения, 3—направление силы, действую­ щей на электроны, находящиеся в зазоре, 4, 5 и 6—соответст­ венно то же для отрицательной полуволны напряжения

жения, можно изменять время пролета, переходя от одного режима работы к другому или, как говорят, от одной рабочей зоны к другой. Каждую зону работы отражательного клистрона обозначают номером: нулевой зоной называют режим, при ко­ тором время пролёта центрального электрона равно 3/4 перио­ да, первой зоне соответствует время пролёта 13Д периода и т. д. Чем больше отрицательное напряжение на отражателе, тем меньше время пролёта электронов и меньше номер рабочей зоны.

Таким образом, отражательный клистрон отличается от двухрезонаторного клистрона тем, что один резонатор выполня­ ет в нём как функции группирователя, так и функции улавли­ вателя, I

Работа отражательного клистрона характеризуется также параметром группирования х, который удобнее выразить в виде

158