книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

и они также движутся радиально от центра, однако в этом случае против направления силы, обусловленной по­ стоянным электрическим полем, действующим между ка­ тодом и анодом. В этом случае электроны отдают энергию постоянному полю, и она уже на постоянном токе рассеи­ вается во внешней нагрузке. К сожалению, при превра­ щении СВЧ-колебаний в энергию постоянного тока не­ обходимо, чтобы катод находился под положительным

I

Сопротивлениенагрузки постоянного тока

потенциалом по отношению к аноду. При таком условии чрезвычайно трудно заставить электроны двигаться от катода и, чтобы этого добиться, напряженность СВЧ-поля замедляющей системы должна достигать столь больших величин, при которых невозможно получить высоких значений как контурного, так и электронного к. п. д.

При разработке магнетронного выпрямителя [1] ис­ пользовалась колебательная система с рабочей частотой 1250 Мгц. Все экспериментальные данные были получены при работе ?в импульсном режиме. Предельный к. п. д. составил 30%. Интересной экспериментальной особен­ ностью такого прибора было то, что он выпрямлял как в отсутствие, так и при наличии аксиального магнитного

ПО Л Я. V

После того1 как было установлено ограничение пре­ дельного к. п. д. этого устройства из-за положительного катода, было обнаружено, что этот предел можно рас­ ширить, если электроны инжектировать в пространство

взаимодействия. Если бы удалось осуществить инжекцию в пространство взаимодействия такой протяженности, что электроны могли бы достаточное время взаимодействовать с СВЧ-полем, то оказалась бы возможной разработка вы­ прямителя со скрещенными полями с очень высоким к. п. д.

Усилия в этом направлении нашли отражение в экспе­ риментальной работе по созданию устройства со скре­ щенными полями с инжектированным электронным пото­ ком. Это устройство, названное АНсгоПег [2\, показано на фиг. 2. Результаты экспериментов, проведенных на при­ боре, были вполне удовлетворительными; выпрямитель работал на мощности постоянного тока 160 впг при к. п. д., равном 40%. Хотя это устройство и оказалось многообе­ щающим, более подробно исследовано не было.

В заключение можно сделать вывод, что высокий k. п. д. и возможность получения больших мощностей в выпрямителе со скрещенными полями служат основанием для разработки подобного устройства, даже несмотря на

С е - П у а н Ю

I.Клистронный преобразователь

А.Принцип действия. Преобразование СВЧ-энергин

вэнергию постоянного тока или низкочастотную энергию может быть осуществлено с помощью клистронного пре­ образователя. Такое устройство, показанное на фиг. 1, имеет конфигурацию, подобную обычным клистронным усилителям, за исключением выходного резонатора, который в обычном клистроне отбирает энергию от элек­ тронных сгустков за счет торможения их. В этом приборе (преобразователе) энергия электронного потока, возросшая

врезультате взаимодействия с СВЧ-полем, используется для ускорения электронов, т. е. для увеличения их ки­ нетической энергии. (На фиг. 1 показан клистрон с элек­ тростатической фокусировкой в противоположность тра­

диционной конструкции с магнитной фокусировкой. С точки зрения данного обсуждения тип фокусировки не имеет значения.) Процесс группировки электронов в клистронном преобразователе подобен процессу в обыч­ ном клистроне. Пролетая группирователь и далее еще два группирующих резонатора, электроны достигают выходного или ускоряющего резонатора, будучи хорошо сгруппированными. Очень важно, чтобы электроны были плотно сгруппированы именно к моменту влета в уско­ ряющий резонатор, так как только при этом условии мож­ но добиться, чтобы они под действием ВЧ-поля ускоря­ лись одновременно. Важно также, чтобы фаза высоко­ частотного поля в ускоряющем зазоре была такой, чтобы электронные сгустки приобретали максимальное значе­ ние скорости при прохождении зазора. Это существенное увеличение кинетической энергии электронов позволяет им затем достигать коллектора, несмотря на тормозящее поле, которое вызвано падением напряжения на внешней нагрузке, включенной между коллектором и катодом. Преобразование энергии в этом устройстве может иметь место в виде перехода энергии СВЧ-поля в энергию по-

использования многосекционного коллектора. При ис­ пользовании такого коллектора выходную мощность нужно отводить, имея множество значений выходных на­ пряжений вследствие секционирования конструкции. При использовании многосекционного коллектора для преоб­ разования СВЧ-энергии в энергию постоянного тока, множество выходных напряжений постоянного тока де­ лает клистронный преобразователь в определенной сте­ пени неперестраиваемым. Эти недостатки можно, однако, свести к минимуму в случае преобразования СВЧ-энер­ гии в энергию переменного тока низкой частоты. В этом случае благодаря трансформатору с несколькими первич­ ными обмотками, каждая из которых соединена с соответ­ ствующей секцией коллектора, получается одно выходное напряжение. Схематическое изображение клистроиного преобразователя, обеспечивающего на выходе мощность

клистроиного преобразователя в приближении теории малого сигнала. Весьма упрощенная модель, используемая в расчетах, позволила предсказать к. п. д. преобразова­ ния лишь немногим более 70%. Из этих исследований можно сделать вывод, что тюка не будет достигнуто плот­ ное группирование электронов в сгустки, клистронный преобразователь не будет иметь существенных преиму­ ществ перед обычными вакуумными диодами. В работе [2] были проведены эксперименты по выпрямлению СВЧмощности на маломощном двухрезонаторном клистроне. Мощность постоянного тока на выходе была получена, однако к. п. д. преобразования измерен не был. Следует обратить внимание на то, что в этих экспериментах на­ грузка была подключена между коллектором и анодом пушки, а не между коллектором и катодом. Такое под­ ключение приводит к потерям мощности потока за счет анодного падения, что нежелательно в практической кон­ струкции мощного прибора.

Анализ характеристик клистроиного преобразовате­ ля в приближении теории большого сигнала был проведен в работе [3] по данным работы [4] с помощью вычисли­ тельной машины. Поскольку экспериментальные данные

зазоре и от выходного напряжения постоянного тока. Модель, использованная в расчетах, представляла собой многорезонаторньтй преобразователь с двухсекционным коллектором. Первая секция коллектора была связана с катодом через переменное нагрузочное сопротивление. Вторая секция связана непосредственно с катодом, и на ней оседают все электроны, не осевшие на первой секции.

Хотя в данной модели использовался двухсекционный коллектор, все выражения распространимы на случай многосекционного коллектора с г секциями. Для двух­ секционного коллектора г — 2. Для г-секциониого кол­ лектора к. п. д. определяется в виде

/г-м электроде, измеренное относительно катода, и 1к — электронный ток на этот электрод. Произведение под знаком суммы, означающее мощность постоянного тока, нужно просуммировать по всем электродам, включая и те, которые находятся под положительными потенциалами (отсюда знак «минус»). Общая входная мощность Р должна включать как СВЧ-мощность, так и мощность, потребляе­ мую катодным подогревателем.

Результаты расчета приведены на фиг. 3. Напряжение на зазоре ускоряющего резонатора а и выходное напря­ жение (3 нормализованы по анодному напряжению. Как следует из приведенных результатов, существует опти­ мальная нагрузка для данных величин а. Если сопро­ тивление нагрузки слишком велико, то увеличивается и выходное напряжение, тогда большая часть электронов поворачивает ко второй секции коллектора. Низкое со­ противление нагрузки приводит к тому, что большая часть электронного тока отбирается первой секцией кол­ лектора и при этом бесполезно рассеивается кинетическая энергия электронов с высокими скоростями. Следует от­ метить, что весь поток не может осесть на секции коллек­ тора даже при нулевом выходном напряжении вследствие перехвата анодом пушки и высокочастотной структурой.

Величина токоп ерехвата зависит от качества электронной оптики и числа электронов» находящихся не в фазе с

высокочастотным полем, которые поворачивают назад

взазоре ускоряющего резонатора.

К.п. д. преобразования увеличивается с ростом а. Это происходит вследствие того, что токоперехват пучка остается примерно постоянным при изменении а, в то время как при больших величинах а электроны ускоря­ ются до больших скоростей с относительно меньшими разбросами этих скоростей и, очевидно, более высокий процент тока пучка достигает нагрузки. В настоящее время не ясно, будет ли к. п. д. монотонной функцией а. Наличие чрезвычайно высоких скоростей поставит, есте­

ственно, некоторые серьезные практические проблемы при конструировании преобразователей.

Результаты вычислений на ЭЦВМ показывают, что можно получить к. п. д. преобразования, превышающий

80%, при использовании сравнительно простого двухсек­ ционного коллектора. Можно предсказывать и более вы­ сокий к. п. д., если допустить большее число коллектор­ ных секций.

Б. Энергетические задачи. Перехват потока анодом электронной пушки и СВЧ-структурой оказывает небла­ гоприятное влияние на характеристики выпрямителя. Поскольку эти электроды находятся под положительным потенциалом по отношению к катоду, токоперехват пред­ ставляет собой потери мощности постоянного тока. Слиш­ ком большое токооседание на эти электроды может при­ вести к интенсивному разогреву, что ограничивает долго­ вечность преобразователя. К счастью, токоперехват мо­ жет быть существенно уменьшен в хорошей конструкции электронной оптики, как в некоторых мощных клнстронных усилителях, где имеется полное прохождение элек­ тронного потока. Подобным образом и в преобразователе хорошая разработка электронной оптики и миогорезонаторные группирователи могут обеспечить формирование хороших электронных сгустков.

Конструкции коллектора представляют в настоящее время наиболее неисследованную область. Попытки при­ менения тормозящих коллекторов до сих пор не привели к заметным успехам в деле улучшения к. п. д. клистронных усилителей. Это, по-видимому, объясняется тем, что хорошо сконструированный клистронный усилитель и без того достаточно эффективен, и распределение скоростей в отработанном электронном потоке носит слишком слу­ чайный характер, чтобы извлекать резерв к. п. д. из ки­ нетической энергии. В клистронном преобразователе по­ ложение сильно отличается вследствие того, что электро­ ны ускоряются, а не замедляются (как в усилителе) в оконечном резонаторе, и влияние разброса скоростей в этом случае много меньше. Без сомнения, верхний пре­ дел к. п. д. преобразования должен строго зависеть от совершенства конструкции многосекционного коллекто­ ра, и, в частности, от его способности отсортировывать электроны с различными скоростями.

Имеется также несколько побочных проблем в преоб­ разователе, которые не возникают при конструировании усилителя. Преобразователь, являясь источником по­

стоянного или переменного тока низкой частоты, требует отдельного питания по аноду. Требуемая для этого мощ­ ность, однако, очень мала по сравнению с выходной мощ­ ностью преобразователя. Прямой нагрев катода СВЧэнергией можно считать целесообразным, поскольку в данном случае всегда имеется первичный СВЧ-источник. Нетрудно получить и правильный сдвиг фаз СВЧ-поля между группирователем и ускоряющим резонатором.

III. Преобразование СВЧ-колебаний в переменный ток низком частоты

Результаты вычислений на счетных машинах и экстра­ поляцияхарактеристик клистронного усилителя показы­ вают, что характеристики клистронного преобразователя оптимальны, когда выходное напряжение приблизительно равно напряжению анода. Анодное напряжение высоко­ мощного клистронного усилителя может находиться в пределах десятков — сотен киловольт. Такие напряже­ ния практически не могут быть использованы для боль­ шинства применений клистронных преобразователей. При преобразовании СВЧ-колебаний в переменный ток низ­ кой частоты выходное напряжение можно понизить до приемлемых величин с помощью трансформатора.

Преобразователь, показанный на фиг. 2, имеет им­ пульсную модуляцию анодного напряжения. Выходная цепь настроена на основную частоту импульсных повто­ рений источника входной СВЧ-мощности. Поскольку на­ пряжение коллектора по отношению к катоду изменяется синусоидально, следует использовать короткие импульсы, чтобы электроны прилетали на коллектор только в мо­ менты времени, когда на коллекторе имеется максималь­ ный тормозящий потенциал.

Как показано на фиг. 4, ток коллектора 1к{г) может быть записан в виде