3. Многорезонаторные усилительные клистроны
Возможности, создания каскадных клистронов. Для повышения коэффициента усиления клистронных усилителей может быть использовано каскадное соединение нескольких двухрезонаторных клистронов (рис. 5).
Рис. 5. Схемы устройства двухкаскадной цепочки (а) и трехрезонаторного клистрона (б)
На рис. 5,б изображен трехрезонаторный клистрон, эквивалентный двухкаскадной цепочке. В трехрезонаторном клистроне выходной резонатор первого клистрона объединен со входным резонатором второго, более мощного, клистрона. Это приводит к уменьшению числа резонаторов. Если в N-каскадной цепочке имеется 2N резонаторов, то в аналогичном многорезонаторном клистроне, содержащем N труб дрейфа, число резонаторов равно N + 1. При этом исключаются соединительные кабели и вентили, отсутствуют межкаскадные потери, промежуточные резонаторы оказываются ненагруженными и в них развиваются высокочастотные колебания с более высокими амплитудами. Кроме того, упрощается схема питания клистрона благодаря использованию общего электронного луча. Все это обеспечивает повышение коэффициента усиления и уменьшение потребляемой от источников питания мощности, т.е. повышение общего к. п. д.
Коэффициент усиления и к.п.д. многорезонаторного клистрона. Коэффициент усиления многорезонаторного клистрона определяется количеством каскадов. Для N-резонаторного клистрона оказывается справедливым приближенное эмпирическое выражение (дБ)
, (3.23)
определяющее максимальное значение коэффициента усиления. Повышение коэффициента усиления с увеличением числа каскадов при неизменной мощности источника постоянного тока в основном объясняется не увеличением выходной мощности, а возможностью снижения мощности входного сигнала, вследствие того что все резонаторы, кроме последнего, выполняют роль каскадных группирователей.
Рассмотрим некоторые возможности достижения больших к.п.д. в каскадных клистронах.
1. Увеличение к.п.д. достигается методом рекуперации, при котором неиспользованная электронами энергия возвращается в источник постоянного тока. Рекуперация в электронных приборах по своему физическому смыслу аналогична возврату электрической энергии во внешнюю цепь электродвигателя при его торможении.
Рис. 6. Схема устройства многорезонаторного клистрона с рекуперацией
2. Можно повысить к.п.д., улучшив группировку электронов, поступающих в выходной резонатор.
3. Для увеличения к.п.д. можно улучшить группировку электронов за счет использования высших гармоник высокочастотного напряжения.
Характеристики и параметры каскадных клистронов. Для каскадных клистронов наибольший интерес представляют амплитудные и амплитудно-частотные характеристики.
Каскадные клистроны, имеющие высокий к.п.д., используются в основном в качестве мощных усилителей, работающих в непрерывном или импульсном режиме. Клистроны непрерывного режима широко применяют в системах тропосферной и радиорелейной связи, в наземных станциях систем связи через спутники, в телевизионных передатчиках, в выходных каскадах радиолокационной аппаратуры, в установках промышленного нагрева. В будущем их предполагается использовать в солнечных космических электростанциях. Выходная мощность этих клистронов находится в пределах от нескольких ватт до сотен киловатт для длин волн от верхней части миллиметрового до нижней части метрового диапазонов соответственно. При наличии элементов механической перестройки частоты всех резонаторов диапазон перестройки частоты современных клистронов непрерывного режима достигает 20% от средней частоты.
Импульсные усилительные клистроны используются в РЛС дальнего обнаружения и в ускорителях заряженных частиц. Они могут работать при большой длительности импульсов τ и малой скважности S, обеспечивая наиболее высокие мощности по сравнению с другими типами электровакуумных приборов СВЧ.
Имеются типы клистронов, работающие на частотах выше 10 ГГц; максимальная мощность десятисантиметрового клистрона составляет 60 МВт в импульсе; наибольший к. п. д., полученный в настоящее время, равен 82%; ставится задача достижения η = 90%.
Сверхмощные импульсные клистроны дециметрового диапазона длин волн имеют большие размеры и массы. Так, клистроны с выходной мощностью 30 МВт в импульсе при средней мощности 30 кВт имеют длину более 3 м и массу ~ 1000 кг. Использование магнитных периодических фокусирующих систем (МПФС) вместо соленоидов позволяет уменьшить массу клистронов приблизительно в 5 раз.