Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009
.pdfГлава 13. Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением 363
В настоящее время ЭВП СВЧ с динамическим управлением . по сравнению с другими типами электронных приборов имеют наибольшие величины усиливаемой и генерируемой СВЧ-мощ
ности, КПД, коэффициента усиления, полосы пропускаемых
частот и ряда других параметров. В силу этого они занимают до
минирующее положение в СВЧ-технике. Физические процессы в таких приборах описываются уравнениями, приведенными в
приложении 2.
Специфическая особенность ЭВП СВЧ заключается в том,
что они являются интегральными устройствами, включающи ми в себя вакуумный прибор, колебательную систему, магнит
ную систему, входные и выходные СВЧ-тракты и другие эле
менты. Элементы ЭВП СВЧ взаимосвязаны и взаимообусловле
ны, т. е. электронная часть создается с учетом свойств и
особенностей всех других узлов прибора, особенно колебатель
ной системы.
13.2. Клистроны
13.2.1. Пролетные клистроны.
В пролетных клистронах используются узкополосные колеба тельные системы (резонаторы). Как правило, количество резона торов в этих приборах колеблется от двух до четырех-пяти. Ос
новное назначение пролетных клистронов - генерация, усиле
ние и умножение СВЧ-колебаний. Этот тип приборов может
работать в диапазоне частот от сотен МГц до сотен ГГц, макси
мальные значения· выходной мощности могут достигать сотен
кВт в непрерывном режиме. Перестройка по частоте в этих прибо
рах осуществляется механически.
Рассмотрим сначала двухрезонаторные клистроны (ДРК), кото
рые наиболее ярко иллюстрируют
принципы динамического управ-
ления электронным потоком, а за
тем перейдем к многорезонатор
х
ным клистронам, получившим на
ибольшее распространение. Схема
устройства |
ДРК приведена на |
|
рис. 13.1. Катод 1 и усl{оряющий |
|
|
электрод 2 |
формируют электрон- |
Рис. 13.1 |
364 |
Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ |
. ный поток с заданными характеристиками. Электроны подходят к сетке первого (входного) резонатора 3 с одинаковой скоростью
(13.1)
е, т - заряд и масса электрона, И0 - ускоряющее напряжение.
Входной резонатор 3 .возбуждается через входное устройст
во 4 входным СВЧ-сигналом мощностью Рвх и частотой m. В ре
зультате между сетками этого резонатора существует перемен
ное электрическое поле напряжением и1 =Иml sin (mt1), которое в положительный полупериод дополнительно ускоряет элект
роны, а в отрицательный - тормозит (Иml - амплитуда пере менного напряжения на сетках резонатора 3). Следовательщ>,
после первого резонатора электроны будут иметь разные ско рости. Этот процесс называется модуляцией электронов по скорос ти. В пространстве дрейфа 5 электроны перемещаются без до
полнительных воздействий. Из-за разной скорости электронов
вэлектронном потоке будут образовываться уплотнения (сгуст ки) и разрежения, т. е. модуляция по скорости превращается в
модуляцию по плотности. Частота следования сгустков равна час
тоте входного сигнала. Сгустки электронов, проходя между сет ками выходного резонатора 6, настроенного на частоту входного сигнала, наводят в его цепи ток той же частоты, который через
выходное устройство 4 поступает в нагрузку. Между сетками воз никает СВЧ-напряжение. Сгустки пролетают выходной резона
тор в тормозящем полупериоде и отдают СВЧ-полю часть энер гии. Остальная часть энергии электронного потока рассеивается
ввиде тепла на коллекторе 7.
Процесс модуляции скорости электронов под действием си нусоидального сигнала и1 на входе можно описать формулой
(13.2)
где v 1 - скорость электронов в пространстве дрейфа; время t 1
определяет текущую фазу СВЧ-поля в момент прохождения
электронами середины зазора входного резонатора 3 (х = |
О); |
||
РИ1т |
- коэффициент модуляции электронного потока, И - |
ус |
|
М = 2И |
|||
о |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
sin 0 3 12 |
|
|
коряющее напряжение (см. рис. 13.1); р = 0 •12 - |
коэффици- |
||
Глава 13. Электровакуумные nриборы СВЧ с динамическим управлением 365
ент эффективности взаимодействия электронов с полем резонатора;
ез = 02;-'-01 - фазовый упол пролета электрона в зазоре·вход
ного резонатора (01 /02 - фазы СВЧ-поля соответственно в мо
мент влета электрона в зазор и в момент вылета из зазора ре
зонатора).
Эффективность группировки электронного потока характе ризуется параметром группировни Х:
(13.3)
где ео = (!). to - абсолютный угол пролета электрона, отсчиты
ваемый от момента пересечения середины зазора входного резо
натора (х =О, см. рис. 13.1) до рассматриваемой плоскости х в пространстве дрейфа; t 0 , соответственно, время пролета. Таким образом, фазовый угол 00 определяет, на сколько изменится фа за СВЧ-поля за время пролета t 0 •
Закон изменения переменного напряжения на сетках игра
фик движения электронов в промежутке между резонаторами nоказан на пространственно-временной диаграмме (рис. 13.2, где х3. = l - расстояние между резонаторами).
Синусоида в нижней части рисунка изображает переменное напряжение между сетками входного резонатора. Цифрами на
оси абсцисс отмечены моменты прохождения входного_резона
тораразличными электронами.
Для простоты рассмотрения будем считать, что электроны
мгновенно изменяют свою скорость в середине зазора первогq
резонатора (х =О, см. рис. 13.1). На рис. 13.2 ось времени t про
ведена через точку х =О оси ординат, соответствующую середи
не зазора входного резонатора.
График движения электронов в пространстве за резонатором
представлен прямыми линиями, тангенс угла наклона которых
к оси абсцисс пропорциона- |
|
|
лен скорости движения элект |
х |
|
ронов. Электроны 2, 4, 6 и 8, |
||
|
||
пролетевшие сетки резонато- |
|
|
. ра в моменты прохождения |
|
|
переменного напряжения че |
X1,___ ___,,._,__,__ _,__,,___,L.....,~-~ |
|
рез нуль, движутся со средней |
||
И1 |
||
скоростью v0 , т. е. они не из |
||
1.---"--_,,._.__..,.__..:.___,.~_,_~~----'- |
||
меняют скорости. Их называ |
о |
|
|
||
ют невозмущенными. Прямые |
Рис. 13.2 |
Глава 13. Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением 367
нов мало. Исходя из рассмотренного механизма группирования
электронов нетрудно заключить, что при неизменных напряже
ниях И0 , Иlm и при фиксированной частоте ro параметр группи ровки Х увеличивается с расстоянием х от входного резонатора. Параметр Х определяет изменение во времени конвекционного тока iex в некотором сечении х пространства дрейфа. Как показы вает теоретический анализ процессов в клистроне, закон измене
ния тока выглядит следующим образом:
iex = ~10 |
/(1 - Х cos rot;), |
(13.4) |
|
|
'
где 10 - ток электронного потока в отсутствие модуляции, roti - угол пролета центрального электрона i-го уплотнения
внутри сгустка при Х > 1. Если Х > 1, то сгусток распадается на
ряд (i) уплотнений, при Х < 1 число i = 1.
Формула для iex показывает, что изменение тока во времени
носит периодический, но несинусоидальный характер.
Если разложить эту периодическую функцию (13.4) в ряд
Фурье, то ток можно записать в форме
|
00 |
|
iex = 10 |
+ L 2I0J п(пХ) cos [n(rot 2 - 8)], |
(13.5) |
|
п-1 |
|
Где t 2 - время, определяющее текущую фазу СВЧ-поля в вы
ходном резонаторе 6, Jп(пХ)- функция Бесселя первого рода п-го порядка, 8 - абсолютный угол пролета электронов от х = О ДОХ= l.
В ДРК входной и выходной резонаторы настраиваются на од
ну и ту же частоту ro, поэтому наибольший интерес представляет первая гармоника электронного тока. При п = 1 и cos (rot2 - 8) = 1
амплитуда первой гармоники тока |
|
|
Ieml = 2I0J 1(X), где J 1(X) - функ- |
J 1(X) |
|
ция Бесселя 1-го рода 1-го поряд |
|
|
ка. Максимум амплитуды первой |
0,6 |
|
гармоники имеет место при Х = |
0,4 |
|
= 1,84, когдаJ1(Х) =J1(1,84) = 0,58 |
0,2 |
|
(рис. 13.3). |
|
|
Рассмотрим некоторые парамет |
0,2 |
|
ры и характеристики ДРК. Одним |
0,4 |
|
из важнейших параметров являет |
||
|
||
ся мощность колебаннй в нагрузке вы- |
Рис. 13.3 |
368 |
Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУtу!НЫЕ ПРИБQРЫ |
ходного резонатора Рвых• которая равна мощности колебаний Ре,
развиваемой электронным потоком~
(13.6)
(13.7)
где Р2 - коэффициент взаимодействия электронов с полем вы
ходного резонатора; И2т, 12т - соответственно амплитуды на
пряжения и тока в выходном резонаторе.
Как отмечалось выше, при Х = 1,84 имеем J 1(X) = 0,58 и
мощность
(13.8)
Для амплитуды напряжения на сетках второго резонатора
можно записать
(13.9)
где Gэквз - эквив.алентная активная проводимость второго резо
натора.
Так;и:~у~; образом, уровень выходной мощности во многом опре
деляется режимом модуляции электронного потока во входном
резонаторе.
Электронный коэффициент полезного действия 1lэл усилительного
клистрона находится из соотношения
(13.10)
В реальных условиях И2т < И0, а Р2 < 1, но если взять пре
дельные недостижимые значения И2т = И0 и Р2= 1, то1le = 11;макс =
= 0,58. Таким обР,азом, КПД ДРК не может пр~1ццшать 58%..
|
Коэффициент усиления клистрона по |
рвых |
мощности рассчитывается по формуле |
|
Кр := 10 lg РвыхfРвх [дБ]. Коэффици |
|
ент усиления, как и выходная мощ |
|
ность Рвых• зависит от режима .рабо |
|
ты клистрона. Амплитудная харак |
|
теристика Рвых = f(P вх) представлена |
Рис. 13.4 |
на рис. 13.4. |
370 Раздел 3. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
торные клистроны до сравнению с двухрезонаторными способ
ны усиливать существенно более слабые сиrналы. Уро~ень Рвых
в таких приборах может достигать сотен киловатт в непрерыв ном режиме, реальные значения КПД - до 40 и более процен тов (по сравнению с 15... 20% в ДРК), коэффициент усиления
~ 30... 50 дБ.
13.2.2. Отражательные клистроны.
Эти приборы в основном используются в качестве маломощ
ных генераторов с электронной перестройкой частоты. В них
один и тот же резонатор осуществляет и модуляцию электрон
ного потока по скорости, и отбор энергии. Это достигается тем,
что модуляция по скорости происходит при прямом движении
электронов, а отбор энергии от сгруппированного потока реали
зуется при обратном движении за счет отражения электронов
постоянным тормозящим полем специального электрода (отра
жателя). Отражательные клистроны (ОК) работают вплоть до субмиллиметрового диапазона длин волн.
Устройство. Стационарные процессы движения электронов.
Схематическое устройство ОК приведено на рис. 13.5, а, где
цифрами обозначены следующие элементы: 1 - катод, 2 - ус
коряющий электрод, 3 - резонатор, 4 - отражатель. На уско
ряющий электрод и резонатор подается постоянный положи
тельный потенциал (до нескольких сотен В), а на отражатель - отрицательный потенциал порядка Uoтri::::: -(100".200) В. Рас пределение постоянных потенциалов внутри ОК в направлении
гч==rраж~тель |
и |
l г-1'! ивых
иотр
+
а) |
б) |
Рис. 13.5
Глава 13. Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением 371
от катода к отражател:Ю дано на рис. 13.5, б. Если не учитывать
СВЧ-поля в резонаторе, т. е. рассматривать условия, когда кли строн не возбужден, то до управляющего электрода (УЭ) элект роны ускоряются, от УЭ до резонатора, включая его сетки,
электроны летят с постоянно·й скоростью v0 = J~И0 , а в про
странстве между резонатором (Р) и отражателем (О) они тормо
зятся и в плоскости х = хмакс останавливаются и начинают свое.
движение в обратном направлении.
Принцип действия. Поток электронов, проходящий через сет ки резонатора в силу теплового разброса скоростей электронов, вы летающих из катода, имеет флуктуирующую (шумовую) состав
ляющую vш относительно v0 , т. е. скорость электронов v = v0 + vш,
где vш - усредненная шумовая (флуктуирующая) составляю щая скорости. Вследствие флуктуаций электронного потока в
резонаторе наводятся слабые колебания, т. е. на сетках резона тора из-за тепловых флуктуаций всегда существуют слабые ко лебания с частотой, близкой или равной собственной частоте ре
зонатора. Резонатор из широкого спектра флуктуаций выделя
ет только те частоты, которые входят в его полосу пропускания.
В результате процессов, которые будут описаны ниже, в клист роне устанавливаются при заданных И0 и Иотр стационарные
СВЧ-колебания. Аналогично происходит возбуждение и других типов ЭВП СВЧ-генераторов: ЛОВО, магнетронов и др.
В установившемся режиме поток электронов, пролетающих
между сетками резонатора, подвергается: воздействию переменно
го электрического поля.
Подобно ДРК скорость электронов в ОК изменяется по за
кону v = v0 (1 + М sin rot), т. е. как и в ДРК происходит моду ляция электронов по скорости. Пролетев резонатор электроны
движутся в тормозящем поле отражателя, теряя скорость до ну
ля в плоскости, где равна нулю мгновенная разность потенциа
лов (И0 + Ит sin rot) + (-Иотр) =О (Ит - амплитуда СВЧ-поля на сетках резонатора). После остановки около плоскости х = хмакс
электроны начнут свое движение назад к резонатору. Электро ны, пролетевшие резонатор в течение той половины периода, когда переменное напряжение между сетками резонатора (сере дина зазора) изменялось от максимума к минимуму, образуют при возвращении сгусток. В отличие от ДРК в ОК центром сгу-