Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

в любой стационарной физической системе. Тормозящий полупериод поля во вто-

ром резонаторе соответствует моментам прихода к нему электронных сгустков.

При торможении электроны отдают свою кинетическую энергию радиосигна-

лу в выходном резонаторе, который связан с нагрузкой. Частично заторможенные в поле второго пространства взаимодействия электроны проходят далее на коллектор

5 и, ударяясь в него, выделяют оставшуюся кинетическую энергию в виде тепла, а

при большой остаточной скорости – и в виде жесткого ЭМИ.

Вследствие очень большой скорости электронов при пролете ими емкостного зазора первого резонатора напряжение на нем не успевает существенно измениться и эти малые изменения не влияют на условия формирования сгустков. Управляющее напряжение на первом резонаторе в течение полупериода ускоряет электроны, отда-

вая им энергию, но в течение следующего полупериода электроны тормозятся полем радиосигнала, возвращая ему энергию. Поэтому источник возбуждения затрачивает свою энергию практически только на потери во входном резонаторе и при высокой его добротности в клистронных усилителях могут быть получены очень высокие ко-

эффициенты усиления.

1.2 Разновидности конструкций пролетных клистронов

Недостатки двухрезонаторных клистронов с одним пространством дрейфа явились причиной того, что такие простейшие клистроны сейчас выпускаются толь-

ко на малые и средние уровни мощности в верхней части сантиметрового и милли-

метровом диапазонах длин волн. Клистроны, рассчитанные на большой уровень вы-

ходной мощности, обычно имеют более сложную конструкцию, усовершенствова-

ния которой направлены на улучшение группирования электронов, уменьшение по-

терь электронного луча в дрейфовых пространствах, расширение рабочей полосы частот, повышение энергетических показателей [13].

Улучшения группирования электронов и повышения коэффициента усиления обычно добиваются использованием не двух, а большего числа резонаторов, разде-

ленных дрейфовыми пространствами (рисунок 1.2).

11

ния к наиболее оптимальной пилообразной. Использование даже одного промежу-

точного резонатора и двух дрейфовых пространств приводит к повышению макси-

мального КПД генератора до 0,73. Обычно число резонаторов не превышает шести,

так как дальнейшее его увеличение приводит лишь к незначительному улучшению параметров клистрона, но существенно усложняет его конструкцию.

Клистронные генераторы могут работать в режимах усиления радиосигнала,

умножения частоты и автогенератора. Модуляция колебаний в клистронных генера-

торах обычно не производится.

В режиме усиления выходные мощности клистронных генераторов могут до-

стигать 1,0 МВт в дециметровом, от 300 до 500 кВт в сантиметровом и от 10 до

20 кВт в миллиметровом диапазонах длин волн. Коэффициенты усиления лежат в пределах от 20 до 55 дБ, КПД – до 50 %, относительные рабочие диапазоны частот – до 10 %. В импульсном режиме работы значения выходной мощности клистронных генераторов могут достигать в указанных диапазонах соответственно 100 МВт, от

20 до 30 МВт и 100 кВт. Значения напряжений питания E0 для клистров достигают десятков киловольт, что является существенным недостатком этих ЭП.

Клистронные генераторы находят широкое применение в мощных передатчи-

ках телевизионных, радиолокационных и связных систем СВЧ диапазона в качестве выходных усилителей радиопередающих устройств [5].

1.3 Вопросы для самопроверки к первому разделу

1.3.1Какой принцип положен в основу работы ЭП со свободным дрейфовым пространством?

1.3.2За счет чего в пролетном клистроне осуществляется группирование дви-

жущихся электронов в пакеты?

1.3.3 Каким выражением определяется скорость дрейфа электронов, ускорен-

ных напряжением питания E0 , перед входом в емкостный промежуток первого ре-

зонатора клистрона?

13

1.3.4 Почему электроны пучка попадают в дрейфовое пространство пролетно-

го клистрона с различными скоростями?

1.3.5 В каком виде выделяют на коллекторе оставшуюся кинетическую энер-

гию электроны, частично заторможенные в поле второго пространства взаимодей-

ствия?

1.3.6Почему при пролете электронами емкостного зазора первого резонатора напряжение на нем не успевает существенно измениться

1.3.7Какие недостатки характерны для двухрезонаторных клистронов с одним пространством дрейфа?

1.3.8Как добиваются улучшения группирования электронов и повышения ко-

эффициента усиления пролетных клистронов?

1.3.9 За счет чего в многорезонаторном клистроне происходит дополнительная модуляция потока электронов по скорости перед входом его в последующие дрей-

фовые пространства?

1.3.10 Почему ограничивают число резонаторов в многорезонаторных кли-

стронах?

14

2 Электронные приборы магнетронного типа

2.1Физические основы работы приборов магнетронного типа

Внастоящее время для генерации мощных СВЧ-колебаний широко использу-

ется класс ЭП, в которых взаимодействие электронного потока с полем замедляю-

щей системы, состоящей из связанных между собой резонаторов, происходит в скрещенных статических электрическом и магнитном полях. Такие генераторы по-

лучили название магнетронов или генераторов типа М. Кроме классических магне-

тронов, конструкция которых была разработана еще в тридцатые годы прошлого ве-

ка, к этому классу ЭП относятся платинотрон, митрон, ЛБВ М-типа (ЛБВМ), ЛОВ М-типа (ЛОВМ) и другие приборы [14].

Схематически устройство магнетрона показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Устройство магнетрона

Анодный блок 1 с резонаторами 3 и сегментами 4 образует свернутую в коль-

цо замедляющую систему. Вывод СВЧ энергии в нагрузку осуществляется с помо-

щью элемента связи 5, расположенного в одном из резонаторов. В центре анодного блока находится катод с подогревателем 2, поддерживаемый катодными выводами.

На концах катода установлены торцевые диски, улучшающие структуру электриче-

ского поля между катодом и анодом. Постоянное электрическое поле создается ис-

точником питания Ea , подключенным между находящимися на расстоянии d друг

15

от друга анодом и катодом. По конструктивным соображениям анодный блок обыч-

но заземляется, а на катод подается отрицательное напряжение. Прибор помещается между полюсами постоянного магнита, магнитное поле которого направлено в про-

странстве взаимодействия параллельно оси катода.

В зависимости от соотношения между напряженностью электрического поля

E и индукцией магнитного поля B электрон, двигаясь по траектории радиуса R ,

может попасть на анод или возвратиться вновь на катод, не достигнув анода. Гра-

ничным следует считать тот режим, когда траектория электрона касается плоскости анода, то есть

все множество электронов образует пространственный заряд, вращающийся с угло-

вой скоростью ц . Если B Bкр , то электрон попадает на анод. Если анодное

напряжение и магнитное поле соответствуют точке, находящейся в заштрихованной области на рисунке 2.2, то в анодной цепи протекает ток эмиссии катода.

16

Для критического режима цилиндрического магнетрона без учета простран-

ственного заряда связь анодного напряжения Eакр c индукцией магнитного поля

Bкр определяется выражением

Обычно отношение радиусов анода ra и катода rк магнетрона составляет

и изменения в характере движения электронов по сравнению с выражением (2.1) не существенны.

2.2 Анализ конструкций резонаторных систем магнетронов

Конструкции резонаторных систем магнетронов весьма разнообразны [10].

Наиболее широко в сантиметровом диапазоне волн используются резонатор-

ные системы типа «щель-отверстие» (рисунок 2.3) и лопаточного типа (рисунок 2.4),

между элементами которых существует сильная электромагнитная связь.

18

Рисунок 2.3 – Резонаторная система типа «щель-отверстие»

Рисунок 2.4 – Резонаторная система лопаточного типа

Резонаторы образуют замкнутую замедляющую систему для пространствен-

ной электромагнитной волны.

Каждый цилиндрический резонатор с щелью можно рассматривать как виток индуктивной катушки, нагруженный на плоский конденсатор. Силовые линии маг-

нитного СВЧ поля замыкаются через соседние резонаторы, обусловливая их взаи-

мосвязь, а силовые линии электрического поля концентрируются в основном в щели резонатора и за счет краевых эффектов выходят в пространство взаимодействия с электронным потоком. Так как резонаторная система магнетрона замкнута, то ее эк-

вивалентную схему можно представить в виде электрической цепи, состоящей из сосредоточенных LC-элементов (рисунок 2.5), где L – эквивалентная индуктивность одиночного резонатора, C – эквивалентная емкость щелевой части резонатора, Cсв

– емкость связи между соседними резонаторами через пространство взаимодей-

ствия.

19