Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие для СПО
.pdf
11
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).
12
Рисунок 1.2 – Схема четырехрезонаторного пролетного клистрона
Ненагруженные промежуточные резонаторы обладают высокой добротно-
стью, поэтому промодулированный во входном резонаторе поток электронов вызы-
вает в них колебания большой амплитуды. Под воздействием этих колебаний про-
исходит дополнительная модуляция потока электронов по скорости перед входом
его в последующие дрейфовые пространства. При прохождении каждого добавочно-
го дрейфового пространства улучшается группировка электронов в пакеты, что по-
вышает коэффициент усиления и коэффициент полезного действия (КПД) генерато-
ра. Механизм группирования электронов в добавочных пространствах дрейфа не от-
личается от рассмотренного ранее случая клистрона с одним дрейфовым простран-
ством.
При анализе многорезонаторный клистрон можно рассматривать как последо-
вательное соединение нескольких двухрезонаторных с общим электронным пото-
ком. Для получения хорошей группировки электронного потока промежуточные ре-
зонаторы немного расстраивают по отношению к частоте входного сигнала либо
один из промежуточных резонаторов настраивают на вторую гармонику радиосиг-
нала. Этим достигается приближение формы суммарного управляющего напряже-
13
ния к наиболее оптимальной пилообразной. Использование даже одного промежу-
0
E
0
E
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
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
1.3.1 Какой принцип положен в основу работы ЭП со свободным дрейфовым
пространством?
1.3.2 За 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
, перед входом в емкостный промежуток первого ре-
зонатора клистрона?
14
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?
1.3.6 Почему при пролете электронами емкостного зазора первого резонатора
напряжение на нем не успевает существенно измениться
1.3.7 Какие недостатки характерны для двухрезонаторных клистронов с одним
пространством дрейфа?
1.3.8 Как 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?
15
2 Электронные приборы магнетронного типа
a
E
2.1 Физические основы работы приборов магнетронного типа
В настоящее 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
, подключенным между находящимися на расстоянии d друг
16
от друга анодом и катодом. По конструктивным соображениям анодный блок обыч-
E
dR 2
кр
B
акр
Е
кракр
E
e
m
dde
Em
B
.
212
кр
BB
ц
кр
BB
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
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
. (2.1)
Значения магнитной индукции
и анодного напряжения
, соответ-
ствующие этому режиму, называются критическими:
(2.2)
Если
, то электрон, вылетая из катода, возвращается на него вновь и
все множество электронов образует пространственный заряд, вращающийся с угло-
вой скоростью
. Если
, 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.
17
2
B
rre
Em
R
кa
a
Рисунок 2.2 – Взаимосвязь анодного напряжения и индукции магнитного поля
В остальных точках анодный ток отсутствует. В магнетронных генераторах
используется статический режим с отсутствием анодного тока.
При цилиндрической конструкции электродов магнетрона значение напря-
женности постоянного электрического поля изменяется при приближении к аноду,
что приводит к изменению переносной скорости электронов. Решение задачи о дви-
жении электронов в скрещенных полях в приборах с цилиндрическими электродами
может быть проведено аналогично плоскому диоду, если использовать цилиндриче-
скую систему координат. Электроны в цилиндрической системе движутся по эпи-
циклоидам, т. е. по кривым, которые описывает точка на поверхности круга, катя-
щаяся без скольжения по поверхности цилиндрического катода с радиусом
. (2.3)
18
Для критического режима цилиндрического магнетрона без учета простран-
акр
E
кр
B
кра
a
кр
E
e
m
r
B
.
22
a
r
к
r
5,2
к
a
r
r
ственного заряда связь анодного напряжения
c индукцией магнитного поля
определяется выражением
. (2.4)
Обычно отношение радиусов анода
и катода
магнетрона составляет
, (2.5)
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.
19
Рисунок 2.3 – Резонаторная система типа «щель-отверстие»
св
C
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,
– емкость связи между соседними резонаторами через пространство взаимодействия.
20
n
N
n
n
2
,2,1,0n
NnС
C
f
f
св
/2cos12
1
1
0
Рисунок 2.5 – Эквивалентная схема резонаторной системы магнетрона
Рассматриваемая сложная колебательная система имеет не одну, а несколько
резонансных частот, причем на резонансной частоте вдоль анодного блока должно
укладываться целое число длин волн или периодов СВЧ колебаний, так как система
резонаторов образует замкнутое кольцо. Фазовый сдвиг
между колебаниями в
соседних резонаторах определяется выражением, называемым условием циклично-
сти СВЧ поля магнетрона:
, (2.6)
где
– номер вида колебания;
N – число резонаторов, образующих колебательную систему магнетрона.
Резонансные частоты f эквивалентной схемы (рисунок 2.5) определяются
следующим выражением:
, (2.7)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]