
- •Электронные и квантовые приборы свч
- •Глава 1 Общие сведения по электронным и квантовым приборам свч и оптического дипазонов
- •Особенности свч и оптического диапазонов
- •1.2. Общие сведения об электронных и квантовых приборах свч и оптического диапазонов и их основных параметрах
- •1.3. Классификация электронных и квантовых приборов свч и оптического диапазонов
- •Глава 2 триоды и тетроды свч
- •2.1. Полный ток в промежутке между электродами и во внешней цепи электровакуумных приборов
- •2.2. Работа триода на свч
- •2.3. Применение триодов и тетродов свч
- •Глава 3 клистроны
- •3.1. Пролетный двухрезонаторный клистрон
- •3.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы
- •3.3. Многорезонаторные клистроны
- •3.4. Применение многорезонаторных клистронов
- •3.5. Отражательный клистрон
- •Глава 4 лампы бегущей волны типа о (лбво)
- •4.1 Принцип работы лампы бегущей волны
- •4.2. Замедляющие системы
- •4.3. Элементы линейной теории лбв
- •4.4. Параметры и характеристики лбв
- •4.5. Особенности устройства и применения лбв
- •4.6. Гибридные приборы типа о
- •4.7. Лампа обратной волны
- •Глава 5 приборы типа м
- •5.1. Движение электронов в скрещенных статических электрическом и магнитном полях
- •5.2. Взаимодействие электронов и свч поля
- •5.3. Лампа бегущей волны типа м (лбвм)
- •5.4. Лампа обратной волны типа м (ловм)
- •5.5. Многорезонаторный магнетрон
- •5.6. Митрон
- •5.7. Платинотрон
- •5.8. Приборы с циклотронным резонансом
- •Глава 6 полупроводниковые диоды и транзисторы свч
- •6.1. Полупроводниковые диоды свч
- •Глава 7 лавинно-пролетные диоды (лпд)
- •Глава 8
- •Глава 9 физические основы квантовых приборов
- •9.1. Энергетические уровни
- •9.2. Квантовые переходы
- •9.3. Ширина спектральной линии
- •9.4. Возможность усиления и генерации в квантовых системах
- •9.5. Взаимодействие бегущих электромагнитных волн с активной средой
- •Глава 10 квантовые приборы свч
- •10.1. Квантовые парамагнитные свч усилители
- •10.2. Квантовые стандарты частоты (ксч)
- •Глава 11 лазеры
- •11.1. Оптические резонаторы
- •11.2. Условия самовозбуждения и мощность излучения лазера
- •11.3. Характеристики излучения в оптическом диапазоне
- •11.4. Газовые лазеры
- •11.5. Лазеры на твердом теле
- •11.6. Жидкостные и химические лазеры
- •11.7. Полупроводниковые лазеры
- •11.8. Методы модуляции излучения лазера
- •11.9. Применение лазеров в технике связи
- •Заключение
- •Основные обозначения
- •Список литературы
- •Предметный указатель
- •Оглавление
- •Глава 6. Полупроводниковые диоды и транзисторы свч………………………….………
3.5. Отражательный клистрон
Принцип
работы.
Отражательные клистроны (рис. 3.14)
предназначены для генерирования СВЧ
колебаний малой мощности. Клистрон
имеет только один объемный резонатор
3, который
должен выполнять две функции:
модулировать скорость электронов и
отбирать СВЧ энергию от модулированного
по плотности электронного потока.
За резонатором расположен отражатель
4 —
электрод, на который относительно катода
1 подано отрицательное напряжение
.
Мощность колебаний, генерируемых
клистроном, выводится из резонатора
с помощью петли связи5,
переходящей
в коаксиальную линию 6.
Скорость
электронов перед резонатором определяется
напряжением
ускоряющего электрода2.
Рис. 3.14
Рассмотрим
движение электронов с помощью
пространственно-временной диаграммы
(рис. 3.15). Пусть в режиме стационарных
колебаний между сетками резонатора
существует напряжение
.
Электроны,
ускоренные напряжением
входят в зазор резонатора, модулируются
по скорости электрическим полем этих
колебаний и поступают в пространство
между резонатором и отражателем. Так
как на отражатель подано отрицательное
постоянное напряжение, электроны
попадают в тормозящее электростатическое
поле. Когда скорость электронов уменьшится
до нуля, они начнут обратное движение
к резонатору под действием того же
электростатического поля, которое для
них теперь является ускоряющим.
Рис. 3.15
В
результате движения электронов от
резонатора к отражателю и обратно
происходит их группирование. Электронные
сгустки образуются относительно
невозмущенных электронов 2,
выходящих
из резонатора в момент времени, когда
при переходе от ускоряющего к тормозящему
полупериоду СВЧ напряжения. Электрон
1, вышедший раньше и имеющий большую
скорость, проникает в тормозящее
поле набольшее расстояниеz,
т.е. летит
большее время, чем электрон 2,
и может
вернуться в зазор почти одновременно
с ним. Электрон 3,
выйдя из зазора позже электрона 2
и
с меньшей
скоростью, проникает в тормозящее поле
на меньшее расстояние. Из-за уменьшения
времени пролета, он может вернуться в
резонатор почти одновременно с электроном
2. На этом различии времен пролета
ускоренных и замедленных электронов
основано группирование электронного
потока в. отражательном клистроне.
Сгруппированный электронный поток должен, возвращаться в резонатор в пределах того полупериода СВЧ напряжения на зазоре, который оказывает тормозящее действие. Тогда он отдает часть своей кинетической энергии высокочастотному полю резонатора и поддерживает колебания, в резонаторе, (положительная обратная связь). Следует заметить, что полупериод, названный ускоряющим для электронов, идущих от катода, одновременно будет тормозящим для электронов, возвращающихся в резонатор под действием напряжения на отражателе.
Если электрон возвращается в резонатор при амплитудном значении тормозящего поля, то отдаваемая им кинетическая энергия максимальна. Очевидно, что сгусток отдаст наибольшую энергию СВЧ полю, если центральный его электрон (невозмущенный) приходит в момент максимума поля. Следовательно, как видно из рис. 3.15, для обеспечения этого требования для невозмущенного электрона угол пролета
,
(3.24)
где
n=0,
1, 2, ... — целое число, называемое номером
зоны генерации;
—
оптимальный угол пролета невозмущенного
электрона в пространстве группирования.
Скорость электрона на выходе из зазора резонатора определяется уравнением скоростной модуляции (3.3):
,
(3.25)
где
;
— момент
прохождения электрона через центр
зазора в «прямом» направлении;
—
амплитуда синусоидального напряжения
между сетками резонатора.
Электрон
со скоростью
попадает в
пространство между резонатором и
отражателем, где на него действует
электрическое поле напряженностью Е.
Считая поле
между сеткой резонатора и отражателем
однородным, находим напряженность
электрического поля
,
(3.26)
где
— постоянное
напряжение между катодом и резонатором;
- напряжение на отражателе;s
— расстояние
между второй сеткой резонатора и
отражателем.
Под действием поля напряженностью Е электрон двигается равнозамедленно до определенной точки z=z', в которой скорость его станет равной нулю и начнется движение в обратном направлении. Уравнение движения электрона для данного случая (электрон движется вдоль силовых линий электрического поля по оси z) можно записать
.
(3.27)
Поместим
начало координат
в плоскости второй сетки. Интегрируя
(3.27) и используя начальные условия:
,
получим
,
(3.28)
где
v—
скорость электрона в плоскости второй
сетки, которая определяется (3.25). Время
пролета электрона в пространстве
группирования от второй сетки до точки
поворота и обратно можно найти из
условий
.
Через
обозначим время возвращения электрона
в плоскость рассматриваемой сетки.
Применяя эти условия к (3.28), получаем
два решения:
.
Первое решение тривиально, а второе, позволяет определить время пролета электронов
.
(3.29)
Подставив в (3.29) значение Е из (3.26), получаем
,
(3.30)
Так
как скорость невозмущенного электрона,
находящегося в центре сгустка, не
изменяется при первом прохождении
высокочастотного зазора, то вместо
v
можно в
(3.30) подставить
.
Подставляя
затем (3.30) в (3.24), получаем
(3.31)
где f— частота генерируемых колебаний.
Формула
(3.31) позволяет при данных f,
s
и
определить ряд значений
,
необходимых для получения оптимальных
углов пролета, соответствующих различным
номерамп. С
ростом номера п
необходимое
абсолютное значение напряжения
уменьшается. Этот вывод очевиден,
так как, чем больше номерп,
т.е. больше
угол пролета
,
тем слабее должно быть тормозящее поле
(3.26), создаваемое отражателем. На рис.
3.16а показаны пространственно-временные
диаграммы, соответствующие оптимальным
углам пролета прип=3,
2
и 1.
Передача
энергии от электронного сгустка СВЧ
полю резонатора должна ухудшаться,
если угол пролета отличается от
оптимального, и полностью прекратится,
если невозмущенный электрон, являющийся
центром сгустка, возвращается в резонатор
в моменты нулевого поля, т.е. при
или
.
В этих случаях половина электронов
попадает в ускоряющее поле резонатора,
а вторая половина — в тормозящее: в
среднем сколько энергии отбирается
от поля, столько же передается ему
потоком электронов.
Таким
образом, вблизи каждого оптимального
угла пролета имеется область значений
±,
в пределах которой возможна передача
энергии от электронного потока СВЧ
полю и генерация колебаний. Следовательно
имеется ряд областей значений
,
соответствующих:
различным номерам п,
в которых
возможна генерация колебаний. Поэтому
зависимость мощности колебаний от
напряжения отражателя имеет зонный
характер (рис. 3.16б), а номер n
называется номером
зоны генераций.
Параметры и характеристики. На рис. 3.16б представлена зависимость генерируемой клистроном мощности от напряжения на отражателе. В центре каждой зоны мощность колебаний максимальна и соответствует прохождению сгустка электронов в момент максимального тормозящего поля между сетками резонатора. Из (3.31) можно получить выражение для напряжения отражателя, при котором выходная мощность максимальна (центры зон).
Вычислим разность фаз вылета электрона и его возвращения в центр зазора, воспользовавшись (3.29) и (3.26):
,
(3.32)
Подставляя
в (3.32) значение
из (3.25), имеем
,
(3.33)
Первый
член в правой части (3.33) — невозмущенный
угол пролета
,
соответствующий движению от второй
сетки к отражателю и обратно. Тогда
(3.33) можно представить в виде
,
(3.34)
где
параметр группирования с учетом
из (3.25)
.
(3.35)
Соотношение (3.34) аналогично по форме (3.7), полученному для двухрезонаторного клистрона, но отличается от него знаком перед последним слагаемым.
Отличие в знаке объясняется тем, что группирование идет около невозмущенного электрона, смещенного на полпериода по сравнению с пролетным клистроном (см. рис.3.3 и 3.15). Конвекционный ток отражательного клистрона рассчитывается, как в пролетном клистроне, и изменяется во времени так же, как показано на рис. 3.5. Спектр конвекционного тока аналогичен (3.14):
.
(3.36)
Как и в теории пролетного клистрона, получаем выражение для амплитуды первой гармоники конвекционного тока
,
(3.37)
амплитуда первой гармоники наведенного тока в выходном резонаторе
,
(3.З8)
где
— коэффициент электронного взаимодействия.
При оптимальном угле пролета (в центре зоны) максимальная мощность электронного взаимодействия
.
(3.39)
Подставляя в (3.39) амплитуду (3.38), получим:
.
(3.40)
Используя
(3.6), выразим
через параметр группирования:
.
(3.41)
Подставляя
в (3.40) величину (3.41) и принимая
,
получим:
.
(3.42)
Соответственно в центре зоны максимальный электроны КПД:
.
(3.43)
Однако
(3.42) и (3.43) дают большую ошибку при малых
номерах зон (п=0;
1), так как принятое в теории предположение
в этом случае не выполняется.
Электронный КПД отражательных клистронов в различных зонах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом номера зоны п. Максимальный электронный КПД отражательных клистронов оказывается ниже, чем у пролетных клистронов. Реально достижимые значения полного коэффициента полезного действия отражательного клистрона не превышают нескольких процентов.
Одно из замечательных свойств отражательного клистрона, определивших широкое использование его в различных радиотехнических устройствах, — электронная перестройка частоты — явление изменения частоты генерируемых колебаний при изменении напряжения на отражателе или ускоряющего напряжения (рис. 3.16 в).
Изменение напряжения на отражателе приводит к изменению угла пролета невозмущенного электрона и фазового сдвига между первой гармоникой конвекционного тока. и напряжением на резонаторе, т. е. к изменению сдвига фазы между гармоникой наведенного тока и напряжением. Последнее эквивалентно изменению активной и реактивной проводимостей,- вносимых в резонатор электронным потоком.
Выше
был рассмотрен случай, когда угол пролета
был равен
.
При этом первая гармоника наведенного
тока совпадает по фазе с напряжением
между сетками резонатора, реактивная
составляющая электронной проводимости
равна нулю и частота совпадает с
собственной частотой резонатора. Таким
образом в центре зон частота равна
собственной частоте резонатора
Очевидно,
что изменение частоты
от значения в центре зоны
определяется фазо-частотной характеристикой
резонатора, который должен скомпенсировать
фазовый сдвиг, вносимый электронным
потоком. ФЧХ определяется нагруженной
добротностью
.
Чем больше
,
тем при меньшем изменении
можно получить то же значение
реактивной проводимости, вызванное
изменением напряжения на отражателе.
Расчет показывает, что зависимость
от
добротности и изменения напряжения
отражателя, а также от значения
напряжения в центре зоны
Для различных номеров зонып
представляется формулой (см. [3]).
.
(3.44)
На практике используется только электронная перестройка частоты, путем изменения напряжения на отражателе. Это объясняется тем, что ток в цепи отражателя равен нулю и поэтому частотой клистрона можно управлять без затраты мощности.
Электронная перестройка характеризуется крутизной — отношением изменения частоты генерируемых колебаний к изменению напряжения на отражателе.
На рис. 3.16 видно, что с увеличением номера зоны снижается максимальная электронная мощность в ней и возрастает крутизна кривой электронной перестройки. Электронная перестройка практически безынерционна, скорость изменения частоты ограничивается лишь переходными процессами в резонаторе и электронном потоке.
Важным
параметром электронной перестройки
является ее диапазон
(т. е. область частот), в пределах которого
электронная мощность изменяется на
3 дБ относительно максимального значения
мощности в данной зоне (рис. 3.16б,
в).
Диапазон
электронной перестройки отражательных
клистронов обычно составляет около
0,5% средней частоты. Увеличить линейный
участок характеристики электронной
перестройки частоты около центра зоны
можно путем введения дополнительного
резонатора, связанного с основным.
Применение отражательных клистронов. Отражательные клистроны широко используются в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Основные преимущества их в сравнении с другими маломощными генераторами СВЧ заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют также высокую надежность и не требуют применения фокусирующих систем.
Вследствие низкого КПД отражательные клистроны не используются для получения больших мощностей. Они применяются в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре, в маломощных передатчиках, в радиорелейной, радионавигационной и телевизионной аппаратуре. В настоящее время отражательные клистроны вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ. Для генераторов радиорелейных станций они имеют повышенную выходную мощность (1 - 10 Вт). Для диапазона волн от 60 до 4 см изготавливаются стеклянные клистроны с внешним резонатором с широким диапазоном перестройки частоты.
Для сантиметровых и миллиметровых волн выпускаются металлические клистроны с внутренним резонатором, диапазон перестройки которых не превышает ±10%. Некоторые металлические клистроны имеют устройство для быстрой механической перестройки частоты в виде кулачкового механизма, меняющего конфигурацию стенок резонатора. Внешний вид клистрона К-108 с внутренним резонатором и волноводным выводом энергии показан на рис. 3.17. Используется в передвижных маломощных телевизионных передатчиках.
Рис. 3.17
Отражательные клистроны часто используются в режимах амплитудной или частотной модуляции. Наиболее распространенным и удобным способом модуляции в отражательных клистронах является изменение .напряжения на отражателе, поскольку его цепь практически не потребляет мощности. При этом ускоряющее напряжение и ток пучка могут оставаться неизменными. Переменное модулирующее напряжение подается на отражатель клистрона. Получение только ЧМ при изменении напряжения на отражателе, как видно из рис. 3.16, затруднительно. При изменении напряжения на отражателе наряду с частотой меняется также и выходная мощность. Только при весьма неглубокой ЧМ в середине зоны, вблизи максимального значения выходной мощности, изменения амплитуд колебаний оказываются сравнительно небольшими. В противном случае необходим амплитудный ограничитель.
Указанных
трудностей можно избежать, если для
управления амплитудой и частотой
колебаний одновременно использовать
изменение напряжений на отражателе
и резонаторе. Так как частота
генерируемых колебаний зависит не
только от напряжения на отражателе
,
но и от ускоряющего напряжения на
резонаторе
,
то представляется возможным при АМ
путем одновременного изменения по
соответствующему закону напряжений
резонатора и отражателя существенно
снизить, или даже практически устранить
нежелательные изменения частоты. Однако
это требует применения достаточно
сложных схем.
Для повышения стабильности частоты отражательных клистронов используются стабилизирующие резонаторы с очень высокой добротностью, в том числе сверхпроводящие.
В
настоящее время клистронов малой
мощности коснулась тенденция
миниатюризации. Реализация этого
направления связана не только с решением
конструктивно-технологических задач,
но и с освоением новых режимов работы
приборов. Миниатюризация — это не только
уменьшение размеров приборов, но и
снижение питающих напряжений, что
позволяет уменьшить габариты и массу
источников питания. Как показали
исследования [14], для каждого значения
подводимой к клистрону мощности питания
Р0
существует низковольтная граница
питающего напряжения
,
за которой принципиально меняется
характер процессов в электронных
потоках клистронов. Величина
определяется формулой
.
Физически это объясняется тем, что при заданной мощности снижение напряжения надо компенсировать увеличением тока, которое приведет к росту плотности пространственного заряда. При этом, если не принять специальных мер, возникают специфические явления, связанные с недопустимо большим провисанием статического потенциала в потоке, нарушающим нормальную работу приборов.
Исследование природы этих ограничений позволило советским ученым разработать более совершенные конструкции миниатюрных пролетных и отражательных клистронов (последние получили название минитронов). Эти приборы имеют более высокие электрические параметры, чем их неминиатюрные аналоги, отличаются существенно меньшими габаритами и массой (единицы кубических сантиметров и грамм) и работают при существенно более низких напряжениях питания (десятки вольт при уровне выходной мощности в десятки милливатт).