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 зо­ныопределяется фазо-частотной характеристикой резонатора, который должен скомпенсировать фазовый сдвиг, вносимый элек­тронным потоком. ФЧХ определяется нагруженной добротностью. Чем больше, тем при меньшем измененииможно 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. Величинаопреде­ляется 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).