Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
PFE / ПФЭ / Глава2Б-1.doc
Скачиваний:
84
Добавлен:
15.02.2016
Размер:
349.7 Кб
Скачать

113

2.5. Отражательный клистрон

Отражательный клистрон – маломощный однорезонаторный генератор СВЧ колебаний с низким КПД (не более 3). Принцип его работы, как и пролетного клистрона, основан на преобразовании энергии электронного потока в энергию СВЧ колебаний при кратковременном взаимодействии потока с СВЧ полем. Основными достоинствами отражательных клистронов являются простота их изготовления, малые стоимость и размеры, а также высокая надежность. Они отличаются стабильностью высокочастотных характеристик и параметров, на которые слабо влияют температура, вибрация и радиация. Их частоту довольно просто перестраивать механически и электрически.

В связи с развитием полупроводниковой микроволновой электроники область применения отражательных клистронов в последнее время значительно сузилась.

2.5.1. Принцип действия и группирование электронов

Схема устройства и электрического питания отражательного клистрона приведена на рис. 2.17. В отличие от пролетного в отражательном клистроне имеется только один резонатор, который должен выполнять две функции: модулировать скорость электронов и отбирать СВЧ энергию от модулированного по плотности электронного потока. Чтобы обеспечить выполнение обеих функций, необходимо вернуть в резонатор электронный поток, прошедший через сетки резонатора при движении от катода. Поток поворачивают с помощью отражателя, имеющего отрицательный потенциал Uотр по отношению к катоду. В пространстве между резонатором и отражателем электроны тормозятся до нулевой скорости и начинают обратное движение к резонатору под действием того же электрического поля, которое для них теперь является ускоряющим.

Движение электронов в отражательном клистроне можно пояснить с помощью пространственно-временной диаграммы (рис. 2.18). Представленные диаграммы соответствуют прохождению центра электронного сгустка через резонатор в наиболее благоприятных условиях – в моменты максимального тормозящего поля. При построении подобных диаграмм следует учитывать

Рис. 2. 17. Схема устройства и включения отражательного клистрона: 1 – катод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – резонатор; 4 – отражатель; 5 –вывод энергии; 6 – электронный поток

Рис. 2. 18. Пространственно-временная диаграмма группировки электронов в отражательном клистроне

изменение направления движения электронов, в результате чего тормозящий для отраженных электронов полупериод высокочастотного поля является ускоряющим для электронов, идущих в прямом направлении. Из рис. 2.18 следует, что фазовые условия самовозбуждения оптимальным образом удовлетворяются, когда время пролета центра электронного сгустка tопт в пространстве резонатор - отражатель в общем случае составляет

tопт = 3/4T + nT = T(n + 3/4), (2.42)

где Т – период СВЧ колебаний, а n = 0,1,2,3,... – целое число.

Вычислим полное время пролета электронов t в пространстве группировки в зависимости от межэлектродных расстояний и постоянных напряжений U0, Uотр, приложенных к клистрону.

Для этого воспользуемся элементарной кинематической теорией отражательного клистрона. Поскольку в маломощных отражательных клистронах токи невелики, действием сил пространственного заряда в области резонатор- отражатель пренебрегаем. Все электроды будем считать плоскими, а распределение потенциала между этими электродами линейным (рис.2.19). Допустим, что колебания в клистроне уже возникли. Тогда мгновенное высокочастотное напряжение между сетками резонатора можно записать в виде

U = – U1sint, причем U1 << U0. (2.43)

Последнее условие ограничивает дальнейшее рассмотрение случаем малых колебаний, подобно всем проводившимся ранее расчетам. Частота колебаний  предполагается близкой к собственной частоте полого резонатора 0 на используемом виде колебаний. Знак «минус» означает, что отсчет времени ведется относительно электрона, который становится впоследствии центром сгустка. Обозначим через t1 момент прохождения электрона через центр зазора в «прямом» направлении. Скорость электрона v на выходе из зазора определяется с учетом (2.43) уравнением скоростной модуляции

v = v0 v1 sin wt1, (2.44)

где

v0 =, v1 = v0 . (2.45)

Напишем уравнение движения электрона в пространстве между второй сеткой и отражателем

, (2.46)

где Е – постоянное электрическое поле, равное, как следует из рис. 2.19,

, (2.47)

где D – расстояние между отражателем и резонатором.

Рис. 2.19. Распределение постоянного потенциала в отражательном клистроне

Интегрируя первый раз уравнение движения, получаем

, (2.48)

где t – момент прохождения электрона через сетку зазора, обращенную в сторону к отражателю; t – момент времени, когда электрон возвращается в плоскость рассматриваемой сетки.

Проинтегрируем второй раз

. (2.49)

Время пролета электрона в пространстве группировки можно найти из условий х = 0, t = t. Применяя условие (х)t=t = 0 к уравнению (2.49), получаем два решения

; (2.50)

. (2.51)

Первое решение соответствует моменту вылета электрона из зазора. Второе решение дает время пролета электрона в тормозящем поле, равное

. (2.52)

К этому времени пролета, следует прибавить удвоенное время пролета d/2v в пространстве дрейфа, соответствующем промежутку между бесконечно тонким эквивалентным зазором, находящимся в центре реального зазора, и его выходной сеткой. Таким образом, суммарное время пролета любого электрона t от центра зазора к плоскости поворота и обратно оказывается равным

. (2.53)

Для определения времени пролета электронного сгустка вместо скорости v в (2.53) следует использовать v0, так как скорость электрона, являющегося центром сгустка, не изменяется при первом прохождении высокочастотного зазора.

Подставляя полученное соотношение для t в уравнение (2.42), определяющее оптимальную величину времени пролета электронного сгустка tопт, и вводя вместо периода Т частоту генерируемых колебаний , имеем

(2.54)

При d << D в этом уравнении можно пренебречь первым членом в скобках. Тогда

(2.55)

Это выражение определяет напряжение на отражателе в центрах зон генерации.

Как и двухрезонаторный генератор, отражательный клистрон имеет дискретные зоны генерации. При U0 = const зависимость генерируемой мощности от напряжения на отражателе имеет вид, качественно показанный на рис. 2.20. Каждая зона генерации соответствует дискретному значению n. Это значит, что клистрон способен генерировать не при любых напряжениях на отражателе, а лишь при вполне определенных. В отличие от двухрезонаторного клистрона, зоны являются одиночными. Частота f , входящая в уравнение (2.54), в первом приближении равна резонансной частоте контура, связанного с зазором.

Рис. 2.20. Зоны генерации отражательного клистрона

Уравнения (2.54) и (2.55) позволяют вычислить значения напряжения на отражателе, соответствующие центрам зон генерации при U0 = const (точки А, Б, В, Г на рис. 2.20). Форма зон и абсолютная величина генерируемой мощности уравнением (2.54) не определяются. Зоны n = 1 и n = 0 расположены соответственно при еще более высоких значениях напряжения |Uотр|.

Соседние файлы в папке ПФЭ