2.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы

Двухрезонаторные клистроны используют в основном как генераторы и умножители частоты.

Усилители на двухрезонаторных клистронах имеют ограниченное применение, так как они не обладают высокими значениями коэффициентов усиления. Реальное значение коэффициента усиления двухрезонаторного клистронного усилителя не превышает 10–15 дБ в довольно узкой полосе частот (менее 1 %). Значение КПД также невелико – около 10–15 %.

Для создания клистронного генератора на основе двухрезонаторного клистрона необходимо обеспечить положительную обратную связь между выходным и входным резонаторами.

На рис. 2.7 показан вариант обратной связи с помощью коаксиальной линии обратной связи.

Рис. 2.7. Двухконтурный клистронный генератор с коаксиальной линией обратной связи

Амплитудные условия самовозбуждения, т.е. степень связи, обеспечиваются за счет размеров и (или) поворотов петель связи.

Присутствие обратной связи приводит к тому, что фаза колебаний в выходном резонаторе должна находиться в определенном соотношении с фазой колебаний во входном резонаторе. Это и определяет основное фазовое условие самовозбуждения двухрезонаторного клистрона.

Поясним это с помощью пространственно-временной диаграммы (рис. 2.8). Через _особозначен фазовый угол обратной связи, т.е. фазовый сдвиг между колебаниями во втором и первом резонаторах. Так как модуляция по скорости происходит на основе преобразования электронного потока методом дрейфа, электронные сгустки образуются относительно электронов, прошедших центр первого зазора в момент перехода поля от тормозящего к ускоряющему.

Рис. 2.8. Оптимальные углы пролета в пространстве дрейфа двухрезонаторного клистронного генератора

Для отдачи максимальной энергии сгустки должны проходить выходной зазор.

Из рис. 2.8 видно, что оптимальный угол пролета в пространстве дрейфа _опт , при котором электронные сгустки попадают во второй резонатор в максимуме тормозящего полупериода, связан с фазовым углом_освыражением

_опт = 3/2–_ос + 2n, гдеn= 0,1,2,...; (2.35)

_опт = 2(n+ 3/4) –_ос. (2.36)

C другой стороны, угол дрейфа согласно общепринятым обозначениям равен

. (2.37)

Подставляя эту величину в _опт, получаем

(2.38)

Это и есть фазовое условие самовозбуждения двухрезонатоного клистронного генератора

Через U_{0 опт} обозначено оптимальное анодное напряжение, при котором сгустки попадают в максимальное тормозящее поле выходного зазора. Генерируемая мощность при этом проходит через максимум.

Таким образом, при изменении напряжения U₀должен наблюдаться ряд дискретных зон генерации, характеризующихся различными номерамиn. Из выражения 2.38 видно, что по мере увеличения ускоряющего напряжения, т.е. увеличения, т.е. увеличения скорости электронных сгустков, номер зоны генерации уменьшается. В промежутках между зонами генерируемая мощность падает до нуля. Это происходит потому, что электронные сгустки попадают в этом случае в моменты ускоряющего высокочастотного поля (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Изменение генерируемой мощности и частоты двухрезонаторного клистронного генератора в зависимости от ускоряющего напряжения

В пределах каждой зоны генерации происходит изменение частоты – электронная настройка. Это происходит вследствие изменения фазы прибытия электронных сгустков в зазор второго резонатора, где они наводят высокочастотное поле. Например, при некотором увеличении напряжения относительно его оптимального значения время пролета сгустков в трубе дрейфа сокращается, и они, передавая энергию выходному резонатору раньше, чем в оптимальном режиме, увеличивают частоту колебаний (рис.2.9). С физической точки зрения, электронная настройка – это изменение фазы наведенного тока при изменении ускоряющего напряжения U₀.

Электронная настройка невелика и составляет менее 1%. Она сопровождается потреблением мощности от источника постоянного тока, так как управление частотой связано с изменением напряжения питания. В этом отношении двухрезонаторные клистроны уступают отражательным, в которых электронная настройка осуществляется без затраты мощности.

Клистронные генераторы выпускают для частотных диапазонов от 5 до 40 ГГц с выходной мощностью от 1 до 10 Вт в непрерывном режиме. При этом ускоряющие напряжения составляют от 1 до 4кВ. Значения КПД имеют такой же порядок, как и у двухрезонаторных клистронных усилителей, т.е. ≈ 10%.