2.3. Двухрезонаторные клистронные умножители частоты

Двухрезонаторные клистроны могут быть с успехом использованыв качестве умножителей частоты [1]. Возможность эффективного умножения частоты обусловлена богатым содержаниемвысших гармоник в волне конвекционного и наведенного токов в выходном резонаторе, причем электронный КПД довольно медленно уменьшается с ростом номера гармоники.

Для настройки выходного резонатора на n-ю гармонику его размеры уменьшают по сравнению с входным, в то время как в усилительном клистроне эти резонаторы выполняют одинаковыми. Первый резонатор, настроенный на низкую частоту входного сигнала, имеет большие габариты в индуктивной части и малое расстояние d₁ между сетками для увеличения емкости резонатора. Входной сигнал поступает через коаксиальный ввод энергии. Второй резонатор имеет гораздо меньшие габариты и увеличенное расстояние d₂ между сетками в целях уменьшения емкости для обеспечения высокочастотного выходного сигнала.

Обеспечение указанного режима работы умножительного клистрона требует несколько иных напряжений. Поскольку параметр группировки в общем случае X=, а его оптимальное значение в режиме умножения частоты меньше, чем в режиме усиления, то требуемые напряжения можно получить соответствующим увеличением анодного напряженияU₀либо уменьшением величинsиU_m1.

Качество работы умножителя оценивается потерями преобразования (дБ)

. (2.39)

Величина называется коэффициентом преобразования входного сигналаР_вх(n = 1) в выходной сигналР_выхnn-кратной частоты. Чем меньше потери преобразованияL_пр, тем больше коэффициент преобразованияK_при выше качество умножителя.

Выходные параметры умножительного клистрона: КПД и выходная мощность меньше, чем в усилительном клистроне. По значению КПД клистронные умножители существенно уступают умножителям частоты на полупроводниковых диодах, КПД которых может достигать 80 %. Однако так как значение КПД двухрезонаторного клистрона мало изменяется с ростом номера гармоники, то в клистронном умножителе можно реализовать двадцатикратное умножение частоты с длиной волны выходного сигнала около 0,4 мм.

2.4. Многорезонаторные пролетные усилительные клистроны

В двухрезонаторных клистронах из-за влияния пространственного заряда электронного потока не удается получить коэффициент усиления более 15дБ. Для повышения коэффициента усиления клистронных усилителей может быть использовано каскадное соединение нескольких резонаторных клистронов. Однако это достигается усложнением схем питания цепей накала и высоковольтных электродов, так как источники питания необходимо изолировать. Проще каскадно соединить несколько резонаторов. Особенности работы многорезонаторных пролетных клистронов рассмотрим на примере трехрезонаторного клистрона, схема которого представлена на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Схема трехрезонаторного клистрона

2.4.1. Принцип каскадной группировки электронов

Процесс образования электронных сгустков в промежутках дрейфа многорезонаторного клистрона принято называть каскадной группировкой.

Рассмотрим группировку электронов в трехрезонаторном клистроне с помощью пространственно-временной диаграммы, построенной на рис. 2.11. Сначала будем считать, что входной сигнал мал, а все резонаторы настроены частоту усиливаемого сигнала. Электроны, прошедшие зазор первого резонатора с напряжением U₁×sint, группируются около невозмущенного электрона 2, и электронный сгусток, включающий электроны 1–3, наводит во втором резонаторе высокочастотное напряжение U₂×sint, фаза которого определяется тем, что электронные сгустки оказываются в максимумах тормозящего поля. Напряжение U₂ противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока. Второй резонатор не нагружен и имеет высокую добротность. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой зазора. Амплитуда напряжения U₂ значительно превышает амплитуду напряжения в выходном резонаторе двухрезонаторного клистрона и оказывает более сильное тормозящее воздействие на пролетающий электронный поток.

Электрон 4, который вылетел из первого резонатора со сдвигом во времени на полпериода относительно электрона 2, является наиболее «неблагоприятным» при группировке в первой трубе дрейфа, так как оказывается в максимуме ускоряющего полупериода во втором резонаторе. После ускорения во втором зазоре этот электрон постепенно приближается к центру вновь образуемого сгустка.

Рис. 2.11. Пространственно-временная диаграмма группировки электронов в трехрезонаторном клистроне

Принцип каскадной группировки заключается в том, что второй резонатор выступает в качестве дополнительного группирователя, который тормозит электронные сгустки и ускоряет электроны типа 4, пролетающие на полпериода позже сгустков. Скоростная модуляция во втором резонаторе оказывается весьма интенсивной вследствие большой амплитуды высокочастотного напряжения U₂. Поэтому электрон 4 догоняет электронный сгусток в зазоре третьего резонатора.

Таким образом, если в двухрезонаторном клистроне электрон 4 является «неблагоприятным», так как отбирал энергию в выходном резонаторе, то в трехрезонаторном клистроне он группируется с теми электронами, которые отдают энергию высокочастотному полю выходного резонатора. Осуществление модуляции по скорости в двух резонаторах вместо одного создает эффект, аналогичный действию идеального модулятора, к зазору которого приложено пилообразное напряжение.

На рис. 2.12 показана форма волны конвекционного тока iконв 3в зазоре третьего резонатора за время периода электромагнитных колебаний. Кривая конвекционного тока имеет четыре пика, соответствующих экстремумам фазовой диаграммы. Поэтому форма волны конвекционного токаiконв 3 приближается к прямоугольной и идеальной с точки зрения эффективного отбора энергии от электронных сгустков. За счет принципа каскадной группировки электронов

Рис. 2.12. Форма волны конвекционного тока в выходном резонаторе трехрезонаторного клистрона

теоретический предел электронного КПД, как это следует из элементарной кинематической теории, в трехрезонаторном клистроне достигает значения _{эл. макс} = 73,8 % против 58,2 % для двухрезонаторного клистрона.

2.4.2. Коэффициент усиления и КПД многорезонаторного клистрона

При использовании многорезонаторных клистронов различают два режима, связанных с настройкой резонаторов: максимального усиления и максимального КПД.

Коэффициент усиления многорезонаторного клистрона определяется количеством каскадов. Усиление на один каскад в нем оказывается намного больше, чем в двухрезонаторном клистроне. Как уже отмечалось, это связано с тем, что промежуточные резонаторы каскадного клистрона не нагружены и в них развиваются высокочастотные колебания большой амплитуды даже в условиях недогруппировки электронов при малом входном сигнале.

Для ориентировочной оценки максимального коэффициента усиления N-резонаторного клистрона можно воспользоваться эмпирическим соотношением [8]

К_макс = 15 + (N– 2)×20 [дБ] . (2.40)

Повышение коэффициента усиления с увеличением числа каскадов при неизменной мощности источника постоянного тока в основном объясняется не увеличением выходной мощности, а снижением мощности входного сигнала на входе усилителя, необходимой для управления электронным потоком, а также тем, что все резонаторы, кроме последнего, выполняют роль каскадных группирователей.

Из выражения (2.40) следует, что в семирезонаторном клистроне можно получить усиление более 100 дБ. Однако при таком усилении клистрон легко самовозбуждается из-за трудноустранимой паразитной обратной связи между выходом и входом усилителя, а также относительная полоса усиливаемых частот оказывается относительно малой, не более 0,1-0,2%.

Существует несколько путей достижения больших КПД в многорезонаторных клистронах. Реальный КПД трехрезонаторного клистрона оказывается равным приблизительно 30% против 73,8 %, полученных из элементарной кинематической теории.

Более высокие значения КПД многорезонаторных клистронов можно получить в следующих случаях.

1. Использование рекуперации энергии, которая заключается в торможении электронного пучка на выходе его из преобразующегося устройства. Для этого между преобразующим устройством и отделенным от него коллектором создают тормозящее электростатическое поле. В этом случае неиспользованная электронами энергия переходит в энергию электростатического поля, т.е. возвращаетсяв источник питания. Рекуперация по своему физическому смыслу аналогична возврату электрической энергии во внешнюю цепь электродвигателя при его торможении.

Полная передача энергии электронных сгустков ввысокочастотном поле выходного резонатора (т.е. 100%-й электронный КПД) означает снижение скорости электронов до нуля на выходе из зазора резонатора. Последнее обеспечить не удается, и электроны вылетают из выходного резонатора к коллектору с конечными скоростями. Рекуперация достигается путем снижения потенциала коллектора по отношению к потенциалу резонаторной системы с трубами дрейфа, что обеспечивает дальнейшее торможение электронов на участке между выходным резонатором и коллектором, т. е. в цепи постоянного тока.На рис. 2.13 показано, как подается напряжение на коллектор многорезонаторного клистрона с рекуперацией. В схеме использованы два источника питания. Один из них подключен к ускоряющему электроду, другой – к коллектору. Напряжение U₀ первого источника определяет среднюю скорость электронов в группирователе,в состав которого входят все резонаторы, кроме выходного. Постоянный токI_р этого источника, возникающий вследствие оседания электронов на стенках труб дрейфа и в резонаторах, обычно невелик. Высокое токопрохождение электронов на коллектор обеспечивается в основном за счет фокусирующего действия продольного магнитного поля.

Напряжение второго источника U_кл меньшеU₀в соответствии с принципом рекуперации, а ток второго источникаI₀– это фактически постоянный ток электронного пучка, достигающего коллектора.

Рис. 2.13. Схема трехрезонаторного клистрона с рекуперацией

Электронный КПД клистрона с рекуперацией определяется выражением [2]

, ( 2.41)

где Р₀₁иР₀₂– мощности источников питания;Р_эл – мощность, отдаваемая электронным потоком.

Так как I_р<<I₀, тоР₀₁<<Р₀₂ иh_эл.рекприближенно можно представить в виде

. (2.42)

Электронный КПД без рекуперации, когда U_кл =U₀, равен

. (2.43)

На основании (2.42) и (2.43) получим

, (2.44)

где x- глубина рекуперации, равная отношению ускоряющего напряжения к напряжению коллектораU_кл. Из выражения (2.44) видно, что увеличение КПД по методу рекуперации определяется глубиной рекуперации, которая ограничивается тем, что при снижении напряжения коллектора возникает обратный поток электронов из коллекторной части в канал дрейфа, где возрастает положительный потенциал относительно потенциала коллектора.

Для увеличения глубины рекуперации разрабатывают многосекционные коллекторы, в которых каждая секция имеет определенную конфигурацию и свой постоянный потенциал, соответствующий энергии определенной группы электронов. Число ступеней зависит от требуемого повышения КПД рекуперации. Чем выше это требование, тем больше ступеней должен иметь коллектор, чтобы полнее рекуперировать энергию каждой группы электронов, оседающих на электродах коллектора [2, 12].

Таким образом, рекуперация связана не только с изменением схемы питания прибора, но и с усложнением конструкции коллектора. Однако не следует считать, что схема питания при рекуперации усложняется. Она даже оказывается более экономичной, поскольку отпадает необходимость в стабилизации мощного источника питания. Стабилизация ускоряющего напряжения обеспечивается источником питания малой мощности Р₀₁ << Р₀₂, анапряжение коллектора не требует высокой стабилизации.

2. Второй путь повышения КПД это улучшение группировки электронов, поступающих в выходной резонатор. Рассмотрим электронный сгусток, пролетающий зазор предпоследнего резонатора. Согласно принципу отбора энергии от электронов, в предпоследнем резонаторе возбуждаются колебания таким образом, что электронные сгустки оказываются в максимумах тормозящих полупериодов, как показано сплошной синусоидой на рис. 2.14 для (N–1) резонатора. Это еще не приводит к полной группировке электронов. Для догруппировки необходимо, чтобы центр сгустка попадал в резонатор в момент изменения высокочастотного напряжения от тормозящего на ускоряющее, как показано штриховой синусоидой на рис. 2.14, т. е. необходимо обеспечить опережение напряжения на четверть периода относительно наводимого сгустком тока. Это возможно при чисто индуктивном характере входной проводимости предпоследнего резонатора, что имеет место на частоте ниже резонансной. Таким образом, для того чтобы электронный сгусток пришел в выходной резонатор наиболее плотным, необходимо настроить предпоследний резонатор на частоту f_рез более высокую, чем частота входного сигнала f_с.

Рис. 2.14. К пояснению влияния расстройки предпоследнего резонатора на улучшение группировки электронов

Рис. 2.15. Группировка электронов при идеальной форме модулирующего напряжения

3. Для увеличения КПД можно улучшить группировку электронов за счет использования высших гармоник высокочастотного напряжения. Для эффективного группирования всех электронов необходимо обеспечить в зазоре высокочастотное напряжение пилообразной формы (рис. 2.15). Такую форму можно получить, суммируя бесконечный ряд кратных гармонических составляющих с определенными амплитудами и фазовыми сдвигами между синусоидальными напряжениями различных частот.

В общем, задачу максимизации КПД многорезонаторногоклистрона в настоящее время решают с помощью ЭВМ на основе двумерной нелинейной теории каскадного клистрона, в которой учитываются влияние пространственного заряда, эффекты расслоения электронного потока и токооседания в резонаторах и трубах дрейфа.

Сочетание различных способов увеличения КПД, а также оптимизация расстояний между резонаторами, их добротностей и углов пролета позволили получить полный КПД каскадных клистронов 80 % и более.

2.4.3. Характеристики и параметры каскадных клистронов

Для каскадных клистронов наибольший интерес представляют амплитудные и амплитудно-частотные характеристики. Как уже отмечалось, многорезонаторный клистрон имеет высокий коэффициент усиления, но является узкополосным усилителем, если все резонаторы настроены на одну частоту.

Такой режим настройки называют синхронным, и для него справедлива формула (2.40). Коэффициент усиления максимален на начальном участке амплитудной характеристики и по мере увеличения входного сигнала быстро уменьшается из-за перегруппировки электронов. На рис. 2.16 показаны для сравнения амплитудные характеристики Р_вых(Р_вх) двухрезонаторного и многорезонаторного клистронных усилителей, рассчитанных на одинаковую мощность питания от источника постоянного тока. Так как значения КПД и коэффициентов усиления каскадных клистронов выше, то они имеют более крутую амплитудную характеристику в режиме слабого входного сигнала и несколько большую выходную мощность в режиме насыщения.

При взаимной расстройке резонаторов (рис. 2.17) полоса пропускания усилителя расширяется, но значение коэффициента усиления в максимуме падает так, что произведение ширины по-

Рис. 2.16. Амплитудные характеристики усилителей на пролетных клистронах: — – N > 2; ----- – N = 2

Рис. 2.17. Амплитудно-частотные характеристики усилителей на пролетных клистронах: 1 – синхронная настройка; 2 – расстройка резонаторов

лосы частот по трехдецибельному уровню спада коэффициента усиления на его максимальное значение

(Df)_{3 дБ}К_{у мaкс} = const (2.45)

остается приблизительно постоянным.

Ширина полосы частот(Df)_{3 дБ}обычно ограничена конструктивными факторами, поэтому выражение (2.45) применимо в основном для случаев, когда необходимо увеличить коэффициент усиления за счет сужения полосы частот, начиная от ее предельного значения, характерного для прибора данного типа.

Рассмотрим параметры обычных многорезонаторных клистронных усилителей. Каскадные клистроны, имеющие высокий КПД, используются в основном в качестве мощных усилителей, работающих в непрерывном или импульсном режиме. Клистроны непрерывного режима широко применяют в системах тропосферной и радиорелейной связи, в наземных станциях систем связи через спутники, в телевизионных передатчиках, в выходных каскадах радиолокационной аппаратуры, в установках промышленного нагрева. Выходная мощность этих клистронов находитсяв пределах от нескольких ватт до сотен киловатт для длин волн от верхней части миллиметрового до нижней части метрового диапазонов соответственно. При наличии элементов механической перестройки частоты всех резонаторов диапазон перестройки частоты современных клистронов непрерывного режима достигает 20 % от средней частоты.

Клистроны сантиметрового диапазона длин волн имеют гарантированный срок службы 5000 ч, а клистроны сантиметрового диапазона 1000 ч.

Телевизионные клистроны дециметрового диапазона(f = 0,47¸¸0,94 ГГц) имеют средний срок службы 50000 ч, выходные мощности 10 – 50 дБ, КПД до 65 % и массу~100 кг.