73

Работа 8

Режимы генерации СВЧ колебаний в отражательном клистроне

Цель работы

I. Определение зон генерации СВЧ колебаний по напряжению на отражателе.

II. Расчет размеров резонатора.

III. Оценка диапазона механической перестройки частоты при изменении ширины зазора резонатора.

Исходные представления и расчетные соотношения

Отражательные клистрон относится к приборам с кратковременным взаимодействием электронного потока с СВЧ полем в резонансных колебательных системах. В таких приборах используется принцип динамического управления электронным потоком, основанный на скоростной модуляции потока и группировании электронов в плотные сгустки, взаимодействующие с СВЧ полем. Отражательный клистрон является маломощным генератором гетеродинного класса и применяется в новейших разработках в области частот от 0,8 до 600-800 ГГц. Основными достоинствами отражательного клистрона являются простота изготовления, высокая надежность и стабильность характеристик и параметров. К достоинствам такого СВЧ генератора следует отнести возможность простой реализации механической и электрической перестройки частоты, что особенно важно при проведении спектральных СВЧ измерений.

Основными элементами конструкции отражательного клистрона являются источник электронов с нагреваемым катодом, резонатор и отражатель(рис. 8.1). Поскольку резонатор является высокодобротной колебательной системой, в зазоре между сетками резонатора возникает флуктуационное электрическое поля, достаточно большой интенсивности на собственной

74

частоте резонатора. В результате, под действием этого поля в зазоре между сетками резонатора происходит начальная модуляция скорости электронов. В пространстве между сетками резонатора и отражателем в тормозящем электрическом поле происходит преобразование модуляции электронов по скорости в модуляцию электронного пучка по плотности. При определенном соотношении между напряжениями на резонаторе и отражателе для заданных размеров тормозящей области клистрона реализуются условия для передачи энергии от электронного пучка СВЧ полю резонатора, в результате чего существенно возрастает интенсивность поля между сетками резонатора и происходит генерация электромагнитных колебаний. Обратная связь в клистроне как генераторе СВЧ колебаний, обеспечивается модулированным по скорости электронным пучком, возвращающимся в зазор между сетками резонатора. В такой конструкции клистрона обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, при котором для генерации СВЧ колебаний существуют определенные значения пускового тока. Вывод энергии осуществляется как

спомощью петли связи, так и отверстия в резонаторе, которые соединяются

сволноводным трактом или с коаксиальной линией. Необходимые для расчетов размеры областей резонатора и прикладываемые напряжения представлены на рис. 8.1.

Для обеспечения генерации СВЧ колебаний в широкой полосе частот применяют механическую перестройку частоты отражательного клистрона путем изменения размеров резонатора. Обычно используют перестройку частоты путем изменения ширины зазора резонатора, в котором сосредоточено СВЧ электрическое поле. Ширину зазора изменяют с помощью гибкой мембраны, при этом увеличение ширины зазора приводит к уменьшению эффективной емкости резонатора и соответственно к увеличению частоты генерации. При таком способе перестройки частоты изменяются время и угол пролета электронов зазора резонатора, которые