4.2. Клистроны.

4.2.1. Двухрезонаторный клистрон-усилитель.

С точки зрения возможного продвижения в область коротких длин волн гораздо перспективнее так называемое динамическое (а не статическое, как в лампах типа триодов и тетродов) управление электронным потоком, реализованное в клистронах.

Идея нового типа приборов была впервые предложена и разработана енинградкой Арсеньевой-Гель и ее мужем Хайлем в 1932-35 гг. Принципиальная схема клистрона была ими опубликована в немецком журнале Zeitshrift fur Fizik. Практически была реализована эта идея братьями Вариан в Стенфордском университете США в 1937-39 гг и ошибочно связывается с их именем (“100-долларовая идея”). Название прибора происходит от греческого “клизо” - прибой и было предложено профессором античной литературы того же университета Френкелем.

Схема пролетного двухрезонаторного клистрона показана на рис.4.3.

Вусилительном клистроне входной сигнал подается в первый резонатор, а выходной снимается со второго. Электроны пучка, который пронизывает оба резонатора и осаждается на коллекторе, ускоряются в пушке до энергииeU₀. Предварительное ускорение позволяет добиться того, что время пролета электронов в резонаторах много меньше периода колебаний, даже на колебаниях с длинами волн миллиметрового диапазона. В первом резонаторе под действием переменного напряжения, связанного со входным сигналом происходит

Рис.4.3.

модуляция скорости пролетающих электронов. Из-за того, что зазор между сетками мал, группировки электронов здесь практически не происходит.

Промодулированный по скорости поток электронов по выходе из первого резонатора попадает в соединяющую его со вторым резонатором металлическую трубу, в канал дрейфа, где отсутствуют статические и переменные поля. Здесь мы так же, как и в случае триода, пренебрегаем полями пространственного заряда, что оправдано, во всяком случае, для не очень мощных приборов. Чтобы исключить попадание в трубу СВЧ сигналов из резонаторов ее диаметр выбирается настолько малым, чтобы рабочая длина волны удовлетворяла соотношению , где- критическая длина волны для этого круглого волновода. Исключив проникновение СВЧ полей сквозь трубу, мы избавляемся не только от их действия на электроны, но и от вредных обратных связей между выходными и входными СВЧ цепями.

В канале дрейфа модуляция электронов по скорости преобразуется в модуляцию по плотности из-за группировки электронов в сгустки.

Рис.4.4.

Поясняет эту группировку пространственно-временная диаграмма на рис.4.4. Из-за разной скорости движения электронов, прошедших в разных фазах ВЧ поля в первом резонаторе на некотором расстоянии L от него электроны группируются в сгустки

относительно электронов, прошедших через первый резонатор при нулевых ВЧ полях в моменты, когда поле меняется от тормозящего к ускоряющему. За этой плоскостью сгустки начинают расходиться. Подбором амплитуды переменного напряжения на зазоре первого резонатора, величины ускоряющего электроны статического напряжения и длины канала их транспортировки можно добиться того, чтобы максимальная группировка осуществлялась на входе во второй резонатор. Описанная модуляция не требует затрат энергии, если электроны не оседают на сетках и если в первом резонаторе отсутствует модуляция электронного пучка по плотности.

Как и в СВЧ триоде, если выходной резонатор настроен на частоту входного сигнала, он имеет чисто активное сопротивление и наведенный в нем ток дает поля в межсеточном зазоре, сфазированные таким образом, что максимум тормозящего поля совпадает с максимумом конвекционного тока, т.е. максимально тормозящее ВЧ поле во время пролета сгустков через этот резонатор. В такой ситуации сгустки тормозятся и усиливают ВЧ поля в резонаторе, а следовательно и выходной ВЧ сигнал. Усиливается, как и в триоде, сигнал на частоте входного сигнала.

Достижимая группировка ограничивается полями пространственного заряда в сгустках, которые приводят к расталкиванию электронов. Для сведения к минимуму поперечного расталкивания в клистронах используются направленные вдоль оси магнитные поля. Однако, продольному расталкиванию эти поля не мешают.

В двухрезонаторном клистроне, где группировка происходит в результате слабой модуляции скоростей электронов под действием малого входного ВЧ сигнала в первом резонаторе, группировка электронов в сгустки не очень хороша. Поэтому двухрезонаторные клистроны-усилители имеют сравнительно небольшой коэффициент усиления до 15 дБ. Полоса частот такого прибора с добротными резонаторами не превышает доли процента от средней частоты. Невелики получаемые с их помощью мощности (ориентировочно до десятков Вт в непрерывном режиме). КПД таких приборов обычно, менее 20 %.

Таким образом, единственное существенное преимущество двухрезонаторных клистронов по сравнению с триодами – возможность усиления в них коротковолновых СВЧ сигналов. По КПД эти приборы уступают триодам. Уступают они триодам также и по достижимому уровню выходной мощности.