4.2.2. Многорезонаторный усилительный клистрон.

Для достижения лучшей группировки, а следовательно для повышения эффективности работы клистронов, выходной их мощности и коэффициента усиления, обычно, создают приборы такого типа с количеством резонаторов больше двух. Опишем вкратце работу таких многорезонаторных клистронов.

В принципе, возможен другой путь для решения проблемы - использование включенных в цепочку двухрезонаторных клистронов. Действительно, если на вход первого двухрезонаторного клистрона (рис.4.5) подан малый по величине сигнал, то и на его выходе амплитуда сигнала невелика. Если мы с выхода первого клистрона подадим сигнал на второй, под действием большего по величине сигнала в нем осуществится лучшая группировка пространственного заряда и получится большая мощность на выходе. Включив на выходе второго клистрона третий и т.д., мы будем получать все большие мощности.

Рис.4.5.

Произойдет это, правда, при выполнении того условия, что каждый последующий клистрон будет оптимизирован по своим размерам с учетом другого уровня входного сигнала. Основное отличие следующих за первым (входным) клистронов в длине канала дрейфа. Чем больше входная мощность, тем короче может быть сделан канал.

Такая схема включения клистронов имеет существенные недостатки:

1. Электронный пучок в первых клистронах уходит на коллектор практически неиспользованным (уносит большую кинетическую энергию), что снижает КПД всей системы.

2. Имеются пары резонаторов, которые хочется объединить.

3. Совершенно напрасно мы используем несколько пушек.

Напрашивается идея нанизать все резонаторы на один пучок.

Таким образом и получается многорезонаторный клистрон. Схематическое изображение многорезонаторного клистрона показано на рис.4.6.

В многорезонаторном клистроне группировка электронов усиливается при прохождении последовательности резонаторов. В результате в многорезонаторных клистронах удается получить существенное увеличение не только коэффициента усиления и мощности, но и КПД.

Дополнительное повышение КПД может быть достигнуто при использовании рекуперации. Суть этой процедуры состоит в уменьшении потерь энергии из-за бомбардировки электронами коллектора.

Электронный КПД прибора определяется следующим выражением

(4.1)

Здесь в числителе полезная выходная СВЧ мощность Р_вых, а в знаменателе - сумма всех мощностей, отбираемых от источника питания. Сюда входят, кроме Р_вых, мощности, выделяемые электронным потоком на коллекторе (Р_кол) и на других электродах

Рис.4.6.

(Р_эл-д) при их бомбардировке. Электронный КПД может быть увеличен, если удастся уменьшить два последних слагаемых в знаменателе рассматриваемого выражения. Величину Р_эл-д удается сделать пренебрежимо малой по сравнению с Р_кол при качественной «настройке» электронной пушки и системы магнитного удержания пучка. Уменьшить же мощность Р_кол, выделяемую на коллекторе, можно за счет рекуперации. Уменьшение этой мощности достигается в результате торможения электронов в коллекторной области прибора.

Для рекуперации используются специально сконструированные коллекторные системы. В простейшем варианте одноступенчатой рекуперации на коллектор подается задерживающее относительно выходного резонатора напряжение. При этом важно избежать отражения электронов в сторону входа, поскольку такой обратный поток электронов вредно сказывается на работе клистрона, приводя к формированию нежелательных обратных связей и к развитию паразитных колебаний пространственного заряда. Так как влетающие в коллекторную область электроны имеют разброс по продольным скоростям, полностью исключить бомбардировку коллектора невозможно.

В заключение рассказа о клистронных усилителях немного о зависимости выходной мощности от входной и о типичных параметрах клистронов. Зависимость Р_вых(Р_вх) в двухрезонаторном клистроне имеет вид, показанный на рис.4.7.

Рис.4.7.

Максимум этой характеристики соответствует условиям оптимальной группировки. Соответственно до максимума сгустки недогруппированы, а за максимумом перегруппированы, т.е. оптимальная группировка на спаде достигается в канале дрейфа пучка до входа во второй резонатор. В многорезонаторном клистроне после некоторого уровня входной мощности выходная мощность в широком интервале значений Рвх слабо зависит от мощности входного сигнала.

Типичная для многорезонаторного клистрона зависимость Р_вых(Р_вх) показана на рис.4.8.

Рис.4.8.

Такой вид характеристики Рвых(Рвх) определяет основные возможные режимы эксплуатации многорезонаторных клистронов. В случае, когда стремятся к максимальному усилению, работают на линейном восходящем ее участке. Здесь лучше всего передается амплитудная модуляция в СВЧ сигналах. Работа на плато имеет смысл, если стремятся передать частотную модуляцию и одновременно подавить амплитудную.

Работать на плато имеет смысл также, если стремятся получать максимальную выходную мощность.

Современные многорезонаторные клистроны являются весьма совершенными приборами, которые могут работать в очень широком интервале частот вплоть до миллиметрового диапазона, при напряжениях до нескольких сотен кВ и при токах до сотен ампер. Выходные мощности достигают в непрерывном режиме работы нескольких сотен кВт, а в импульсном - десятков МВт. КПД этих приборов с рекуперацией достигает значений порядка 80-90% , а их коэффициент усиления достигает 60 дБ