4.2.3. Двухрезонаторный клистрон-генератор.

Рассмотрим возможности создания генератора на основе двухрезонаторного клистрона. Схема такого прибора показана на рис.4.9.

Здесь коаксиалом введена связь между резонаторами. Вывод мощности из выходного резонатора осуществляется еще одним коаксиалом (на рисунке не указан).

Связь между резонаторами должна быть положительной, т.е. такой, при которой малые флуктуации поля из зазора второго резонатора передаются на вход первого и там вызывают модуляцию скоростей электронов в такие моменты времени, что сформировавшиеся в результате сгустки электронов поступают во второй резонатор, когда там тормозящее для этих сгустков электрическое поле. В этом случае малые исходно флуктуации будут усиливаться и в результате нарастут интенсивные колебания во втором резонаторе. Сформулированное условие положительной

Рис.4.9.

обратной связи накладывает определенные требования на время пролета (угол пролета) электронов между первым и вторым резонаторами. Поясним выбор оптимального угла пролета, воспользовавшись рис.4.10, на котором показаны изменения напряжений на зазорах первого (U₁) и второго (U₂) резонаторов. Флуктуации поля передаются из второго резонатора в первый с задержкой по времени (t) и по фазе ( =t). Вспомним, что сгустки образуются на входе второго резонатора вокруг электронов, пересекающих зазор первого резонатора в моменты смены полярности поля от тормозящего к ускоряющему, т.е. в фазах 0, 2, 4 и т.д. Чтобы сгусток попал в тормозящую фазу второго резонатора, оптимален угол пролета

Рис.4.10.

, где n=0,1,2... Выражение можно представить немного в другом виде:

(4.2)

Разным n соответствуют разные ускоряющие электроны напряжения U₀ и дискретные зоны генерации. Чем больше n, тем больше время пролета, а значит тем меньше должно быть это напряжение. Отсюда следует, что при заданной частоте в каждой зоне генерации должно существовать оптимальное значение напряжения, при котором выходная мощность максимальна. Но особенностью системы двух связанных резонаторов является существование двух видов колебаний на близких частотах (₁ и ₂). Поэтому в каждой зоне генерации должны существовать два близко расположенных максимума выходной мощности. Типичная зависимость выходной мощности от ускоряющего электроны напряжения показана на рис.4.11.

Рис.4.11.

Одновременно с изменением выходной мощности в каждой зоне при изменении напряжения происходит небольшое изменение частоты, которое принято называть электронным смещением частоты. Это смещение частоты связано с изменением фазы наведенного во втором резонаторе тока по отношению к напряжению U2 на

зазоре этого резонатора. Если сгусток электронов приходит в середину ВЧ зазора в момент, соответствующий максимуму тормозящего напряжения на нем, это означает, что резонатор имеет чисто активную проводимость. Если сгусток опережает по фазе напряжение, наведенный ток имеет активную и реактивную составляющие. Реактивный ток имеет емкостной характер. Это эквивалентно подключению дополнительной емкости параллельно резонатору. Если же наведенный ток отстает по фазе от напряжения, то реактивный ток имеет индуктивный характер и это соответствует подключению индуктивности параллельно резонатору.

Условием самовозбуждения двухрезонаторного клистрона-генератора является не только соответствующий подбор величины ускоряющего электроны напряжения, чтобы попасть в одну из зон генерации. Ток электронного пучка должен быть выше некоторого пускового значения I_пуск. В противном случае нарастание амплитуды колебаний невозможно, так как разнообразные потери превышают по величине возможный прирост, определяемый

положительной обратной связью. Величина I_пуск зависит от конструктивных особенностей генератора, номера зоны генерации и положения внутри этой зоны.

КПД и мощности рассматриваемых клистронов-генераторов близки к

соответствующим характеристикам двухрезонаторного клистрона-усилителя.