Лекция 10. Пролетные клистроны

Электроника СВЧЛекция №10. Пролетные клистроны1. Классификация электровакуумных приборов СВЧВ первой части курса были в общем виде рассмотрены основныефизические процессы, использованные при создании электровакуумныхприборов СВЧ, а во второй – более подробно изучим принцип действия,характеристики, параметры и конструкции современных приборов этогокласса.В таблице приведена классификация основных типовэлектровакуумных приборов СВЧ, используемых в радиоэлектроннойаппаратуре различного назначения, разделенных по длительностивзаимодействия электронов с СВЧ электромагнитным полем, взаимномунаправлению используемых постоянных электрического и магнитного полейи выполняемым функциям:Электровакуумные приборы СВЧКратковременногоДлительноговзаимодействиявзаимодействияО-типМ-типО-типМ-типпролетныйлампа бегущей амплитронклистронволныотражательныйлампамагнетронклистронобратнойволныВыполняемыефункцииУсилительГенераторНиже приведены основные функциональные узлы электровакуумныхСВЧ приборов:Наименование узлаВыполняемые функции1.

Катодно-подогревательныйИсточник электроновузел (катодный узел)2. Электронная пушкаФормирование электронного пучка сзаданными параметрами3. Магнитная системаа) Фокусировка электронного пучкадля эго транспортировке в пролетномканале (приборы О-типа)б) Создание в пространствевзаимодействия магнитного поляперпендикулярного направлениюэлектрического поля (приборы Мтипа)4. Высокочастотный (анодный)блокНаименование узла5.

Вывод энергии (входной,выходной)6. Коллектор7. Система охлажденияСоздание условий длявзаимодействия электронов свысокочастотным электромагнитнымполемВыполняемые функцииОбеспечение связи высокочастотногоблока, находящегося вовнутривакуумной полости прибора, свнешней нагрузкойСбор электронов, отдавших частьэнергии высокочастотному полюОбеспечение температурного режимаработы прибораПервым электровакуумным прибором, предназначенным дляиспользования в СВЧ диапазоне, был пролетный клистрон, созданный в1938 г. братьями Вариан.

С него и начнем более подробное рассмотрение.2. Конструктивная схема и принцип действия пролетныхклистроновПролетные клистроны – это электронно-лучевой прибор скратковременным взаимодействием электронов с высокочастотнымэлектрическим полем. Пролетные клистроны подразделяются надвухрезонаторные и многорезонаторные. В связи с тем, что пролетныеклистроны способны развивать очень большие выходные мощности, аименно в импульсном режиме до сотен МВт в дециметровом диапазоне длинволн, до десятков МВт в сантиметровом диапазоне и до сотен кВт вмиллиметровом, а в непрерывном режиме до единиц МВт, сотен кВт идесятков кВт, соответственно, они нашли широкое применение в качествевыходных усилителей аппаратуры СВЧ различного назначения.Схема устройства и включения пролетных клистронов приведена нарис.10.1.Рассмотрение начнем с двухрезонаторных усилительных клистронов, азатем перейдем к многорезонаторным клистронам, получившим наибольшеераспространение.Первый резонатор двухрезонаторного клистрона предназначен дляскоростной модуляции электронного потока, созданного электроннойпушкой, и называется иногда группирователем.

Второй резонатор служит дляотбора высокочастотной энергии от промодулированного по плотностипучка. Металлическая труба, расположенная между двумя резонаторами иобладающая свойствами запредельного волновода, экранируетпространство дрейфа от внешних постоянных и переменных электрическихполей. Именно в этой трубе происходит преобразование скоростноймодуляции в модуляцию электронного потока по плотности.Поскольку, например, для круглого волновода область отсечкиначинается при выполнении условия> 3,41 ,то выбор поперечных размеров трубы дрейфа во многом определяетсярабочим диапазоном частот клистрона.При рассмотрении работы клистрона следует учитывать толькопродольное постоянное магнитное поле, которое применяется дляфокусировки электронного потока.Принцип действия двухрезонаторного пролетного клистрона можноописать следующим образом.

Немодулированный электронный поток,выходящий из катода и сформированный электронной пушкой, поступает впервый резонатор, между сетками которого имеется продольноеэлектрическое поле сверхвысокой частоты. Это поле производит скоростнуюмодуляцию электронного потока. Двигаясь далее в пространстве дрейфа,электроны постепенно образуют сгустки. Процесс образования сгустковпроиллюстрирован на рис. 10.2 с помощью пространственно-временныхдиаграммам.Рис.10.2. Пространственно-временная диаграмма движения электроновв двухрезонаторном клистронеЭлектронные сгустки поступают во второй резонатор с частотой,соответствующей частоте входного сигнала, и наводят в нем ток,протекающий по внутренней поверхности стенок.

Появляющееся междусетками резонатора электрическое поле тормозит электроны, в результатечего кинетическая энергия, полученная электронами от источникаускоряющего напряжения , преобразовывается в энергию СВЧ, котораячерез вывод энергии поступает в нагрузку. Электроны, прошедшие череззазор второго резонатора, оседают на коллекторе и рассеивают на нем в видетепла оставшуюся кинетическую энергию.Таким образом, основными отличиями клистрона от обычныхрадиоламп являются:1) Отказ от электростатического управления электронным потоком ииспользование динамического управления, основанного на скоростноймодуляции и группировке электронов; время пролета в пространстведрейфа полезно используется при работе прибора.2) Использование принципа наведения тока в выходном зазоре иразделения функций выходного зазора и коллектора электронов.3) Применение полых резонаторов, соединенных с входным и выходнымзазорами, являющимися СВЧ-устройствами.4) Выделение катода из высокочастотной цепи и расположениеускоряющего промежутка перед высокочастотным управляющимзазором.Как и всякий усилитель, пролетный клистрон может быть преобразованв автогенератор путем введения положительной обратной связи междувходным и выходным резонаторами.

Если же выходной резонатор настроитьна частоту, кратную частоте входного сигнала, то усилитель может бытьпреобразован в умножитель частоты.Для повышения коэффициента усиления и выходной мощности нашлиширокое применение многорезонаторные клистроны, имеющиепромежуточные резонаторы, расположенные между входным и выходнымрезонаторами и не связанные с нагрузкой. Кроме того, для повышениявыходной мощности и обеспечения большей широкополосности присохранении величины ускоряющего напряжения используются такназываемые многолучевые клистроны, объединяющие в единуюконструкцию несколько клистронов.3.

Кинематическая теория группировки электронов прииспользовании преобразования методом дрейфаНа рис.10.3 представлена идеализированная схема двухрезонаторногоклистрона входной и выходной зазоры которого выполнены в видеидеальных плоских сеток, прозрачных для электронов и непрозрачных дляэлектрического поля. Расстояния между сетками зазоров равнои .

Электроны ускоряются постоянным напряжениемсоответственнои двигаются далее по инерции – все сетки по постоянному току соединенымежду собой. Модуляция электронов по скорости в первом зазорепроизводится высокочастотным напряжением, амплитуду которогополагаем много меньше ускоряющего напряжения( ≪ ).Рис.10.3. Идеализированная схема двухрезонаторного клистронаОбозначим через момент времени, в который рассматриваемыйэлектрон проходит центр первого зазора. Тогда мгновенное значениемодулирующего напряжения на первом зазоре=≪1Скорость электронов на выходе из первого зазора определяетсяуравнениями скоростной модуляции= +="! $#="#$=22– коэффициент взаимодействия электронного пучка с полемпервого зазора, определяемый через угол пролета первого зазора % , где% =&'#().Поскольку если не учитывать действие пространственного зарядадвижение электронов будет чисто инерционным, то электрон, прошедшийпервый зазор в момент времени , прибудет во второй зазор в моментвремени=+,+где – длина пространства дрейфа между центрами первого и второгорезонаторов.=+*1 ++,≈+−Умножая обе части равенства на угловую частоту ω, получаемОбозначим / =где % =&()& (#()$−==& 0# 1#() 1)−=%0# 1#1)– параметр группирования,– время пролета пространства дрейфа для невозмущенного впервом зазоре электрона.Таким образом, параметр группирования / пропорционален углупролета в пространстве дрейфа и отношению эффективного модулирующегонапряжения на первом зазоре () к ускоряющему напряжению.Тогда фаза прибытия электрона во второй зазор связана с фазойпрохождения им первого зазора следующим образом:−% =−/.На рис.10.4 приведен график, построенный по этому уравнению длятрех значений параметра группировки /.Рис.

10.4. График зависимости прибытия электрона во второй резонатор отфазы прохождения первого резонатора пролетного клистронаПри / = 0, т.е. в отсутствие высокочастотного поля на первом зазоре,имеем−% =, т.е. фаза прибытия электронов во второй зазорлинейно связана с фазой прохождения этими же электронами через первыйзазор, и, соответственно, группировка электронов отсутствует.≠0и≠ 0, то при конечной величине % параметрЕслигруппировки / отличен от нуля. Зависимость фазы прибытия во второй зазорот фазы прохождения первого зазора перестает быть линейной, что означаетпоявление периодических уплотнений в электронном потоке или егогруппировка. Из графика видно, чем больше величина /, тем сильнеезависимость фазы прибытия отличается от прямой линии.Далее перейдем к рассмотрению формы волны конвекционного тока имаксимального КПД двухрезонаторного клистрона.4.