Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Такимобразом, фазовый угол00определяет, на сколько изменится фаза СВЧ-поля за время пролета t 0 •Закон изменения переменного напряжения на сетках играфик движения электронов в промежутке между резонаторамиnоказан на пространственно-временной диаграмме (рис.где х 3 . =l-13.2,расстояние между резонаторами).Синусоида в нижней части рисунка изображает переменноенапряжение между сетками входного резонатора. Цифрами наоси абсцисс отмечены моменты прохождения входного_резонатораразличными электронами.Для простоты рассмотрения будем считать, что электронымгновенно изменяют свою скорость в середине зазора первогqрезонатора (х =О, см.
рис.13.1).На рис.13.2ось времениtпроведена через точку х =О оси ординат, соответствующую середине зазора входного резонатора.График движения электронов в пространстве за резонаторомпредставлен прямыми линиями, тангенс угла наклона которыхк оси абсцисс пропорционален скорости движения электронов. Электроныпролетевшие. равсеткимоментыпеременного2, 4, 6ирезонато-прохождениянапряжениячерез нуль, движутся со среднейскоростьюv0 ,х8,т. е.они не изменяют скорости. Их называют невозмущенными.
ПрямыеX1,__ ____,,._,__,___,__,,___,L.....,~-~И11.---"--_,,._.__..,.__..:.___,.~_,_~~----'-оРис.13.2Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ366движения для электронов3, 7,прошедших зазор резонатора вовремя положительного полупериода, наклонены к оси абсцисспод большим углом, чем прямые для электроновфики для электронов1, 5,2, 4, 6 и 8.Грапрошедших зазор в тормозящий полупериод, составляют с осью абсцисс меньший угол.
Электроныи15,вылетевшие из зазора раньше, чем электроны соответ.:ственно2 и 6,но замедлившие свое движение, могут сблизитьсяв некоторый момент времени с этими электронами (плоскостьх3= l).Электроны3и7 ускоряютсяи в некоторый момент времени догонят соответственно электроны2и6в плоскости х 3соответствующей середине зазора выходного резонатора6= l,(см.рис. 13.1и13.2). Таким образом, при переходе от тормозящегополупериода напряжения к ускоряющему происходит группирование электроновоколо электрона1 и 3 около электрона 2, а электронов 5 и 8 6. Электроны 2 и 6 .являются центрами группировки, ацентрами разгруппировки.4и8-Напряжения И0 и И lm можно подобрать таким образом, чтобы электроны встречались в середине зазора выходного резона тора, т. е. в точке х =l.Представленная картина .являете.я идеализированной, поскольку в действительности электроны31, 2,в одной точке не встретятся, а сблизятся на минимальное расстояние.
Кроме того, с энергетической точки зрения существуетоптимальна.я форма сгустка. В этом случае будет происходитьнаибольшая передача энергии от электронов полю. Большаячасть электронов из потока сосредоточена в сгустках, которыебудут тормозиться СВЧ-полем. Значит, число электронов, передающих энергию полю, больше, чем забираrощих ее. Электроны4будут проходить второй резонатор в ускоряющий полупериоди будут отбирать энергию от СВЧ-пол.я.Напряжение И 2 в верхней части рис.13.2.являете.я напряжением между сетками второго резонатора.
Мощность колебаний, установившихся во втором резонаторе, превышает мощностьколебаний,подводимыхквходномурезонатору,т. е.происходит усиление СВЧ-сигнала по мощности. Во входномрезонатореполовинаэлектроновускоряете.я,аполовинатормозится СВЧ-полем, поэтому расход энергии источника усиливаемых колебаний близок к нулю. В выходном резонаторе процесс отдачи (торможения) энергии электронами преобладает,поскольку моменты существования ускоряющей разности потенциалов соответствуют интервалам между сгустками, где электро-Глава13.
Электровакуумныеприборы СВЧ с динамическим управлением367нов мало. Исходя из рассмотренного механизма группированияэлектронов нетрудно заключить, что при неизменных напряжениях И0 , И lm и при фиксированной частотеroпараметр группировки Х увеличивается с расстоянием х от входного резонатора.Параметр Х определяет изменение во времени конвекционноготокаiexв некотором сечении х пространства дрейфа.
Как показывает теоретический анализ процессов в клистроне, закон изменения тока выглядит следующим образом:iex = ~10 /(1 - Х cos rot;),(13.4)'10гдеток электронного потока в отсутствие модуляции,-угол пролета центрального электрона i-го уплотненияroti -> 1. Если Х > 1, то сгусток распадается на(i) уплотнений, при Х < 1 число i = 1.Формула для iex показывает, что изменение тока во временивнутри сгустка при Хрядносит периодический, но несинусоидальный характер.Если разложить эту периодическую функцию(13.4)в рядФурье, то ток можно записать в форме00iex = 10Гдеt2 -+ L 2I0 J п(пХ) cos [n(rot 2 - 8)],время, определяющее текущую фазу СВЧ-поля в выходном резонатореп-го порядка,ДОХ=(13.5)п-18-6,Jп(пХ)- функция Бесселя первого родаабсолютный угол пролета электронов от х=Оl.В ДРК входной и выходной резонаторы настраиваются на одну и ту же частотуro,поэтому наибольший интерес представляетпервая гармоника электронного тока.
При п= 1 и cos (rot 2 - 8) = 1амплитуда первой гармоники тока= 2I0J 1(X), где J 1(X) - функция Бесселя 1-го рода 1-го порядJ 1(X)ка.0,6IemlМаксимум амплитуды первойгармоники имеет место при Х== 1,84, когдаJ 1 (Х) =J1 (1,84) = 0,58(рис. 13.3).Рассмотрим некоторые параметры и характеристики ДРК. Однимиз важнейших параметров является мощность колебаннй в нагрузке вы-0,40,20,20,4Рис.13.3Раздел З. ЭЛЕКТРОВАКУУtу!НЫЕ ПРИБQРЫ368ходного резонатора Рвых• которая равна мощности колебаний Ре,развиваемой электронным потоком~(13.6)(13.7)где Р 2 -коэффициент взаимодействия электронов с полем выходного резонатора; И 2 т, 1 2 т -соответственно амплитуды напряжения и тока в выходном резонаторе.Как отмечалось выше, при Х= 1,84имеемJ 1 (X) = 0,58имощность(13.8)Для амплитуды напряжения на сетках второго резонатораможно записать(13.9)где Gэквз-эквив.алентная активная проводимость второго резонатора.Так;и:~у~; образом, уровень выходной мощности во многом определяется режимом модуляции электронного потока во входномрезонаторе.Электронный коэффициент полезного действия 1lэл усилительногоклистрона находится из соотношения(13.10)В реальных условиях И 2 т<И0 , а Р 2< 1,но если взять предельные недостижимые значения И2 т = И0 и Р 2 = 1, то 1le = 11; макс == 0,58.Таким обР,азом, КПД ДРК не может пр~1ццшать58%..Коэффициент усиления клистрона порвыхмощности рассчитывается по формулеКр:=10 lg РвыхfРвх[дБ].
Коэффициент усиления, как и выходная мощность Р вых• зависит от режима .работы клистрона. Амплитудная характеристика Р выхРис.13.4на рис.13.4.= f(P вх)представленаГлава13.Электровакуумные приборы СВЧ с динамическl'lм управлением369Из приведенных выше формул следуют соотношения длявходной и выходной мощности и функциональная связь междуэтими величинами:Рвх(И1т)2= - -2-Gэквl (Gэквl -эквивалентная активная проводи-масть первого резонатора) и ХРвых - ре= ~2IoJ1(X)И2mР вых -М0 0~И1т= 2 u 00 ,0а= ~2IoJ1(X)a- = 2~2J1 (Х)/Gэкв2• т.е.Iem12то Рвх2экв2Jf (Х) = f(X 2).(13.11)Таким образом, амплитудная характеристика Р вых(см.
рис.-Х2,=13.4) описывается зависимостьюJf= f(P вх)(Х) = f(X 2 ), максимум которой, согласно приведенному выше анализу, соответствует значению Х =1,84. Увеличение Р выхна восходящем участкехарактеристики при возрастании Р вх обусловлено все более плотной группировкой электронов по мере роста амплитуды входногосигнала. Падение Р вых при больших значениях Р вх на нисходящемучасткехарактеристикиобусловленоперегруппировкойэлектронного потока, т. е. сгустки в этом случае формируются доприхода их во второй резонатор и при дальнейшем движении начинают расплываться из-за разных скоростей электронов, входящих в сгусток.Форма волны конвекционного тока богата гармоническимисоставляющими, поэтому ДРК может эффективно работать вкачестве умножителя частоты.
В этом случае выходной резонатор настраивается на одну из высших гармоник частоты входного сигнала. ДРК обладают малыми КПД, коэффициентомусиления и выходной мощностью. Существенно лучшие характеристики имеют многорезонаторные клистроны, в которых реализуются ус.11овия многокаскадной группировки. Так, например, трехрезонаторный клистрон, имеющий входной резонатор, промежуточный ненагруженвый и выходной резонаторы, можно представитькак совокупность двух эквивалентных ДРК, сформированных соответственно входным и выходным и промежуточным и выходнымрезонаторами.
При многокаскадной группировке удается более оптимально сгруппировать электронный поток и поднять теоретический КПД в трехрезонаторном :клистроне до73%.Многорезона-Раздел3703.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫторные клистроны до сравнению с двухрезонаторными способны усиливать существенно более слабые сиrналы. Уро~ень Р выхв таких приборах может достигать сотен киловатт в непрерывном режиме, реальные значения КПДтов (по сравнению с~15 ... 20%до-40и более проценв ДРК), коэффициент усиления30 ...
50 дБ.13.2.2. Отражательныеклистроны.Эти приборы в основном используются в качестве маломощных генераторов с электронной перестройкой частоты. В ниходин и тот же резонатор осуществляет и модуляцию электронного потока по скорости, и отбор энергии. Это достигается тем,что модуляция по скорости происходит при прямом движенииэлектронов, а отбор энергии от сгруппированного потока реализуется при обратном движении за счет отражения электроновпостоянным тормозящим полем специального электрода (отражателя).
Отражательные клистроны (ОК) работают вплоть досубмиллиметрового диапазона длин волн.Устройство.Стационарныепроцессыдвиженияэлектронов.Схематическое устройство ОК приведено на рис.гдецифрами обозначены следующие элементы:ускоряющий электрод,3-резонатор,4-1-13.5, а,катод, 2 -отражатель. На ускоряющий электрод и резонатор подается постоянный положительный потенциал (до нескольких сотен В), а на отражательотрицательный потенциал порядка Uoтri:::::-(100".200) В.-Распределение постоянных потенциалов внутри ОК в направлениигч==rраж~тельlг-1'!иивыхиотр+б)а)Рис.13.5Глава13.Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением371от катода к отражател:Ю дано на рис. 13.5, б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
