Шишкин Г.Г., Шишкин А.Г. - Электроника (1006496), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Если не учитыватьСВЧ-поля в резонаторе, т. е. рассматривать условия, когда клистрон не возбужден, то до управляющего электрода (УЭ) электроны ускоряются, от УЭ до резонатора, включая его сетки,электроны летят с постоянно·й скоростью v0 = J~ И0 , а в пространстве между резонатором (Р) и отражателем (О) они тормозятся и в плоскости х=хмакс останавливаются и начинают свое.движение в обратном направлении.Принцип действия.
Поток электронов, проходящий через сетки резонатора в силу теплового разброса скоростей электронов, вылетающих из катода, имеет флуктуирующую (шумовую) составляющую vш относительногде vш-v0 ,т. е. скорость электроновv = v 0 + vш,усредненная шумовая (флуктуирующая) составляющая скорости. Вследствие флуктуаций электронного потока врезонаторе наводятся слабые колебания, т. е. на сетках резонатора из-за тепловых флуктуаций всегда существуют слабые колебания с частотой, близкой или равной собственной частоте резонатора.
Резонатор из широкого спектра флуктуаций выделяет только те частоты, которые входят в его полосу пропускания.В результате процессов, которые будут описаны ниже, в клистроне устанавливаются при заданных И0 и И отр стационарныеСВЧ-колебания. Аналогично происходит возбуждение и другихтипов ЭВП СВЧ-генераторов: ЛОВО, магнетронов и др.В установившемся режиме поток электронов, пролетающихмежду сетками резонатора, подвергается: воздействию переменного электрического поля.Подобно ДРК скорость электронов в ОК изменяется по законуv = v 0 (1 +Мsin rot),т. е.
как и в ДРК происходит модуляция электронов по скорости. Пролетев резонатор электроныдвижутся в тормозящем поле отражателя, теряя скорость до нуля в плоскости, где равна нулю мгновенная разность потенциалов (И 0+ Ит sin rot) + (-Иотр) =О (Ит -амплитуда СВЧ-поля насетках резонатора). После остановки около плоскости х=хмаксэлектроны начнут свое движение назад к резонатору. Электроны, пролетевшие резонатор в течение той половины периода,когда переменное напряжение между сетками резонатора (середина зазора) изменялось от максимума к минимуму, образуютпри возвращении сгусток.
В отличие от ДРК в ОК центром сгу-Раздел3723.ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫстка является электрон, пролетевший резонатор, когда 1 мгновенное, значение переменного напряжения равно нулю при изменеuии от положительного к отрицательному. Это связано стем, что вектор скорости возвращающихся электронов противоположен по направлению вектору скорости электронов~ ,цвижущихся' от катода. Подбором И0 и И отр можно добиться того, чтобы сгусток электронов пролетал сетки резонатора в максимально тормозящем СВЧ-поле, т. е. когда СВЧ-потенциал в серединезазора был бы максимально положительным (рис.13.6).Приизменении И 0 или Иотр глубина проникновения электронов впространство отражателя будет различной.
Например, уменьшение IИотрl приводит к тому' ЧТО Хмакс будет больше и ПЛОСRОСТЬостановки электронов приближается к отражателю и, следовательно,' время движения электронов от резонатора к отражателю и назад будет возрастать. В результате электронный сгустокхПлоскость отражателяLt--------------------э~t'п=2Рис.13.6Глава13.Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением373может попадать в ближайший тормозящий период, когда п =О,а время пролета невозмущенного электрона tпр = 3/4Т при напря-жении На отражателе Uотр = U~~b ИЛИ же В СJi:едуЮЩИЙ ТОРМОЗЯЩИЙ период, когда tпр= 3/4Т + пТ = (п + 3/4)Т, а п = 1, 2 ... (значе~ние п представляет собой номер зоны генерации).
На рис.13.6иотр = и~~ь для п =о, иотр = и~~ь для п = 1 и иотр = и~~ь для п = 2.Сгустки, попадая в тормозящее СВЧ-поле, передают ему энергию и поддерживают колебания в резонаторе при отводе ее в нагрузку. Зависимость мощности в нагрузке Р н для рассмотренных зон генерации приведена в нижней части рис.13.6.Ток в отражательном клистроне можно вычислить, пользуясь, как и в ДРК, законом сохранения заряда. Еслиie -конвекционный ток в плоскости, проходящей через середину зазорарезонатора, аI 0 - ток электронного потока в отсутствие модуляции, то в результате расчетов можно получить, что при i = 1iex = !0 /(1+Хcos0),где0=mt -фаза переменного напряженияв момент вылета электронов из резонатора.
Это выражение отличается от формулы(13.4)для ДРК лишь знаком передcos,чтообъясняется .сдвигом центра группирования в. ОК на 1t по сравнению с ДРК. Следовательно, спектральный состав электронноготока в ОК не изменяется по сравнению с ДРК, и все соответствующие выводы, сделанные для ДРК, справедливы и для ОК.Условия генерации. Эти условия, как и для любого автогенератора, определяются балансом фаз и балансом мощности.
Физически баланс фаз в ОК выполняется при условии, что сгустокэлектронов приходит от отражателя в середину между сеткамирезонатора в максимуме тормозящего поля, т. е.еопт = mtпp =2;(п + ~ )т = 2п( п + ~ }Как видим из этого выражения, условие генерации существует для различных зон генерации (различные значения п).Условие баланса фаз на основе анализа эквивалентной схемы(рис.13. 7) можнозаписать в виде равенства реактивных проводимостейВе+ВР=О,где ве, вр-соответственно реактивная проводимость электронного потока и резонатора.Раздел З.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ374Угол--1---,1--,11111Gн11в.11_ _ _Jj1Gel_1_J1__ Jсит ОТ И 0 И Иотр• И ПОЭТОМУ,изменяяэтинапряжения,можно получить раздичныеугл~1 пролета; соответствующие разным величинам п=Рис.пролета еопт завио,1, 2, 3, ... ,=посколькуменяется tпр·13.7Сгруппированные электроны, возвращаясь к сеткам резонатора, тормозятся СВЧ-полеми тем самым передают энергию этому полю, поддерживая колебания в резонаторе.
Сгусток электронов наводит в резонатореток, амплитуда которого, так же как и в ДРК (см. выражение(13. 7)), равна I 2 m = 2PI0J 1 (X). (Здесь индекс у Р опущен, поскольку в ОК только один резонатор.) Мощность, передаваемаяэлектронным потоком резонатору, равна Ре=PI0 U mJ 1(Х). Частьэтой мощности (Р п> расходуется на восполнение потерь в самомрезонаторе, а остальная мощность (Р н> отводится в нагрузку:Ре=Рп+Рн.При проводимостях потерь Gп и нагрузки Gн мощности потерьи нагрузки представим соответственно в виде Рп = (И~Gп)/2,Рн = (И~Gн)/2 (см.
рис.=И~ (Gп13.6, внизу). При этом Ре= PI0 ИmJ 1 (X)=+ Gн)/2. Последнее выражение является условием баланса мощности в ОК. Если ввести эквивалентную активную проводимость электронного потокаGe(см. рис.13. 7),то условие баланса мощностей можно записать в виде равенства нулю суммыактивных проводимостейGe + Gп + Gн =О,при этомGeимеет отрицательное значение.Электронная настройка частоты. В ОК суЩествуют различныезоны генерации не при фиксированных И 0 и Иотр• а в определенном диапазоне значений И 0 или Иотр· Это связано с тем, что приизменении: ускоряющего напряжения и напряжения на отражателе происходит также и изменение частоты колебаний.
Такоеявление называется электронной настройкой частоты. Обычно в ОКчастоту изменяют за счет регулировки напряжения на отражателе, так как в его цепи ток не протекает, а значит, и нет потеримощности при электронной настройке. Электронная настройкаГлава13.Электровакуумные приборы СВЧ с динамическим управлением375частоты присуща всем генераторам на основе ЭВП СВЧ с динамическим управлением: генераторы ЛОВО, магнетроны и другие генераторы на приборах типа М, и т. д.Рассмотрим механизм этого явления в ОК.
Формально, из ус-ловия баланса фаз еопт=rotпp=27t( п + ~ ) видно, что праваячасть выражения является константой· п.Ри фиксированных п,следовательно, при изменении И0 или И отр' когда изменяетсяtпр' для выполнения условия баланса фаз соответствующим образом должна изменяться частотаro,т. е.
если tпр растет (приуменьшении 1Иотр1), то величина ro должна возрастать. Эту ситуацию можно объяснить следующим образом. При уменьшенииIИотрl относительно IИотрlопт' соответствующего центру зоны генерации, когда Рн = Рнмакс (рис.13.8),электроны образуют сгусток, проникая ближе к отражателю, т. е. хмакс возрастает, следовательно, электроны будут находиться в пространстве отражателя большее время, и сгусток формируется, не долетев дорезонатора. В этом случае напряжение на сетках резонатора будетопережать по фазе токieна некоторый угол, и реактивное сопротивление резонатора будет иметь индуктивный характер.
Однакопоскольку сгусток формируется раньше прилета в резонатор, тоток (между сетками резонатора) в электронном потоке опережаетп=Оп=10,5P~~lc1 --+Лrо~~~~+-'"IE--l-~~~-+-->i.-+~~~-+-''>-+-+-+-+~--1rooиотр2ЛОJ..!ли~;~-ЛrоРис.13.8Раздел3763 . .ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕПРИБОРЫнапряжение, поскольку сгусток сформировался раньше прилетав резонатор, т. е. электронная Проводимость носит емкостной характер. В результате изменение индуктивной проводимости гасится равным, но противоположным по знаку изменением емкостной проводимости, и сумма реактивных проводимостей опятьоказывается равной нулю.
Однако резонансная частота всей системы станет меньше, поскольку возросли индуктивность и емкость в эквивалентной схеме ОК. При увеличении IИотрl относительно IИотрlопт будет наблюдаться аналогична.я картина, толькопроводимость резонатора будет носить емкостной, а электроннаяпроводимость-индуктивный характер, и частота возрастет.Следует отметить, что как в том, так и в другом случаях амплитуда на сетках резонатора станет меньше, поскольку добротность резонатора упадет, так как работа происходит на частотах, отличающихся от резонансной частотыro0 •Оптимальныйрежим соответствует случаю, когда проводимость резонатора иэлектронного потока являются чисто активными и частота генерируемых колебанийro = ro0 •С увеличением номера колебаний (номера п) время пролетаэлектроноввозрастаетна соответствующеепчислопериодов.Для того чтобы электроны окончательно сформировались в сгустки в моменты их прихода в резонатор, амплитуда колебанийна сетках резонатора будет меньше, поскольку сгустки должныформироваться на протяжении большего времени.
Допустимыепределы изменения частоты,называемые диапазоном электронной настройки частоты, ограничиваются значениями напряженияна отражателе, при которых мощность колебаний уменьшаетсяне более чем в два раза по сравнению с ее максимальным значением в центре области (см. рис.13.8).Анализ показывает, чтовеличина диапазона электронной настройки возрастает с увеличением10 ,с уменьшением И0 и при возрастании п. Такая зависимость связана с тем, что увеличениеI0приводит к увеличению количества электронов в сгустках и росту мощности колебаний в зонеи ее расширению по оси И0 тр и, как результат, росту ЛrоР. Э_тонетрудно понять из рис.13.8, когда кривые Рн станут выше и шире для каждой зоны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
