Лекция 10. Пролетные клистроны (1095408), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Вдействительности же неограниченному увеличению } макс препятствуетявление разгруппировки.Используя выражение, определяющее параметр группировки / ]с учетом волнового числа пространственного заряда h и сокращая длинудрейфа s, входящую в угол пролета %, получаем, что максимальныйкоэффициент усиления в режиме линейного усиления(ℎ )}макс ~получаем максимально возможную величину равнуюи достигается, когдаопт=?‰=Šп‹.На практике ограничение предельного коэффициента усилениядвухрезонаторного клистрона проявляется очень резко.
Создать такойклистрон, обладающий коэффициентом усиления более 10–15 дБ, обычно неудаётся.8. Влияние расстройки резонаторов на выходные параметрыдвухрезонаторного клистрона. Рабочая полоса частот.Частота колебаний, поступающих на выход клистрона, определяетсятолько частотой входного сигнала. Поэтому любая расстройка резонаторовпо отношению к частоте сигнала может влиять лишь на величину выходноймощности и коэффициент усиления.Наиболее просто рассмотреть влияние расстройки выходногорезонатора, поскольку он не определяет процесс группировки пучка.
Еслиобозначить нагруженную добротность выходного резонатора в «горячем»режиме, т.е. в присутствии электронного пучка, через Œн] , частотуусиливаемого сигнала через {, а собственную частоту выходного резонаторачерез { , то выходная мощность клистрона будетn]Рвых = 2М 7 TC (/)UŽ{nполн •1 + 4(Œн] ) * + •{где Ž{ – расстройка выходного резонатора по частоте относительно частотысигнала.Максимум выходной мощности (Nвых ) и коэффициента усиленияполучается при•‘‘)= 0, тогдаNвых =NвыхŽ{+{Зависимость выходной мощности клистрона от расстройки выходногорезонатора показана на рис.10.10.1 + 4(Œн] ) *Рис.10.10. Расчетные зависимости изменения выходной мощностидвухрезонаторного клистрона при расстройке выходного резонатора поотношению к частоте входного сигнала для двух значений нагруженнойдобротностиВидно, что кривая Nвых = { =•‘‘)$A совпадает с резонансной кривойвыходного резонатора, и чем ниже нагруженная добротность Œн] , тем менеекритична настройка выходного резонатора.Из выражения для выходной мощности можно найти полосу частотдвухрезонаторного клистрона∆‘‘)$, в которой снижение коэффициентаусиления при постоянной мощности входного сигнала не будет превышать3 дБ, т.е.
Nвых = 2Nвых .Поскольку величина расстройки Ž{ отсчитывается в одну сторону от среднейчастоты { , то рабочая полоса ∆{ = 2Ž{ и∆{1= ]{ŒнТаким образом, рабочая полоса частот, оцененная по спадукоэффициента усиления на 3 дБ, с точки зрения роли выходного резонатораравна обратной величине «горячей» нагруженной добротности этогорезонатора. Для расширения рабочей полосы частот необходимо снижатьвеличину Œн] , увеличивая связь резонатора с выходным трактом принеизменной Œ , т.е.
снижать внешнюю добротность Œвнеш .Однако следует иметь в виду, что уменьшение величины Œвнеш приводит кувеличению активной проводимости нагрузки nн] , в результате чегоснижается выходная мощность и падает коэффициент усиления нарезонансной частоте.Отсюда следует, что получить значительную полосу частот путемснижения величины Œвнеш выходного резонатора клистрона можно ценойснижения коэффициента усиления и КПД.Несколько более сложным оказывается влияние расстройки входногорезонатора клистрона по отношению к частоте сигнала.
Опускаяпромежуточные математические преобразования и не учитывая влиянияпродольной разгруппировки и ограничений со стороны выходногорезонатора, можно написать выражение для выходной мощности клистронапри расстройке входного резонатора⎤⎫⎧ ⎡⎪ ⎢⎥⎪C (/)/⎥ TC (/ )U,Nвых = Nвых •• = Nвых C ⎢C (/ )⎨ ⎢⎥⎬Ž{⎪ ⎢ 1 + Œвнеш * + ⎥⎪{⎩ ⎣⎦⎭где Nвых – выходная мощность клистрона при нулевой расстройке входногорезонатора;/=†)£¤ $$¡¢внеш= A¤)#– параметр группировки при расстройке входногорезонатора.На рис.10.11 приведены расчетные кривые зависимости выходноймощности двухрезонаторного клистрона от расстройки входного резонаторапо отношению к частоте сигнала, которая при больших значениях / можетносить двухгорбый характер.Рис.10.11.
Расчетные кривые влияния расстройки входного резонатора навеличину выходной мощности двухрезонаторного клистронаТаким образом, видно, что при использовании двухрезонаторногоклистрона необходимо производить тщательную настройку обоихрезонаторов на частоту сигнала. При реально осуществимых значенияхдобротностей полых резонаторов рабочая полоса частот очень невелика и непревышает долей процентов от средней частоты. Поэтому этот недостатокнаряду с недостаточно высоким коэффициентом усиления в значительноймере ограничивает возможности применения двухрезонаторныхклистронных усилителей.9.Многорезонаторные клистроныОдним из путей повышения коэффициента усиления клистронногоусилителя является каскадное включение обычных двухрезонаторныхклистронов, как обычно это делается в диапазонах более низких частот.Однако настройка таких усилительных цепочек достаточно сложна.
Поэтомуболее практичным стало использование многорезонаторных клистронов.Многорезонаторный клистрон, имея один электронный луч, объединяет всебе выходной и входной резонаторы соседних каскадов, которые разделенымежду собой промежутками дрейфа. Переход от каскадного включениядвухрезонаторных клистронов к многорезонаторному клистрону показан нарис.10.12.Рис.10.12. Переход от каскадного соединения двухрезонаторных клистронов(а) к многорезонаторному клистрону (б)Если бы механизм работы каждого каскада «объединенного» клистронаостался без изменений, то такое усовершенствование дало бы следующиепреимущества:1) повышение общего коэффициента усиления за счет уменьшения числарезонаторов и уменьшения ВЧ потерь в промежуточных резонаторах;2) снижение мощности источника питания благодаря использованиюодного и того же электронного пучка;3) упрощение настройки за счет уменьшения числа резонаторов.Однако преимущества, даваемые многорезонаторными клистронами,значительно больше указанных.Для простоты на пространственно-временной диаграмме, приведеннойна рис.10.13, рассмотрим процесс образования сгустков в трехрезонаторномклистроне для случае настройки промежуточного резонатора точно начастоту сигнала.Рис.10.13.
Пространственно-временная диаграмма группировки электронов втрехрезонаторном клистроне при точной настройке второго резонатора начастоту усиливаемого сигнала. Пунктиром показано движение электронов,которое имелось бы при отсутствии второго резонатора.Электронный поток, поступающий из катода в первый резонатор,модулируется по скорости. Если модулирующее напряжение очень мало, тово второй резонатор поступают лишь слабо сформированные сгустки.
Припрохождении электронных сгустков, как и в двухрезонаторном клистроне, повнутренней поверхности второго резонатора начинает протекать наведенныйвысокочастотный ток, который может создать между его сеткаминапряжение, значительно превышающее напряжение сигнала на первомзазоре.Напряжение, созданное на втором зазоре при настройке резонатора нарабочую частоту, находится в противофазе с конвекционным током пучка.Поскольку при прохождении центром сгустка второго зазора в немавтоматически наводится максимальное высокочастотное тормозящее поле,то его напряжение производит дополнительную скоростную модуляцию,?которая отстает по фазе на от модуляции, полученной на первом зазоре.В результате невозмущенный электрон 1, прошедший первый зазор припереходе поля из тормозящего в ускоряющее, перестает быть центромсгустка, т.к. он начинает тормозиться, а сгусток теперь стремитсяобразоваться относительно электрона, прошедшего второй зазор на четвертьпериода позднее, т.е.
при переходе высокочастотного поля на этом зазоре изтормозящей фазы в ускоряющую.Изменение движения электронов можно проследить и на примереэлектрона 4, который являлся наиболее неблагоприятным при группировке впервом пространстве дрейфа. После ускорения во втором зазоре этотэлектрон постепенно приближается к центру вновь образуемого сгустка.Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточномрезонаторе многорезонаторного клистрона, т.е. в общем случае можнорассматривать все резонаторы, кроме последнего, как сложныймногорезонаторный группирователь, определяющий конвекционныйэлектронный ток в выходном зазоре.Теория многорезонаторного каскадного группирователя приводит кдостаточно громоздким выражениям, и, поэтому, мы ее рассматривать небудем. Однако следует отметить, что за счет использования каждогодополнительного каскада повышение усиления составляет около 20–25 дБ.При этом для обеспечения хорошей каскадной группировки электронногопотока промежуточные резонаторы должны быть расстроены относительночастоты входного сигнала.
У трехрезонаторного клистрона среднийрасстраивают в сторону более высоких частот. Для ориентировочной оценкимаксимального коэффициента усиления N-резонаторного клистрона можнопользоваться эмпирическим соотношением}ус ≈ 15 + (e − 2) ∙ 20дБС физической точки зрения повышение коэффициента усилениямногорезонаторного клистрона при заданных постоянных напряжении и токедостигается не за счет увеличения КПД и выходной мощности, а за счетснижения мощности сигнала.Увеличение числа резонаторов до 5–7 и более может обеспечитьполучение коэффициента усиления превышающее 100 дБ, но в этом случаеклистрон будет склонен к самовозбуждению из- за различных паразитныхобратных связей.
Поэтому в современных клистронах увеличение числарезонаторов используется для расширения рабочей полосы частот.Каскадная группировка позволяет не только повысить коэффициентусиления, но и увеличить его КПД в сравнении с предельной величиной дляобычного двухрезонаторного клистрона, равной 58,2%.Если проанализировать конвекционный ток, поступающий в выходнойзазор многорезонаторного клистрона, то оказывается, что амплитуда первойгармоники может превышать величину 1,167 .
Например, амплитуда первойгармоники конвекционного тока трехрезонаторного клистрона можетдоходить до 1,487 и более.На рис.10.14 показана расчетная зависимость фазы прибытия электронав третий резонатор от фазы прохождения того же электрона через центрпервого зазора. Особенностью графика является то, что кривая фазыприбытия пересекает ось абсцисс не при двух, а при четырех конечныхзначениях фазы ; . Многие электроны, являющиеся неблагополучными приобычной группировке, здесь улучшают свою фазу и отдают энергию ввыходном резонаторе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
