И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Все три прямые пересекаются в одной точке. Это значит, что все три электрона В этой точке своего пути группируются. Другие электроны, пролетающие через модулятор в промежуточные моменты времени, также придут в эту точку примерно в тот же момент. Что же касается электронов, пролетающих через модулятор раньше момента 1, и позже момента 1з, то, как показывают графики, они не группируются. Таким образом, группируются в сгусток лишь электроны, пролетлющис через модулятор во время одной половины периода.
Хорошее «сгущение» возможно только в том случае, если глу- бина модуляции скорости электронов невелика, т.е. изменение скорости электронов под влиянием модулирующего переменного поля незначительно по сравнению со скоростью, которую они получили от постоянного ускоряющего напряжения. Поэтому переменное напряжение между сетками резонатора должно быть значительно меньше, чем постоянное напряжение (1,. Группирование электронов в сгусток повторяется в течение одной половины каждого периода.
Постоянное напряжение (т„подбирается так, чтобы электронный сгусток получился в уловителе, т.е. на расстоянии И от модулятора. Если напряжение (2, велико, то электронный сгусток получится на большем расстоянии (между уловителдм и анодом), а при малом напряжении (1, он будет слишком близко (в пространстве дрейфа). Отсюда следует, что ускоряющее напряжение (У, должно быть вполне определенным и стабильным. После точки наиболыпего сгущения электронного потока электроны снова расходятся. Если продолжить графики движения электронов, то окажется, что группирование в сгусток снова повторится на расстоянии ЗЫ, затем 5И и т. д.
Олнако это практически не используется, так как размеры прибора увеличивать невыгодно. Итак, в уловитель поступают электронные сгустки, следующие друг за другом с частотой 1; Они создают в резонаторе Р, импульсы наведенного тока и возбуждают в нем колебания. Для получения максимальной амплитуды колебаний резонатор Рз должен быть настроен на частоту 2; на которую настроен и резонатор Р,. Подобно тому как в усилительном каскаде высокой' частоты импульсы анодного тока проходят через анодный колебательный контур и Создают в нем усиленные колебания, так и в клистроне электронный поток, состоящий из сгустков, создает в резонаторе Р, усиленные колебания.
Усиление происходит за счет энергии источника постоянного напряжения 11,„ который создает ускоряющее поле. Электроны получают в этом поле большую энергию, и, благодаря тому что 325 в резонаторе Р, происходит модуляция их скорости, они отдают часть этой энергии резонатору Рь Электронные сгустки пролетают через резонатор Р, тогда, когда электрическое поле в нем тормозящее.
Пролетевшие через резонатор Рз электроны попадают на анод и нагревают его. Часть электронов попадает и на сетки резонаторов, Если бы электронный поток не был модулированным, то он не поддерживал бы колебания в резонаторе Ръ Действительно, равномерный электронный поток в тот полупериод колебаний, когда поле в резонаторе ускоряющее, отбирает от резонатора энергию, а во время следующего полу- периода отдаст такое же количество энергии.
В результате не происходит никакой отдачи энергии электронами резонатору. Применим подобные же рассуждения к взаимодействию электронного потока с резонатором Рь В этот резонатор поступает равномерный электронный поток, который в один полупериод отнимает некоторую энергию от резонатора, а в следующий полупериод отдает такое же количество энергии обратно. За целый период энергия от резонатора не отбирается. Значит, нет потерь энергии на модуляцию скорости электронов. Однако мы не учли инерции электронов. Хотя время их пролета через модулятор очень мало, но все же вследствие инерции электронов часть подводимой энергии расходуется на модуляцию.
Чтобы этот расход был как можно меньше, увеличивают ускоряющее напряжение Г1, и уменьшают расстояние между сетками модулятора. Благодаря малым потерям энергии в резонаторе Рз входное сопротивление этого резонатора н его добротность весьма велики. Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Серьезный недостаток клистрона заключается в том, что его КПД, представляющий собой отношение полезной колебательной мощности в резонаторе Рз к мощности постоянного тока анодного источника, не выше 20 „хотя теоретическое предельное значение составляет 58 У,.
Это объясняется следующи- ми явлениями. Группируются электроны недостаточно плотно, так как они вылетают из катода с различной начальной скоростью и, пролетая через модулятор в олин и тот же момент времени, имеют неодинаковую скорость. Между электронами действуют силы взаимного отталкивания. Вследствие инерции пролетающие через уловитель электроны отбирают часть колебательной энергии резонатора Рь Некоторые электроны вообще не группируются в сгустки, т. е.
не участвуют в полезной работе. В результате всего этого большая часть энергии бесполезно тратится на нагрев сеток и анода, так как все электроны в конечном счете с какой-то скоростью попадают на эти электроды. Двухрезонаторные клистроны применяют для усиления в передатчиках СВЧ. Их полезная мощность в режиме непрерывной работы может составлять десятки киловатт, а в импульсном режиме— десятки мегаватт.
При уменьшении длины волны мощность уменьшается. Клистроны применяются и для умножения частоты. Электронный поток в уловителе представляет собой конвекционный ток несинусондальной формьь При плотном группировании электронов этот ток можно приближенно считать состоящим из импульсов прямоугольной формы.
Такой ток имеет резко выраженные высшие гармоники. Настраивая резонатор Р, на частоту той или иной гармоники, получают колебания умноженной частоты. Амплитуда гармоник с повышением их номера убывает медленно. Возможно умножение частоты в 10 раз и более. Для усиления слабых сигналов в приемниках клистроны малопригодны, так 'как создают большие собственные шумы. В настоящее время изготовляются главным образом пролетные многорезонаторные клистроны, которые сложнее двухрезонаторных по устройству, но обладают некоторыми преимуществами. У многорезонаторных клистронов первый резонатор служит входным, а последний выходным.
Промежуточные резонаторы соединены только с положительным полюсом источника питания 411т Рвс. 25.2. Принцип устройства многореэонаторного пролетного клистрона еря — фокусируюшак катушка; ШЭ вЂ” фокуеируюший электрод 327 (рис. 25.2). Под действием пульсирующего электронного потока в них возникают колебания и создается переменное электрическое поле, которое дополнительно модулирует электронный поток и способствует группнрованию электронов.
Поэтому в выходной резонатор попадают более плотные сгустки электронов. В результате КПД и коэффициент усиления мощности клистрона возрастают. Современные пролетные клистроны различаются по режиму работы 1импульсный или непрерывный), выходной мощности, типу и числу резонаторов, способам фокусировки электронного потока, ввода и вывода энергии СВЧ, перестройки частоты, охлаждения и по другим особенностям. При импульсной работе частота следования импульсов обычно бывает от десятков до тысяч гери, а длительность импульса — от долей микросекунды до миллисекунд. Пролетные клистроны разделяются на маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные. Мощность в импульсе у них соответственно менее 10 кВт, от 10 кВт до 1 МВт, от 1 до 100 Мвт и свыше 100 Мвт.
Для режима непрерывной работы мощности в 1000 раз меньше. Приведенные значения мощности относятся к пролетным клистронам дециметрового диапазона волн. На сантиметровом диапазоне они снижаются. Фокусировка электронного потока может быть электростатическая, электромагнитная 1фокусирующей катушкой) или с помощью посто- янных магнитов. Ввод и вывод энергии СВЧ делают коаксиальным, волноводным или комбинированным (коаксиально-волноводным).
Резонаторы бывают внутренние, смонтированные в самом клистроне, и внешние. Наиболее распространены пролетные клистроны на фиксированную частоту, но изготовляются также и перестраиваемые клистроны с механической настройкой резонаторов на различные частоты. Однако такая перестройка сложна и позволяет изменять частоту не более чем на 15 %.
Охлаждение мощных пролетных клистронов бывает естественным или принудительным 1воздухом или водой). Коэффициент полезного действия многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50 етю но у многих типов он заметно меньше. А коэффициент усиления мощности у таких клистронов составляет иногда несколько десятков тысяч. Практически трудно получить усиление более чем в 10а раз. Для мощных клистронов, особенно импульсных, требуется напряжение питания в десятки и даже сотни киловольт. Пролетные клистроны имеют очень узкую полосу частот пропускаемых колебаний, что объясняется наличием нескольких настроенных резонаторов. Обычно полоса частот не превышает нескольких мегагерц.
Путем расстройки резонаторов возможно расширение полосы частот, но с неизбежным снижением усиления. Для увеличения выходной мощности делают многолучевые клистроны, в которых через поле одних 25.3. ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН а) Рис. 25.3. Принцип устройства и работы отражательного клистроиа 328 и тех же резонаторов проходят параллельно несколько электронных потоков. Пролетный клистрон можно превратить в генератор с самовозбужденнем, если установить обратную связь между выходным и входным резонаторами, соединив их коаксиальной линией. Длина линии подбирается такой, чтобы получилась нужная фаза колебаний, подводимых обратно к входному резонатору.
При этом электронные сгустки проходят через выходной резонатор за полупсриоды, соответствующие тормозящему полю„и поддерживают колебания. А при противоположной фазе электронный поток будет отбирать энергию от выходного резонатора и колебания быстро затухнут. Иногда в двухрезонаторных клистронах с общей стенкой у резонаторов Р, и Р, создают дифракционную обратную связь с помощью отверстия в этой стенке.
Однако пролетные клистроны сравнительно редко используются в качестве генераторов с самовозбуждением. А для маломощных генераторов (гстеродинов) более удобны отражательные клистроны, имеющие только один резонатор. Схема включения отражательного (однорезонаторного) клистрона, изобретенного советским ученым В.
Ф. Коваленко, показана на рис. 25.3,а. В нем один объемный резонатор служит одно- временно модулятором и уловителем. На резонатор подано высокое постоянное напряжение Ур для ускорения электронов. За резонатором находится отражатель — электрод, имеющий отрицательное напряжение У. относительно катода. Для лучшей фокусировки электронного потока катод окружен цилиндром, который называют фокусцруииаим электродом и обычно соединяют с катодом. Энергия от резонатора отбирается с помощью витка связи и коаксиальной линии. Поток электронов под действием ускоряющего поля влетает в резонатор и возбуждает в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создающие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
