Петров К.С. Радиоматериалы и радиокомпоненты (2003) (1152094), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Вакуумная элвкт ника и КПД. Современные мощные клистроны содержат от 3 до 7 резонаторов. Принцип устройства четырехрезонаторного клистрона показан на рис. 10.16. 4 ф Пив. 1ОЛВ В первом резонаторе происходит модуляция электронов по скорости. Электронный поток, влетающий во второй резонатор, возбуждает в нем высокочастотное напряжение, под действием которого скорость электронов на выходе из зазора первого промежуточного резонатора будет иметь более высокую переменную составляющую, чем на входе в зазор, и группирование в пространстве дрейфа между вторым и третьим резонаторами будет проходить более интенсивно. Такова же роль последующих резонаторов.
В результате в выходной резонатор влетают сгустки электронов с более высокой плотностью, благодаря чему повышается КПД, который для многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50%, а коэффициент усиления мощности — 90 дБ при мощности, доходящей до 100 кВт в режиме непрерывных колебаний и до 50 МВт в импульсном режиме. Достижение таких показателей обеспечивается не только введением промежуточных резонаторов, но и рядам усовершенствований, внесенных в конструкцию клистрона.
Зазоры резонаторов мощных клистронов не имеют сеток. Это в некоторой степени ухудшает взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в зазорах, но зато практически исключается оседание электронов и нагрев сеток. Чтобы повысить взаимодействие потока электронов с полем в зазоре, увеличивают ускоряющее постоянное напряжение и постоянный ток луча В многорезоиаторных клистронах промежуточные резонаторы расстроены относительно частоты сигнала, благодаря чему формирование сгустка электронов происходит так, что в нем участвуют «бесполезные» ранее электроны, дающие рост КПД.
Одновременно расстройка промежуточных резонаторов позволяет расширить полосу пропускания. В мощных клистронах электронные потоки необходимо фокусировать, чтобы диаметр потока не увеличивался вследствие расталкивания электронов. С этой целью обычно используется магнитная фокусировка при помощи отдельных катушек индуктивности, помещаемых в промежутках между резонаторами. Поле, создаваемое этими катушками, препятствует движению электронов перпендикулярно оси клистрона, закручивая их, и электроны движутся по направлению к аноду по спиральным траекториям. 47З 10.9. Отражательные клистроны 10.9. Отражательные клистроны Отражательные хлистроны применяют для генерирования СВЧ-колебаний.
Они содержат только один объемный резонатор (рис, 10,17, а). Ускоренные на участке между катодом и первой сеткой С, электроны влетают в резонатор и возбуждают в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создающие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости, и электроны влетают в тормозящее поле между второй сеткой Сз и отражателем О с различной скоростью. Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются и ускоренно возвращаются к резонатору. Чем больше скорость электрона, тем дальше углубляется он в тормозящее поле и больше времени находится в этом поле.
В результате электроны, пролетевшие через резонатор в положительные полупериоды переменного электрического поля, могут вернуться обратно одновременно с электронами, пролетевшими через резонатор позднее, во время отрицательного полупериода, что наглядно показано на рис. 10.17, 6. Электроны, пролетевшие через резонатор в интервале времени от г, до Гь возвращаются назад в момент гэ. б Вио. 10.тт Электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные моменты времени в зависимости от напряжений Е, и Еэ При возвращении в резонатор электронные сгустки отдают ему энергию только тогда, когда они попадают в тормозящее поле.
Наибольшую энергию они отдают в том случае, если возвращаются в момент, когда напряженность тормозящего поля в резонаторе максимальна Возвращение энергии в резонатор поддерживает существующие в нем колебания. Чем больше величина возвращаемой энергии, тем больше мощность колебаний в резонаторе. Если же отдаваемая электронами энергия слишком мала, то колебания не будут поддерживаться и затухнут. Время пролета электронов в пространстве дрейфа отсчитывается от момента гэ в который в пространство дрейфа влетает электрон с группирующимися вокруг него остальными электронами, до момента времени возвращение сгустка злект- 474 Глава 10. Вакуумная злект ника ронов в резонатор. На рис. 10.17, 6 это время равно (1+3/А)7: Изменяя отрицательное напряжение на отражателе, можно изменять время пролета, но при этом возвращение электронов должно происходить в тормозящие полупериоды колебаний в резонаторе.
Соответственно, существует несколько эон генерации. Если отрицательное напряжение на отражателе очень большое, то электроны, проходящие через резонатор в интервале Г,— ги вернутся назад в интервале Г,— Г~ (нулевая зона генерации), причем наибольшую энергию они вернут в резонатор при возвращении в момент гя При снижении отрицательного напряжения на отражателе электроны возвращаются назад позже. Если возвращение происходит в интервале гг — гг, то колебания вообще не возникают. При возвращении в интервале г,-ги колебания вновь возникают (первая зона генерации), мощность этих колебаний достигает максимума при возвращении в момент г,. Чем меньше по абсолютной величине отрицательное напряжение на отражателе, тем больше время пролета электронов и, соответственно, выше номер зоны генерации. Наибольшая мощность колебаний получается в нулевой зоне. Меняя напряжение на отражателе, можно изменять частоту генерируемых колебаний.
При увеличении по абсолютному значению отрицательного напряжения на отражателе электронные сгустки возвращаются в резонатор несколько быстрее, и частота колебаний возрастает. При уменьшении этого напряжения по абсолютной величине электронные сгустки возвращаются в резонатор с запаздыванием, и частота колебаний уменьшается. При изменении частоты колебаний уменьшается мощность генерируемых колебаний (рис. 10.18). Поэтому такую расстройку принято ограничивать условием снижения мощности не более чем на 50%. Рис. 10.18 475 10.10. Лампы бегущей волны У отражательных клистронов КПД не превышает 5 %, вследствие чего они не используются для получения больших мощностей, а применяются в качестве гете- родинов СВЧ-приемников, в измерительной аппаратуре, радиорелейной, радионавигационной и телевизионной аппаратуре.
Полезная мощность не превышает сотых и десятых долей ватта. В последние годы отражательные клистроны вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ. 10.10. Лампы бегущей волны Основным недостатком клистронов является сравнительно узкая полоса пропускания для усилителей и малый диапазон перестройки частоты для генераторов, что обусловлено необходимостью применять высокодобротные резонаторы для эффективного торможения электронных сгустков при кратковременном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем в пространстве между сетками резонатора. В лампах бегущей волны (ЛБВ) взаимодействие электронного потока с СВЧ-полем происходит на большом участке пути, то есть носит длительный характер, благодаря чему повышается эффективность усиления колебаний. При длительном взаимодействии электронного потока с СВЧ-полем отпадает необходимость в высокодобротных резонаторах, поэтому полоса усиливаемых частот получается широкой.
Коэффициент перекрытия по частоте составляет 2-4. Для обеспечения длительного взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем необходимо, чтобы скорость электронного потока была соизмерима со скоростью распространения электромагнитной волны. Поскольку увеличить скорость потока электронов до величины скорости света не представляется возможным, прибегают к замедляющим системам, снижающим скорость распространения электромагнитной волны.
Устройство ЛБВ со спиральной замедляющей системой показано на рис. 10.19. Внш 10.1П Электронная пушка 1 формирует тонкий пучок электронов, который влетает в замедляющую систему, выполненную в виде проволочной спирали. Эта спираль является внутренним проводом коаксиальной линии. Наружным проводом является трубка 3. С помощью фокусирующей катушки 4 обеспечивается необхо- 4Тб Глава 10. Ва нвя элвкгроника димое поперечное сечение электронного луча на всем пути вдоль замедляющей системы.
Пройдя вдоль замедляющей системы, электроны попадают на коллектор 5. Усиливаемые колебания подводят к ЛБВ с помощью входного волновода 6, в котором находится приемный штырь спирали 7. На другом конце спирали имеется штырь 8, возбуждающий колебания в выходном волноводе 9. Плунжеры 10 служат для согласования волноводов со спиралью, то есть получения в спирали бегущей волны. Спираль содержит десятки нли сотни витков и обеспечивает получение фазовой скорости электромагнитной волны оф порядка 30 000 км/с, что составляет 0,1 от скорости света.
В сантиметровом диапазоне волн длина спирали составляет 10-30 см, а ее диаметр — несколько миллиметров. На рис. 10.20, а показана картина электрического поля внутри спирали в некоторый конкретный момент времени, а на рис. 10.20, б — распределение потенциала вдоль спирали. Сама спираль показана в разрезе, а знаками к+ь и к — ь показан знак потенциала. Силовые линии, начинаясь на витках с более высоким потенциалом, заканчиваются на витках с более низким потенциалом.
б и Рис. 10.20 Вдоль спирали чередуются участки ускоряющего и тормозящего поля. Так как электромагнитная волна бежит вдоль спирали, то поле вращается вокруг ее оси и перемещается вдоль оси с фазовой скоростью оф. Электроны влетают в замедляющую систему со скоростью и „которая больше скорости оф. В результате взаимодействия электронного луча с электрическим полем бегущей волны происходит модуляция электронов по скорости и группирование их в сгустки. Если электроны влетают в замедляющую систему в момент, когда поле является тормозящим, то они тормозятся и далее продолжают двигаться в пределах того же участка к концу спирали, группируясь в более плотные сгустки.
Постепенно уменьшая скорость, они все время отдают энергию полю, усиливая бегугцую волну. Нарастание амплитуды СВЧ-поля вдоль оси замедляющей системы происходит по зкспоненциальному закону. Если электроны влетают 10,10. Лампы бегущей волны в замедляющую систему в момент, когда поле является ускоряющим, то они увеличивают свою скорость и, обгоняя поле, постепенно переходят в участок тормозящего поля. В результате этих процессов в выходном волноводе возбуждаются колебания, мощность которых многократно превышает мощность, поступающую от входного волновода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
