Стр.102-201 (1152179), страница 15
Текст из файла (страница 15)
сокостабильным эталоном". В выпускаемых промышленностью типах клнстронных умножителей выходная частота соответствует обычно гармоникам от и = 3 до п = 10. Выходная мощность не превышает десятков или сотен милливатт. й 55. МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ ПРОЛЕТНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КЛИСТРОНЫ а. Качественное объпсненив Одним из путей повышения коэффициента усиления является каскадное включение обычных двухрезонаторных клистронов, показавное на рис. 5.13, а. Как известно, принцип каскадного соединения Ввгхвр бхед Вв ду Рис. 5.13 Каскадное соединение усилительных двухрезонаторных клистронов (а) и трехрезонаторный клистронный усилитель (б) усилителей широко применяется и вполне оправдывает себя в диапазове более низких частот.
Этот принцип используется также и в диапазоне СВЧ. Однако устройство, наладка и питание усилительного тракта (усилительной цепочки) при этом усложняются. При рассмотрении рис. 5.13, а возникает мысль объединить второй резонатор первого каскада с первым резонатором второго каскада и использовать общий электронный луч, как показано на рис. 5.13, б. Клистрон, изображенный на этом рисунке, имеет в общем случае Ф полых резонаторов, разделенных промежутками дрейфа.
' Наиболее короткая длина волны, полученная в лабораторных условиях с помощью двухрезонаторного клистронного умножптеля частоты, составлнет 0,4 хыг прн л = 20. 154 Если бы механизм работы каждого каскада «объединенного» клистрона остался без изменений, то это дало бы следующие преимущества в сравнении с усилительной цепочкой, имеющей несколько независимых двухрезонаторных клистронов: !) повышение общего коэффициента усиления за счет уменьшения числа резонаторов и уменьшения высокочастотных потерь в промежуточных резонаторах; 2) снижение мощности источников питания благодаря использованию одного и того же электронного потока; 3) упрощение настройки ввиду уменьшения числа настраиваемых контуров. Как будет показано в дальнейшем, многорезонаторные клистроны имеют и другие, еще более важные преимущества.
Это полностью оправдывает некоторое усложнение конструкции клистрона. Процесс образования электронных сгустков в промежутках дрейфа многорезонаторного клистрона принято называть каскадной группировкой. Эта группировка может в общем случае отличаться от группировки, происходящей в пространстве дрейфа двухрезонаторного клистрона.
Рассмотрим для простоты трехрезонаторный клистрон (рис. 5.13, б). Положим, что промежуточный ре"-онатор клистрона настроен точно на частоту входного сигнала (вопрос о елиянии расстройки этого резонатора рассматривается в дальнейшем). Электронный поток, поступающий из катода в первый резонатор, модулируется по скорости. Если модулирующее напряжение очень мало, то во второй резонатор поступают лишь слабо сформированные сгустки, подобные изображенным на рис. 5.5, а.
Прямая электромагнитная связь между резонаторами клистрона отсутствует. Поэтому при отсутствии электронного потока амплитуда СВЧ колебаний в промежуточном резонаторе равна нулю. Однако при прохождении электронных сгустков, как и в двухрезонаторном клистроне, по внутренней поверхности второго резонатора начинает протекать наведенный высокочастотный ток.
Этот ток невелик, но он может создать между сетками второго резонатора напряжение, значительно превышающее напряжение сигнала на первом зазоре. Этому в значительной мере благоприятствует то обстоятельство, что второй резонатор не связан с внешней нагрузкой. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой зазора.
В установившемся режиме наведенный ток и напряжение, созданное электронами на втором зазоре, имеют частоту, в точности равную частоте сигнала. Далее, если резонатор настроен точно на частоту сигнала, то его реактивная проводимость равна нулю. Как было показано в э 2.4, в этом случае в момент прохождения сгустка через центр зазора автоматически устанавливается максимум тормозящего электрического поля. Соответствующее построение приведено на рис. 5.14, где изображена пространственно-временная диаграмма движения четырех типичных электронов.
Напомним, что при использовании метода дрейфа сгусток образуется относительно электрона 1, прошедшего первый зазор прн переходе поля через нуль от тормозящего к ускоряющему (см. э 2.8). Напряжение, наведенное на втором зазоре, в свою очередь производит скоростную модуляцию электронного потока. Эта дополнительная модуляция во втором зазоре отстает по фазе на — от модуляции, полученной в первом зазоре. Иначе говоря, действие второго зазора Рис. 5.14. Пространственно-временная диаграмма группировки электронов в трехрезонаторном клнстроне при настройке второго резонатора на частоту усиливаемого сигнала.
Пунктиром показано движение электронов, которое имелось оы при отсутствии второго резонатора приводит к тому, что электрон типа 1, движение которого показано на рис. 5.14, после прохождения через второй зазор перестает быть центром сгустка. Сгусток стремится теперь образоваться относительно электрона, прошедшего второй зазор на четверть периода позднее.
Изменение движения электронов можно проследить и на примере электрона типа 4, который являлся наиболее неблагоприятным при группировке в первом пространстве дрейфа. После ускорения во втором зазоре этот электрон постепенно приближается к центру вновь образуемого сгустка. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона. Таким образом, анализ каскадной группировки становится весьма громоздким. Форма волны конвекционного тока, поступающего в выходной резонатор, может отличаться от кривой, рассмотренной на рис.
5.5, в. Если начальной скоростной модуляцией, полученной в каждом предыдущем зазоре, можно пренебречь в сравнении со скоростной модуляцией в следующем зазоре, то рассмотрение каскадного клистрона значительно упрощается. В этом случае клнстрон, имеющий У резонаторов, можно разбить на (Ж вЂ” !) простейших двухрезонаторных усилителей. Так, второй резонатор трехрезонаторного клистрона играет роль выходного резонатора по отношению к первому резонатору и роль группирователя по отношению к последнему резонатору. В общем случае следует рассматривать все резонаторы, кроме последнего, как сложный многорезонаторный группирователь, определяющий конвекционный электронный ток в выходном зазоре. б.
Кииемитичесиия теория каскадной груилироаки. Коэффициент усиления миогореэоииторяого клистроиа Рассмотрим каскадную группировку в простейшем случае трехрезонаторного клистрона. Отвлечемся сначала от действия пространственного заряда и ограничимся, как и прежде, случаем малых амплитуд, за исключением выход. ного резонатора Напряжение на первом зазоре положим равным Игэтр и =О! зш ыгг; (Г~ << (1е у„ Тогда по аналогии с (5.6) и (5 6 а) можно написать уравнение движения электронов в пер- Гэрмэзящ вой пролетной трубе в виде згз гэ =1!+ ее+о! з!и 031! угзэ яищ р згэ зтз о! ! + — 5!П И1 т! оо оа мгз=а(!+ — Х аз(п м1, (5.42) Гэунэзэщ где Хгз =- — — В! —; (5.43) М,и, па 2(Ге Рис. 5.15. Сдвиг фазы наведенного тока относительно напряжения на втором зазоре трехрезонаторного клистрона В! = —. (5.44) ызгз "о В частном случае при чисто активной проводимости резонатора !р = 0 и, как отмечалось выше, в момент прохождения сгустка в зазоре создается макси.
мальное тормозящее поле. Кинетическая энергия, которую рассматриваемый электрон имеет при вылете из второго зазора, равна лшз — =е ((I +Мха~ з1п м1! — МаУ~соз (о>гэ — В~+!рН. 2 157 Через Х,з обозначен параметр группировки пучка, поступающего во второй зазор клистрона; з„— длина пространства дрейфа между центрами первого и второго зазоров и 9! — невоэмущенный угол пролета в первом пространстве дрейфа Прочие обозначения пояснены в 4 5.2.
Максимум тормозящего поля во втором резонаторе в зависимости от его настройки может быть сдвинут по фазе относительно прихода электронного сгустка на величину !р, как показано на рис. 5.15. Тогда напряжение на втором зазоре можно записать в виде и, = — 1/з соз (м 1э — В, + !р) . Отсюда можно определить скорость электрона во втором пространстве дрейфа: .у'2е ( Ми,, м,и, — 'и,!!+ з!пю(,— сох (Ыз — 6г + ф) ~ . ~/ '( и, и, По смыслу работы усилительного клистрона всегда можно положить: <1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
