Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В выражении (3.18) от частоты зависят уголпролета θ 0 и сдвиг фазы в резонаторе ϕ рез . Зависимость ϕ рез от частоты называетсяфазочастотной характеристикой резонатора (рис. 3.12). (Вблизи собственной частотырезонатора ω 0 зависимость ϕ рез от ω очень сильная и тем сильнее, чем выше добротностьрезонатора Q. Предельные значения ϕ рез π /2 и - π /2.)Угол пролета определяется напряжением на отражателе Uотр и ускоряющимнапряжением U0 по формуле (3.15). Поэтому при изменении Uотр или U0 в (3.18) будетизменяться θ 0 и для сохранения равенства необходимо, чтобы на такую же величинуизменился угол ϕ рез , а это возможно только при изменении частоты.
Таким образом,изменяя Uотр или U0, можно перестраивать частоту клистрона. Обычно для этой целииспользуют напряжение на отражателе. Изменение частоты колебаний при изменениинапряжения на электродах называют электронной перестройкой частоты.Рассмотрение электронной перестройки частоты удобно начинать с напряжения Uотр(ц),соответствующего центру выбранной зоны, где угол пролета равен значению θ 0 ( ц ) .
Приизменении Uотр от Uотр(ц) угол пролета отклоняется от θ 0 ( ц ) в соответствии с формулой(3.21). При этом баланс фаз (3.20) требует, чтобы сдвиг фазы в колебательной системе(резонаторе) по величине и знаку был такой же, как изменение угла пролета ϕ рез = θ0 - θ 0(ц ) .Пусть Uотр= Uотр(ц), тогда θ0 = θ 0 ( ц ) и, следовательно, по условию (3.20) ϕ рез =0.Отсутствие фазового сдвига означает, что частота генерируемых колебаний равнасобственной частоте резонатора ( ω Г = ω 0 ).Если абсолютная величина напряжения на отражателе возрастает |Uотр|>|Uотр(ц) , тоθ0 < θ 0(ц ) и поэтому ϕ рез <0. (Ток в резонаторе I рез (1) опережает по фазе напряжение U1 .) Всоответствии с фазочастотной характеристикой отрицательный сдвиг ϕ рез можнополучить, если частота генерируемых колебаний выше собственной частоты резонатора( ω Г > ω 0 ).И, наконец, при |Uотр|<|Uотр(ц)| угол пролета θ0 увеличивается ( θ0 > θ 0(ц ) ) и необходимо,чтобы ϕ рез >0.
В этом случае, очевидно, ω Г < ω 0 .Связь фазы ϕ рез с частотой для колебательного контура (резонатора) обычнозаписывают в виде51где ∆ω = ω − ω 0 = ω Г − ω 0 -отклонение частоты от собственной частоты резонатора; Q—добротность колебательной системы с учетом нагрузки (нагруженная добротность).Подставим в (3.37) вместо ϕ рез величину (3.21), тогдаКрутизна и диапазон электронной перестройки частоты (ЭПЧ).
На рис. 3.13,апоказано изменение частоты в пределах нескольких зон, определяемое по формуле (3.38)Для сравнения электронной перестройки частоты в разных зонах вводится крутизнаэлектронной перестройки в точке максимальной мощности (в центре зоны):Для определения Sэпч в формуле (3.38) изменение Uотр можно считать малым, чтопозволяет заменить тангенс аргументом. ТогдаБольшим номерам зоны n соответствуют меньшие значения | Uотр(ц)| при этом в (3.40)числитель увеличивается, а знаменатель уменьшается, т. е. крутизна возрастает.Действительно, в зоне с большим номером то же изменение напряжения отражателявызывает большее изменение угла пролета θ 0 , а следовательно, при даннойфазочастотной характеристике резонатора и большее отклонение частоты ∆f .Формула (3.40) показывает также зависимость крутизны от добротности резонатора.
Сувеличением добротности крутизна уменьшается. Это легко пояснить с помощьюфазочастотной характеристики (см. рис. 3.12). С увеличением Q зависимость фазы отчастоты вблизи собственной частоты резонатора становится более сильной, поэтомупрежнее изменение угла пролета θ 0 приведет к меньшему изменению частотыгенерируемых колебаний, т. е. к падению крутизны Sэпч.Теоретически при Q → ∞ электронная перестройка частоты отсутствует.
Под Qследует понимать нагруженную добротность, поэтому можно также сделать вывод, чтокрутизна должна зависеть от проводимости нагрузки Gн, подключаемой параллельнорезонатору. Рост Gн означает уменьшение Q и увеличение Sэпч. Следовательно, дляувеличения крутизны необходимо уменьшать добротность, но последнее приводит куменьшению выходной мощности. Поэтому приходится выбирать промежуточные52значения добротности.
В клистронах значение крутизны порядка 1МГц/В.Диапазоном электронной перестройки называют интервал δf (рис. 3.13,а) изменениячастоты колебаний в пределах той части зоны, где мощность не падает ниже 50%мощности в центре зоны. Диапазон электронной перестройки частоты примерно равенполосе пропускания резонатора и практически не зависит от номера зоны (обычноδf <1%).§ 3.6. Особенности устройства и параметры отражательных клистроновОсновными параметрами отражательных клистронов считают выходную мощность,рабочий диапазон генерируемых колебаний, диапазон и крутизну электроннойперестройки частоты.Выходная мощность отражательных клистронов обычно меньше 1 Вт, поэтому ониприменяются в маломощных схемах СВЧ.Рабочим диапазоном частот называют диапазон частот, внутри которого выходнаямощность в рабочей зоне не выходит за пределы, установленные техническойдокументацией.
Частоту в пределах рабочего диапазона устанавливают механическимизменением емкости или индуктивности основного или дополнительного резонаторов.Емкостную перестройку на 5-10% производят изменением расстояния между сеткамирезонатора с помощью специального механизма. Индуктивную перестройку обычноприменяют в клистронах с резонатором, расположенным снаружи баллона.
Собственнаячастота внешнего резонатора изменяется перемещением металлического поршня в объемерезонатора. Этим способом удается изменять частоту генерируемых колебаний в широкомдиапазоне (до ±20%). Недостаток механической перестройки ⎯ это сравнительно низкаястабильность частоты при изменении внешних условий. При механической перестройке спомощью дополнительного высокодобротного резонатора, сильно связанного с основнымрезонатором клистрона, стабильность частоты повышается, но диапазон перестройкистановится малым. Кроме того, появляется опасность возбуждения колебаний на двухчастотах системы связанных резонаторов.Диапазон электронной перестройки δf составляет 10⎯50 МГц, т.е. менее 1%, однако вспециальных клистронах может достигать 10⎯15%.
Крутизна электронной перестройкиобычно порядка 1-2 МГц/В.КПД отражательных клистронов практически не превышает нескольких процентов,однако, при небольшой выходной мощности это не имеетсущественного значения.Ускоряющее напряжение низковольтных клистронов 250—450 В, а высоковольтных 750—2500 В. Ток пучка составляетнесколько десятков миллиампер.Зависимость выходной мощности и частоты от напряженияна отражателе, показанная на рис.
3.13, позволяет осуществитьамплитудную, импульсную и частотную модуляции.Преимущество модуляции с помощью отражателя состоит втом, что потребление мощности этим электродом очень мало,так как на него практически не попадают электроны.Рис. 3.1453.В настоящее время отражательные клистроны получили широкое распространение вдециметровом, сантиметровом и даже миллиметровом диапазонах воли. Однако впоследнее время отражательный клистрон начинают заменять полупроводниковымиприборами СВЧ.Внешний вид отражательного клистрона с полноводным выводом энергии показан нарис.
3.14.54Глава 4 ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ ТИПА О (ЛБВО, ЛОВО)В приборах типа О, как уже отмечалось ранее (см., Введение), происходитпреобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ-поля, так же как впролетных и отражательных клистронах. Рассматриваемые ниже лампы бегущей волны иобратной волны принципиально отличаются от клистронов тем, что взаимодействиеэлектронов и СВЧ-поля длительное, а не кратковременное.§ 4.1.
Принцип работы приборов типа О с длительным взаимодействиемВ приборах с длительным взаимодействием, так же как и в клистронах, имеетсямодуляция скорости электронов и плотности электронного потока. Длительноевзаимодействие электронов с полем бегущей волны позволяет получить необходимоегруппирование электронов при сравнительно слабом входном сигнале. Очевидно, чтообмен энергией между электронами и полем происходит в результате взаимодействияэлектронов с составляющей напряженности поля, совпадающей по направлению соскоростью электронов. Назовем эту составляющую продольной.Представим продольную составляющую поля Еz в виде бегущей волны(4.1)где β—коэффициент фазы (волновое число)(4.2)а vф — фазовая скорость волны.Нетрудно предвидеть, что длительное взаимодействие электронов с бегущей волнойэффективно только при синхронном движении волны и электронов, когда начальнаяскорость электронов и фазовая скорость волны vф совпадают по направлению и малоразличаются по величине.
При этих условиях взаимодействие удобнее наблюдать всистеме координат, движущейся вместе с волной. Поэтому произведем преобразованиеz=z'+vфt, где z'—координата электрона в подвижной системе. Наблюдателю,находящемуся в этой системе, сама волна представляется неподвижной, так каксоставляющая напряженности поля Еz является лишь синусоидальной функцией z'. Впроцессе взаимодействия электрона и поля волны скорость электрона должна изменяться,т.
е. наблюдатель будет замечать изменение координаты электрона z''. Однако вследствиегармонической зависимости Еz от z' удобно вместо z' использовать фазовый угол ϕ=ω⋅z'/vф,который определяет положение электрона относительно волны, т. е. нагляднохарактеризует взаимодействие. Угол ϕ принято называть фазой электрона. Фазу электронаϕ0, соответствующую его влету в СВЧ-поле (z=0), называют начальной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
