Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Из формулы (2.52) также следует, что K у ( Р )возрастает с увеличением отношения I0 /U0. Если считать, что I0~ U 3 / 2 , то K у ( Р ) ~ U0 .Остановимся более подробно на влиянии угла пролета. С ростом угла пролетаувеличивается параметр группирования и выходная мощность (2.49). Однако значениеугла пролета в формуле (2.52) не может быть взято большим. Объясняется это влияниемпространственного заряда, которое пока не учтено.В сгустке действуют силы расталкивания электронов.
Сила расталкивания,совпадающая с направлением движения электронов, будет увеличивать скоростьэлектронов в передней области сгустка и уменьшать скорость электронов, летящих сзади.31В клистроне впереди летят более медленные электроны, а сзади—более быстрые, чемневозмущенный электрон, находящийся в центре сгустка. Поэтому продольная силастремится выравнить скорости электронов в сгустке. На некотором расстоянии отрезонатора скорости всех электронов станут одинаковыми и равными скоростиv0 невозмущенного электрона.На рис. 2.14 показана пространственно-временная диаграмма пролетного клистрона сучетом влияния пространственного заряда.
В сечении с координатой z', где скоростиэлектронов становятся равными, отрезки линий параллельны.Процесс выравнивания скоростей эквивалентен как уменьшению глубины модуляциискорости, так и параметра группирования. Наблюдаемое ухудшение группированияозначает уменьшение коэффициента усиления по сравнению с величиной, определяемойформулой (2.52).
Таким образом, нет смысла длину клистрона брать более z'. Из-завлияния сил расталкивания в двухрезонаторных клистронах удается получить значениеК у ( Р ) лишь 15—20 дБ. Влияние сил расталкивания тем заметнее, чем больше времяпролета, т. е. чем больше расстояние между резонаторами и меньше скорость электронов.Небольшое значение коэффициента усиления является недостатком двухрезонаторногопролетного клистрона.На рис. 2.15 приведены зависимости выходной мощности, электронного КПД икоэффициента усиления от мощности Р1 входного сигнала.
Область I соответствуетлинейному (малосигнальному) режиму работы, или режиму работы с максимальнымкоэффициентом усиления. Область II — соответствует нелинейному режиму, длякоторого характерно насыщение выходной мощности Р2 при некоторой мощности Р1оптвходного сигнала, когда параметр группирования становится оптимальным. ЗависимостьР2 от Р1 называется амплитудной характеристикой. Эта зависимость, но в другоммасштабе, изображает связь ηэ и Р1 Режим работы, соответствующий области II, называюттакже режимом максимальной выходной мощности и максимального электронного КПД.Предельное теоретическое значение ηэ.пред составляет только 58%, поэтому в свое времявозникла задача повышения электронного КПД.
Повышение коэффициента усиления прислабом сигнале и электронного КПД при усилении большого сигнала было достигнуто вмногорезонаторных пролетных клистронах.32§ 2.6. Принцип работы многорезонаторного пролетного клистронаОсобенности работы многорезонаторных клистронов рассмотрим на примеретрехрезонаторного клистрона (рис. 2.16).Усиление слабого сигнала. Процесс группирования в трехрезонаторном клистронепри слабом входном сигнале можно пояснить с помощью пространственно-временнойдиаграммы, изображенной на рис. 2.17,а. Предполагается, что все резонаторы настроенына частоту сигнала (синхронная настройка).Электроны 1 и 2, пролетевшие зазор между сетками первого резонатора с малымнапряжением (U 1 <<U0), слабо группируются около невозмущенного электрона О(пунктирные прямые пересекаются на большом расстоянии).
Из-за малого параметрагруппирования амплитуда конвекционного тока i(1) в сечении z2 второго резонатора будеттакже небольшой.Второй (промежуточный) резонатор не нагружен и имеет высокую добротность.Поэтому даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение U 2 создаваемоенаведенным током, может быть большим. Это напряжение вызовет сильную модуляциюскоростей электронов, пролетающих через второй резонатор, и сильное дополнительноегруппирование в пространстве между вторым и третьим резонаторами (сплошные линиипосле второго резонатора на рис. 2.17,а).Напряжение u2 (t ) противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока i(1)(см. § 2.4).
Для второго резонатора невозмущенным электроном, около которого должнопроисходить дополнительное группирование, является электрон О', приходящий вовторой резонатор позже электрона О, являющегося невозмущенным электроном дляпервого резонатора. Электронный сгусток до поступления во второй резонатор былсимметричен относительно «старого» невозмущенного электрона О. В результатегруппирования около «нового» невозмущенного электрона О' электронный сгустокдолжен стать несимметричным относительно электрона О, аформа волны конвекционного тока—отличной от формыволны в двухрезонаторном клистроне.
Однако для слабогосигнала основной эффект группирования создается вторымрезонатором. Поэтому распределение электронов в сгусткепрактически будет определяться этим резонатором,асимметрия в сгустке будет незначительной, а зависимостьтока от времени практически такой же, как в некоторомдвухрезонаторном клистроне, состоящем из второго итретьего резонаторов, в котором модуляция скоростипроизводится напряжением U 2 .В связи с этим максимальная амплитуда первойгармоники конвекционного тока в сечении z3 третьегорезонатора, максимальные значения выходной мощности иэлектронного КПД останутся такими же, как вдвухрезонаторном клистроне. Однако коэффициент усиления для слабого сигнала втрехрезонаторном клистроне сильно увеличится, так как требуемое группированиеэлектронов для получения той же мощности обеспечивается теперь из-за наличияпромежуточного резонатора при значительно меньшем входном сигнале.Усиление большого сигнала.
Будем no-прежнему считать, что все резонаторынастроены на частоту сигнала. Пространственно-временная диаграмма при большомсигнале показана на рис. 2.17,б.В этом случае уже первый резонатор обеспечивает сильное группирование электронов.В результате модуляции скорости во втором резонаторе происходит дополнительное33группирование электронов около «нового» невозмущенного электрона О', т.
е. растетчисло электронов в сгустке. Это приводит к некоторому увеличению амплитуды первойгармоники конвекционного тока, выходной мощности и электронного КПД по сравнениюс оптимальным режимом двухрезонаторного клистрона. В многорезонаторных клистронахс числом резонаторов более трех указанный эффект наблюдают даже при усилениислабого входного сигнала, так как при большом коэффициенте усиления напряжениесигнала на каком-то промежуточном резонаторе оказывается значительным и далеепроцессы будут подобны процессам в трехрезонаторном клистроне при большом входномсигнале (как на рис. 2.17,б).34§ 2.7. Параметры и характеристики многорезонаторногоклистронаКоэффициент усиления в режиме слабого сигнала.
Предположим, что все резонаторынастроены на частоту сигнала. При слабом входном сигнале результат группирования втрехрезонаторном клистроне, как уже отмечалось в § 2.6, практически такой же, как вдвухрезонаторном клистроне. Теория двухрезонаторного клистрона, примененная ктрехрезонаторному клистрону*, приводит к уравнению группирования, по видусовпадающему с уравнением (2.19), если вместо параметра группирования Х взятьнекоторый эффективный параметр группирования, определяемый соотношениемгдеФизический смысл величин (2.54) следующий: X 13 —параметр группирования,получающийся при удалении второго резонатора, а X 23 —при удалении первогорезонатора, но при подведении ко второму резонатору напряжения U 2 ; θ12 —угол пролетамежду первым и вторым резонаторами, а θ 23 —между вторым и третьим.При усилении слабого входного сигнала ( U1 << U 0 ) параметр X 13 , характеризующийработу клистрона в отсутствие второго резонатора, мал ( X 13 <<1) и ограничен влиянием силрасталкивания в пучке (см.
§ 2.5). Так как U 2 >> U1 , то X 23 >> X 13 и по формуле (2.53)Х эф ≈ Х 23 . Эффективный параметр становится большим, так как он практическиопределяется результатом действия второго резонатора.Аналогично формуле (2.43) напишем формулу для мощности в третьем резонаторе:где М 3 —коэффициент взаимодействия в зазоре третьего резонатора, a G3 —эквивалентнаяпроводимость этого резонатора.Формула (2.51) для входной мощности сигнала при X 13 <<1 приобретает видКоэффициент усиления по мощности трехрезонаторного клистрона с учетом формул(2.55) и (2.56) равенВеличинаХ эф ≈ Х 23зависит отU 2 , а последняя—от входного сигналаU1 ,определяющего по формуле (2.54) значение X 13 .
Таким образом, Х эф является функциейX 13 . Если при слабом входном сигнале Х эф <<1, то функция Бесселя J 1 ( X эф ) ≈ Х эф / 2 и_________________*Лебедев И. В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. II. Изд. 2-е. М., «Высшаяшкола», 1972.35К у(р) пропорционален ( Х эф / Х 13 ) 2 . В этом случае коэффициент усиления тем больше, чемсильнее Х эф отличается от X 13 .Максимальное значение коэффициента усиления трехрезонаторного клистрона прислабом сигнале достигает ~35 дБ вместо ~15 дБ в двухрезонаторном клистроне.Дальнейшее увеличение числа резонаторов приводит к росту коэффициента усиленияпримерно на 20 дБ на каждый добавляемый резонатор.
Для оценки коэффициентаусиления обычно используют приближенную формулу:К у ( Р ) =l 5 +20(N-2) дБ,(2.58)где N — полное число резонаторов. Возможно получение К у ( Р ) >100 дБ, однакопрактически при больших коэффициентах усиления появляется опасностьсамовозбуждения из-за наличия паразитной обратной связи.Принципиально важно, что сильный рост коэффициента усиления при N>2 объясняетсяне увеличением выходной мощности, а тем, что при большем числе резонаторов из-заболее эффективного группирования для получения прежней выходной мощноститребуется значительно меньший входной сигнал.Выходная мощность и электронный КПД в режиме большого сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
