Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 8
Текст из файла (страница 8)
В § 2.6 прирассмотрении рис. 2.17,б отмечалось, что при большом входном сигнале втрехрезонаторном клистроне с одинаковой настройкой резонаторов дополнительноегруппирование в пространстве между вторым и третьим резонаторами приводит кувеличению амплитуды первой гармоники конвекционного тока, выходной мощности иэлектронного КПД. Однако при этом сгусток электронов перестает быть симметричным,так как невозмущенный электрон О на рис. 2.17,б, являющийся центром сгустка послепервого резонатора, «уступает» эту роль во втором резонаторе электрону О', идущемупозже на четверть периода.Оказывается, что расстройкой промежуточного резонатора относительно частотысигнала можно получить дополнительный выигрыш.
При расстройке второго резонаторанапряжение на нем смещается по фазе относительно первой гармоники конвекционноготока, т. е. изменяется интервал времени между приходом «старого» и «нового»невозмущенных электронов О и О'.На рис. 2.17,в рассмотрен случай, когда напряжение U 2 (t ) опережает на 90°напряжение, которое было на рис.
2.17,б при отсутствии расстройки второго резонатора.В этом случае невозмущенный для первого резонатора электрон будет невозмущенным идля второго резонатора (О и О' совпадают), сгусток все время остается симметричным и врезультате дополнительного группирования становится более коротким и содержащимбольшее число электронов.
В образовании сгустка участвуют теперь удаленныеэлектроны 4 и 5. Очевидно, что требуемый сдвиг фазы 90° можно получить лишь прирасстройке второго резонатора в сторону более высоких частот до значения, при которомток в резонаторе сдвинут относительно напряжения также на 90°.Теоретический анализ показывает, что в трехрезонаторном клистроне при большомвходном сигнале и расстройке второго резонатора, приводящей к сдвигу фазы на 90°,предельные значения амплитуды первой гармоники конвекционного тока и электронногоКПД составляют 1,48 I 0 и 73,8% соответственно. В двухрезонаторном клистроне ониравны 1,16 I 0 и 58,2%, т. е. меньше примерно на 30%.В реальных условиях следует учитывать, что сдвиг фазы на 90° во втором резонаторе,соответствующий значительной расстройке, приводит к уменьшению эквивалентногосопротивления резонатора, а следовательно, и амплитуды напряжения, создаваемого вэтом резонаторе наведенным током. Снижение напряжения ослабляет эффектдополнительногогруппирования (уменьшается параметр X 23 ), поэтому максимальные36значения выходной мощности и электронного КПД наступят при некотором оптимальномсдвиге фаз, меньшем 90°.В многорезонаторных клистронах с числом резонаторов более трех максимальныезначения выходной мощности и электронного КПД увеличиваются, однако их приростпри добавлении одного резонатора становится все меньше и меньше, чем при переходе отдвухрезонаторного клистрона к трехрезонаторному.Амплитудные характеристики многорезонаторногоклистрона показаны на рис.
2.18. Характеристика 1соответствует режиму синхронной настройки резонаторов, ахарактеристика 2—режиму получения максимальноймощности и КПД. Крутизна начального участкахарактеристики 1 велика, так как при совпадениисобственных частот резонаторов и малом сигнале получаетсянаибольшийкоэффициентусиления.Участокхарактеристики с большим значением мощности (областьнасыщения) невелик, далее с увеличением входного сигналав этом режиме резко падает выходная мощность.Характеристика 2 соответствует расстройке промежуточныхрезонаторов. Начальный участок имеет меньшую крутизну (меньший коэффициентусиления), но область насыщения оказывается широкой.Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. В режиме синхроннойнастройки ширина полосы пропускания определяется добротностью резонаторов и онаменьше, чем при расстройке резонаторов, производимой для получения максимальноймощности и КПД.
Полоса пропускания составляет десятые доли процента всантиметровом диапазоне волн и несколько процентов — в дециметровом. Фазочастотнаяхарактеристика клистрона определяется фазочастотными характеристиками резонаторови зависит от настройки резонаторов.37§ 2.8. Особенности устройства и параметры усилительных пролетных клистроновПо роду работы клистроны подразделяют на импульсные и непрерывного действия.Импульсная работа обеспечивается подачей импульсов напряжения на резонаторы илиуправляющий электрод (модулятор). Частота повторения импульсов обычно порядканескольких сотен или тысяч герц, а длительность :составляет от долей микросекунды донескольких микросекунд и даже миллисекунд при низкой частоте следования импульсов.По уровню мощности выделяют маломощные, средней мощности и сверхмощныепролетные клистроны.
В дециметровом диапазоне мощность в импульсе у маломощныхимпульсных клистронов менее 10 кВт, у клистронов средней мощности от 10 кВт — до 1МВт, у сверхмощных—более 100 МВт. Для клистронов непрерывного действия мощностьсоответственно меньше 10 Вт, от 10 Вт—до 1 кВт, от 1 до 100 кВт—более 100 кВт.В клистронах применяется электромагнитная и электростатическая фокусировка ифокусировка полем постоянных магнитов. Для ввода и вывода СВЧ-энергии используюткоаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы. По конструкциирезонаторов пролетные клистроны делятся на клистроны с внутренними и внешнимирезонаторами.
В некоторых клистронах предусмотрена механическая перестройкарезонаторов в процессе эксплуатации (перестраиваемые клистроны). Охлаждениеклистронов может быть естественным или принудительным (газ, жидкость, контакт).Основная мощность электронного потока рассеивается на массивном коллекторномэлектроде с конусным углублением для распределения потока электронов на бóльшуюповерхность.На рис.
2.19 приведены фотографии мощных усилительных клистронов— импульсногоКИУ12 и непрерывного действия КУ304 и КУ310А, параметры которых даны в табл. 2.Для повышения КПД клистронов применяют метод торможения электронов наколлекторе. Этот метод, используемый также в лампахбегущей волны, кратко рассмотрен в § 4.4. В последнеевремя теоретически и экспериментально исследуетсявозможность получения высокого КПД клистроновнастройкой промежуточного резонатора на вторуюгармонику. Ожидается получение КПД, равного 60—70%.многолучевыхпролетныхИзвестныконструкцииклистронов, в которых обеспечивается одновременноевзаимодействие нескольких параллельных электронныхпотоков с СВЧ-полем резонаторов. Это увеличиваетвыходную мощность, а при той же мощности—уменьшаетнапряжение источника питания, общего для всех лучей.38Представляют большой интерес клистроны с распределенным взаимодействием.
Вних выходной, а иногда и промежуточные резонаторы заменяют цепочкой связанныхрезонаторов (рис. 2.20). Последовательное взаимодействие электронного потока с полемцепочки резонаторов увеличивает КПД и полосу пропускания.Конвекционный ток пролетного клистрона содержит много гармоник, поэтомуклистрон можно использовать для умножения частоты сигнала. В двухрезонаторномумножительном клистроне выходной резонатор настроен на частоту гармоники, апараметр группирования подобран для получениямаксимумаамплитудыконвекционного токаТаблица 2Параметры некоторых усилительных клистроновТип клистронаХарактеристикаКУ304КУ310АКИУ12Рабочая частота или0,84—0,860,47—0,552,8диапазон частот, ГГцРежим работыНепрерывный НепрерывныйИмпульсныйВыходная мощность,101520000кВтУсиление, дБ403540Ширина полосы, МГц6814 (на уровне0,4дБ)КПД, %352740Напряжение, кВ1615280Длина, м1,21,251,3Масса, кг608550гармоники (см.
рис. 2.9). Однако с ростом частоты мощность колебаний в резонаторепадает и практически при умножении частоты в 5—10 раз выходная мощность непревышает нескольких сот милливатт.39Глава 3 ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОНОтражательный клистрон—маломощный генератор СВЧ-колебаний.Принцип его работы, как и пролетного клистрона, основан на преобразовании энергиипостоянного электронного потока в энергию СВЧ-колебаний при кратковременномвзаимодействии потока с СВЧ-полем.
Конструкции отражательных клистронов былипредложены в 1940 г. Н. Д. Девятковым и независимо от него— В. Ф. Коваленко.§ 3.1. Принцип работыОсновные элементы отражательного клистрона показаны на рис. 3.1.В отличие от пролетного клистрона в отражательном клистроне имеется только одинрезонатор, который должен выполнять две функции: модулировать скорость электронов иотбирать СВЧ-энергию от модулированного по плотности электронного потока. Чтобыобеспечить выполнение обеих функций, необходимо вернуть в резонатор электронныйпоток, прошедший через сетки резонатора при движении от катода.
Поток поворачивают спомощью отражателя, имеющего отрицательный потенциал U отр по отношению к катоду.В пространстве между резонатором и отражателем электроны тормозятся до нулевойскорости и начинают обратное движение к резонатору под действием того жеэлектрического поля, которое для них теперь является ускоряющим.Движение электронов в отражательном клистроне можно пояснить с помощьюпространственно-временной диаграммы (рис. 3.2). По оси ординат отложено смещениеэлектронов z от середины резонатора, а по оси абсцисс—время. Максимальные значения zсоответствуют точкам поворота различных электронов.Невозмущенные электроны 1, 5, 9 имеют одну и ту же точку поворота и одинаковыйугол пролета.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
