29_kospect_electro (555831), страница 21
Текст из файла (страница 21)
U 2 m sin(ωt − ϕ 2 ) .V – область коллектора, вспомогательная роль удаления электронов.Колебательные системы приборов СВЧ.Резонансная частота колебательного контура ω 0 =1LCс сосредоточенными параметрами. Обычные контура наСВЧ не применимы: геометрические размеры контуров сравнимы с (размерами) длиной волны.Полный резонатор представляет собой колебательную систему, геометрические размеры которой во всехизмерениях сравнимы с длиной волны и могут превосходить её. В общем случае это полость, то есть замкнутая совсех сторон часть пространства, ограниченная хорошо проводящей металлической поверхностью.
В полостисоздаётся электромагнитное поле типа пространственных стоячих волн (при определённых граничных условиях).Полный резонатор прямоугольной формыЦилиндрический резонаторf0 =C=cλ0; f0 =12π LCa2dS; L = 2∫r4dSλ0 = 2πC LC = πa2πR 2αrср1rср = [a + R + a (a + 2l ) ]22h bλ0 = πalndaЭто приблизительные выражения, так как не учитываются действительные ёмкости, вызванные краевымиэффектами.Для осуществления кратковременного (непрерывного) взаимосвязи электронного потока с СВЧ-полем требуетсярезонатор с отверстием, через которое может пропускаться электромагнитный поток.
В таком отверстиинеобходимо сосредоточить электрическое поле с направлением силовых линий, параллельным потокуэлектронов.Этим требованиям отвечает тороидальный резонатор, плоские стенки которого образуются сетками,проницаемыми для электронов и непроницаемыми для электромагнитного поля.Схема такого резонатора.Лекция 21.
Физические процессы в клистронахПространственно-временные диаграммы группирования электронов в пролетном и отражательном клистронах.Номер зоны генерации колебаний в отражательном клистроне Механизм электронной перестройки частоты вотражательном клистроне. Применение пролетного клистрона в качестве умножителя частоты.Клистронами называют электронные СВЧ приборы, использующие принцип скоростной модуляцииэлектронного потока и содержащие один или несколько резонаторов (фазовой группировки электронов).
Этоприборы с кратковременным взаимодействием электронов с высокочастотным электрическим полем. Клистроныподразделяются на усилительные, умножительные и генераторные. Их колебательные системы узкополосные,перестройка клистронных усилителей или генераторов в широком диапазоне волн, производимых обычномеханически путем изменения геометрических размеров резонаторов.Рис.16.1 Устройство двухрезонаторного пролетного клистрона.1 - Катод, 2 - ускоряющий электрод, 3 - входной резонатор илимодулятор, 4 - пространство дрейфа или группирования,5 - выходной резонатор, 6 – коллектор.В резонаторе имеются петли связи на входе и выходе, через которые колебания вводятся в резонатор ивыводятся из резонатора в нагрузки.Настройку резонатора на частоту производят либо при помощи гибких стенок, либо специальнымиплунжерами, вводимыми внутрь резонатора и меняющими его индуктивность или ёмкость.Рассмотрим принцип работы клистрона.
Для группирования электронного потока осуществляется воздействиена поток СВЧ - поля в затворе резонатора 3, в котором возбуждаются СВЧ - колебания напряжения U = Um sin ω t. Скоростями электронов на входе затвораU0 = V 2 R U0 / mU0 =2eU0mcПроцесс группирования электронов можно проанализировать с помощью пространственно-временныхдиаграмм:а)б)группирования электронов в слабом (а) и сильном(б) электрических полях.По горизонтальной оси отложено несколько периодов СВЧ - поля резонатора, по вертикальной осиположение электрона. А) Отсутствие СВЧ – напряжения, б) при наличии модулирующего СВЧ - напряжения.Большим скоростям электронов соответствует большие углы наклона.
Точки на оси времени определяютвходную фазу электронов в пространстве дрейфа множительного напряжения на затворе первого резонатора(поэтому это между фазовой группировки электронов). В каждом периоде образуется один сгусток , в центрекоторого находится электрон, прошедший зазор без изменения скорости, т.е. в момент перехода через нуль оттормозящего к ускоряющему полупериоду.Описанный принцип модуляции электронов по скоростям с последующей модуляцией их в пространстведрейфа по плоскости точки не сопровождается потреблением активной мощности. Катодная система оказываетсянезависимой от высококачественной цепи, что позволяет получать в таких системах пучки сильно ускоренныхэлектронов и обеспечить малые углы пролёта в управляющем зазоре резонатора 3.Недостаток метода – невозможность получения четко очерченных прямоугольных сгустков электроновпри синхронизирующем модуляционном напряжении в зазоре.
Для наилучшего уплотнения электронов требуетсяиглообразное модуляционное напряжение (это следует из теории (аналогии) фазовой теории в оптике).Рис. 16.2 Пространственновременные диаграммынапряжений для скоростной модуляции электронов.Продольное высоко-статическое электрическое поле в зазоре резонатора периодически ускоряет и замедляет, т.е.модулирует скорость электронов.В пространстве дрейфа быстрые электроны догоняют медленные, обеспечивая группирование электронов, т.е.преобразование модуляции электронного потока по скорости в модуляцию по плотности. В выходном резонаторе5,модулированный электронный поток создает на настроенном на частоту его внутренней стенки входногорезонатора 3 наведенный ток.
В резонаторе возникают колебания, между сетками появляется СВЧ электрическоеполе, которое при определенных условиях вызывает торможение сгруппированных электронов. В результатекинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний. Отработанные электроны поступаютна коллектор где рассеивают оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.Анализ основных процессов в клистроне – начинается с оценки скоростной модуляции электронов в СВЧ поле.Скорость электрона после прохождения зазора входного резонатора определяется из решения уравненияdVe= eE ,dfE-напряженность электрического поля в зазоре E = (U m sin wt ) / dmВремя пролета электрона в зазоре модулятора практически одинаково, τ 1 ≈(16.1dVet1-момент прохождения электроном середины зазораt1 −τ12-момент входа электронов в зазорt1 +τ1-момент выхода из зазора2Скорость электронов в указанные моменты V(0) и V из Ур .1 получаем скорость электронов при выходеиз зазора2eU mwT(16.2)V = V0 +sin wt1 sin 1 ,mwU 02UПри условии m << 1U0V = V0 (1 + M 1Umsin wt1 )2U 0(16.3)1sin θ12где M 1 =- коэффициент эффективности электронного взаимодействия1θ12θ1 − wτ 1 -угол пролета электрона в зазореРис.16.3 Сравнение синусоидальногои идеального пилообразныхЗависимость коэффициента М от угла пролета θ1 .
θ1 выбирают в пределах от π / 2...π Меньшеенежелательно из-за увеличения емкости эквивалентного сопротивления резонатора.Связь между моментом прохода электронов во второй резонатор и моментом прохождения их черезпервый при синусоидальной скоростной модуляцииРис.16.4 Зависимость М от угла пролета.t 2 = t1 +l,V(16.4)l-длина пространства дрейфаUl(16.3 → 16.4)(1 + M 1 m sin ωt1 ) −1V02U 0UU m << U 0 Раскладываем в ряд по малому параметру M 1 m оставляем два первых числа, получаем2U pUlt 2 = t1 + (1 − M 1 m sin ωt1 ) умножаем на ω получаемVp2U 0Uωl ωlωt 2 = ωt1 + − M 1 m sin ωt1(16.5)V0 V02U 0обозначаемUUωl(16.6)X = M1 m = M1 m θ0 ,V02U 02U 0это параметр группированияωl-средний угол пролета в пространстве дрейфа (невозмущенный угол пролета)θ0 =V0(16.7 → 16.6)ωt 2 − θ 0 = ωt1 − X sin ωt1 ,t 2 = t1 +это уравнение определяет фазу приближения ωt 2 электрона ко второму зазоруРис.16.5 Зависимость фазы прохода электрона к выходномурезонатору от фазы модулирующего напряженияВ отсутствие модулирующего напряжения , (U=0) X=0 (параметр группирования), происходитодинаковое для всех электронов запаздывание по фазе, электроны не группируются.При Х=1 наблюдается группирование тех электронов, которые пролетают середину резонатора винтервале времени ∆t1 около невозмущенного электрона.
Если ωt 2 = f (ωt1 ) -прямая АВ ,полноегруппирование электронов. Отсутствие полного группирования электронов вследствие синусоидальнойформы модулирующего напряжения.∆qКонвенционный ток i1 = 1 ток в зазоре на входе клистрона∆t1∆qi2 = 2 в выходном резонаторе за время ∆t 2∆t 2q1 = q 2 ; i2 =i1 = I 0 -постоянный ток источника ионов.
Из (7)i1i−> 1 ;dt 2∆t1∆t 2dt1dt 2= 1 − X cos ωt1dt1i2 =I01 − X cos ωt1(16.8)Рис.16.6 Зависимость конвенционного тока от временипри различных значениях параметра группирования Х.С увеличением Х интервал времени и интервал между биконечными пиками тока увеличивается, i2является периодической несинусоидальной функцией времени и может быть представлена рядом Фурье.∞i2 (t 2 ) = I 0 + ∑ I m cos m(ωt 2 − θ 0 )(16.9)m =1I m = 2 I 0 J m (mX ) ,(16.10)-амплитуда гармоники тока с номером mЕсли выходной резонатор настроен на частоту модулирующего напряжения w ,мощность в нем будетсоздавать колебания этой частоты, определяемые гармоникой электронного тока с амплитудами(16.11)I1 = 2 I 0 J 1 ( X )максимальное значение J 1 ( X ) = 0,58 при Х=1,84I (1) max = 2 I 0 * 0,58 = 1,16 I 0(16.12)Длина пространства дрейфа электронов в клистроне фиксирована.Отбор энергии от модулированного электронного токаАмплитуда первой гармоники наведенного токаI нав (1) = M 2 I1 , M 2 ,(16.13)-коэффициент электронного взаимодействия во втором резонатореВ выходном резонаторе, настроенном на частоту сигнала электронная мощностьUP = I нав (1) 2 = M 2U 2 I 0 J 1 ( X ) ,(16.14)2потребляемая мощность P0 = I 0U 0UPЭлектронный КПД η э == M 2 J1 ( X ) 2(16.15)P0U0Электронная мощность (14) растет при увеличении тока I 0 и напряжении на выходном резонаторе U 2M 2U 2 ≈ U 0 -для оценки рассматриваем(16) η эмах = J 1 ( X ) Максимальный электронный КПД η эмах = 0,58 при Х=1,84Реальный КПД 15...20% (из-за потерь в колебательной системе)Рис.16.7 Амплитудная характеристикаклистронаPвых -выходная мощностьК у -коэффициент усиленияРис.16.8 Амплитудно-частотнаяхарактеристика клистронаЗаметим, что увеличению коэффициента усиления в двухрезонаторном клистроне препятствует влияниепространственного заряда сгруппированного электронного пучка.Рассмотрим возможность реализации двухрезонаторных клистронов генераторовРис.16.9 Схема двухрезанаторного клистронаМежду входным и выходным резонаторами включена цепь обратной связи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
