29_kospect_electro (555831), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Для самовозбужденияклистрона и поддержания стационарных колебаний необходимо выполнить баланс фаз и балансамплитуд.Оптимальный угол пролета в пространстве дрейфа при наличии запаздывания на угол ϕ 0c в линии3обратной связи равен θ опт + ϕ ос = 2π (π + ) .4ωl3(16.16)+ ϕ c = 2π (π + )4e2 U0mθоптθоптРис.16.10 Зонный механизм генерации колебаний вдвухрезонаторном клистронном генераторе.Существует множество дискретных значений U, при которых возможны автоколебания.
Областизначений ускоряющего напряжения называются зонами генерации.При вариациях ускоряющего напряжения U 0 в пределах зоны генерации для выполнения фаз балансадолжны изменяться частоты колебаний. Это явление называется электронной перестройкой частоты.Баланс амплитуд: клистрон может генерировать колебания только в том случае, если ток электронноголуча I 0 превосходит некоторое определенное значение, называемое пусковым током. При токеменьшем пускового, электронный луч передает в выходной резонатор энергию не достаточную дляпотерь во входном и выходном резонаторе.Мощность и КПД такая же, как и в двухрезонаторных клистронах.Сравнительно узкое применение в качестве генераторов средней мощности в кор.
части см.диапазоне имм. диапазоне, где создание генераторов соответствует мощности затруднено.Основное назначениеколебаний высокой стабильности ( вводится в цепь обратной связи высокозатворная колебательнаясистема).Диапазон частот клистронных генераторов: 5,5-44ГГц Их выходная мощность 0,2-200 Вт. Ониприменяются в системах связи, в радиолокации, радиомаяках, а так же для накачки параметрическихусилителей.Многорезонаторные клистроны.Принцип работы. Двухрезонаторные клистроны не обеспечивают больших коэффициентов усиления иКПД.
Это из-за влияния пространственного заряда электронов в потоке (с увеличением тока ухудшаетсягруппирование электронного потока). Возможно каскадное включение клистронов (усложнение схемэлектропитания)Более целесообразно применять многорезонаторные клистроны.Рис.16.11 Схематическое изображение трехрезонаторного клистронаРис.16.12 Пространственная временная диаграмма группировкиэлектронного потока в трехрезонаторном клистроне.Входной сигнал мал. Все резонаторы настроены на частоту входного сигнала. U 1 (t ) -напряжение околопервого резонатора. Электроны группируются около невозмущенного электрона 0.Модуляция поплотности и скорости слаба.(Х<<1).Конвекционный ток в плоскости резонатора P2 почтисинусоидальный.
Второй резонатор не нагружен и имеет большую добротность. Поэтому напряжениеU 2 (t ) ,создаваемое на резонаторе Р2 наведенным током, велико, и оно оказывает сильное тормозящеедействие на электронный поток. Напряжение U 2 (t ) противоположно по фазе первой гармоникеконвекционного тока. Для резонатора P2 невозмущенным электроном будет электрон 0',проходящий вмомент времени, когда U 2 (t ) =0.Второй резонатор обеспечивает группирование около новогоневозмущенного электрона 0'отстоющего от старого невозмущенного электрона 0 на угол π / 2 .Послевторого резонатора прямые на пространственно-временной диаграмме резко изменяют наклон,группировка электронов улучшается.Совместное воздействие двух резонаторов P1 и P2 значительно сильнее, чем при одном резонаторе, чтоприводит к значительной группировке в зазоре третьего резонатора.Сочетание двух резонаторов вместо одного создает эффект воздействия пилообразного модулирующегонапряжения.Параметры и характеристики многорезонаторного клистрона.Коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона при слабом входном сигнале 30-35 дб.Эмперическое соотношение для оценки коэффициента усиления в клистроне с числом резонаторов NКу=15+20(N-2)дбКоэффициент усиления достигает 60-70 дб, эта величина ограничена самовозбуждением колебаний изза паразитных обратных связей.Коэффициент полезного действия до 74%Рис.16.13Амплитудные характеристики многорезонаторного клистрона.1-режим синхронной настройки резонаторов (1-наибольший коэфф усиления)2-режим максимальной мощности при расстройке промежуточного резонатораI1 =1,48 I максимальная амплитуда первой гармоники конвекционноготока (2-меньший коэфф усиления)Клистроны импульсные и непрерывного действия.Импульсные клистроны макс мощность - 100ВтНепр.действия-100квтМноголучевые клистроны, клистроны с распределенным взаимодействием.Рассмотрим физические процессы происходящие в отражательном клистроне.Отражательный клистрон это маломощный генератор СВЧ колебаний, в котором имеется только одинрезонатор, выполняющий функцию модулирования электронов по скорости и отбора СВЧ энергии отмодулированного по плотности электрического потока.(рис.16.14)Рис.16.14 Устройство отражательного клистронаОсновные элементы конструкции: отражатель, катод, ускоряющий электрод, съемный резонатор,отражатель(на который подано отрицательное напряжение по отношению к катоду).Поток электроноввозвращается под действием тормозящего поля к резонатору и в результате группировки потока приопределенной фазе СВЧ поля отражают энергию резонатору.Рис 16.15 Пространственно временная диаграмма движенияэлектронов в отражательном клистроне.В режиме стационарных колебаний между сетками резонатора существует напряжениеU 1 (t ) .Электроны, ускоренные напряжением U 0 , входят в зазор резонатора, модулируются по скоростиэлектрическим полем колебаний U 1 (t ) и поступают в пространство между резонатором и отражателем.При движении в тормозящем электрическом поле, создаваемом отражателем, скорость электроновуменьшается, становиться равной нулю и они возвращаются к зазору резонатора.
В результатедвижения электронов от резонатора а отражателю и обратно происходит их группирование.Сгруппированный электронный поток должен возвращаться в резонатор в пределах тормозящегополупериода, когда он отдает энергию полю резонатора и тем самым поддерживает колебания врезонаторе.
При этом, надо иметь ввиду, что например, полупериод поля ускоряющий для электронов,идущих от катода, одновременно будет тормозящим для электронов возвращающихся в резонатор поддействием напряжения на отражателе.Рис.16.16 Принцип группирования электронов в отражательном клистроне.Электроны группируются около невозмущенного электрона.3θ = 2π (n + )(16.17)4n = 0,1,2...Передача энергии от потока к резонатору максимальна при θ = θ опт ,передача энергии уменьшается приθ ≠ θ опт и полностью прекращается при θ = θ опт −πили θ = θ опт +π,т.е. в момент прохождения22невозмущенным электроном резонатора при нулевом поле. При этом одна половина сгруппированногоэлектронного потока попадает в ускоряющее поле, другая - в тормозящее (в среднем энергии сколькоотбирается, столько и возвращается)n-номер зоны генерации (n-число полных пропущенных периодов напряжения на резонаторе за времяпролета невозмущенных электронов)Мощность, передаваемая от модул.
эл. потока резонатору, носит зонный характер, угол пролета иследующий номер зоны генерации колебаний выбираются регулировкой напряжения.P = I 0 M 1 J 1 ( X )U 1 Параметр группирования X = M 1U1θ 0 → U 1 = 2 XU 0 / θ 0 M 12U 03Принимая θ 0 = θ оопт = 2π (n + ) получаем:4XJ 1 ( X )XJ 1 ( X )P = I 0U 0= P0π ( n + 3 / 4)π ( n + 3 / 4)В центре зоны максимальный электронный КПД:XJ 1 ( X )Pη МАКС = =P0 π (n + 3 / 4)(16.18)(16.19)Электронный КПД отражательных клистронов В разных зонах оказывается неодинаковым иуменьшается с ростом номера зоны n. Макс. электронный КПД отражательных клистронов меньше, чему пролетных. Реальные значения КПД не превышают нескольких процентов.Условия генерирования незатухающих колебаний в отражательном клистроне выполняются прибалансе фаз и балансе амплитуд. Баланс фаз в отражательном клистроне выполняется при условии что,сгусток электронов приходит из пространства отражателя к сеткам резонатора в тот момент, когдавысокочастотное поле между сетками тормозящее.Угол пролета невозмущенного электрона.4lωU0θ0 =*θ опт = 2π (π + 3 / 4) w = 2πf(16.20)2e / m U 0 + U отрНапряжение отражателя, при котором выходная мощность максимальна, соответствует оптимальнымуглам пролета и может быть определена по формуле2lω U 0U отр =−U0(16.21)2eπ( n + 3 / 4)mВыбор зон генерации по направлению отражателяРис.16.17 Электронная перестройка частоты ( изменение частотыгенерируемых колебаний при изменении напряжения наотражателе или ускоряющего напряжения.)Изменение напряжения на отражателе приводит к изменению угла пролета невозмущенного электрона ифазового сдвига между первой гармоникой конвекционного тока и напряжением на резонаторе.Скорость электрона при выходе из зазора резонатора определяется уравнением скоростноймодуляцииMU 1VV = V0 (1 +sin ωt ) = V0 + V1 sin ωtV1 = M 1U 1 0(16.22)2U 02U 0t1 -время прохождения электрона через центр зазора в прямом направлении,u1-амплитудасинусоидального напряжения между сетками резонатора.В пространстве между резонатором и отражателем действует электрическое поле с напряженностьюU 0 − U отрE=lUо-уск.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
