Главная  Электронные квантовые приборы СВЧ 

1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

щее напряжение Uo. то электронный поток оказывается недогруп-пированным. Коэффициент полезного действия и выходная мощность при этом падают. Уменьшение кпд наступает также при перегруппировке пучка, когда значение параметра X превышает оптимальную величину.

Важными параметрам.и двухрезонаторного клистрона являются коэффициент усиления по напряжению .и по мощности, а также ширина полосы пропускания.

Коэффициентом усиления по напряжению называется отношение

где Uz ч Ui - .напряжения на выходе и на входе соответственно.

Коэффициентом усиления по мощности называется отношение вы.ходной мощности Р к мощности, поступающей во входной резонатор. Обычно указьшают коэффициент усиления в децибелах:

Cp = 10lgP/P3x- (3-18)

Выходная мощность, поступающая в нагрузку с выхода клистрона, не равна мощности, отдаваемой полю резонатора электронным потоком, так как частично мощность теряется при дополнительной модуляции электронного потока по скорости и в виде тепла в резонаторе:

P = 0,5t;g2 .

(3.19)

(3.20)

где - эквивалентная проводимость нагрузки, подключенной к выходному резонатору.

Амплитуда высокочастотного напряжения Uz на сетках выходного резонатора при настройке его в .резонанс

,j 2MlaJi (Х) Ui = - =- ,

где i2H - ам.плитуда наведенного тока в выходном резонаторе; g2=g2n+g2u+Sze - эквивалентная проводимость выходного резонатора при .резонансе, равная сумме трех проводимостей: проводимости потерь в резонаторе g2n, эквивалентной проводимости нагрузки резонатора g2u и электронной проводимости g2e, обусловленной прохождением электронного потока через зазор резонатора. Подставив (3.20) в (3.19), получаем

Мощность Явх, поступающая на вход .клистрона, расходуется на потери в самом резонаторе и на модуляцию электронного потока по cKiopocTH PBx = Pin+Pie. Влиянис элсктронного потока на резонатор можно представ.ить в виде эквивалентной проводимости gie=2PielUi., а проводимость потерь

gin = 2Р, /С/2.

Тогда

-Pex = 0.5t;2(g. + J- (3.22)

Используя (3.22) и (3.21), получаем выражение для коэффи-►leHTa усиления по мощности

(3.23)

Выразив Ui через параметр группцровки X из (3.6) и подставив в (3.23), получим

Ср = lOig

82Н

giSlr, + gie)

[{алогично коэффициент усиления по напряжению

(3.24)

(3.25)

Г

Анализ выражений (3.24) и (3.25) показывает, что максималь-ое значение коэффициента усил.ения получается при малых ве-▼личинах параметра группировки Х,<1, т. е. ори малых ампли-

тудах входного сигнала. В связи с этим .различают два режима работы клистронного усилителя: .максимального усиления и .максимальной выходной мощности. Рассмотрим р.ис. 3.6а. Выходная мощность вначале

1Вых

Рис. 3.6. Характеристики

пролетного клистрона: а) амплитудная; б) амп.пи-тудно-частотная


линейно растет с увеличением Р^л, а затем наступает насыщение. .Максимальное значение выходной мощности достигается при X=il,84. Коэффициент усиления максимален на линейном участке характе1ристики (при Х<\) и при ув.еличвнии Рвх уменьшается. Как следует из выражения (3.24), неограниченное увеличение иления возможно при увеличении длины .пространства дрейфа или при уменьшении ускоряющего напряжения. Такой вывод получен потому, что в описанной выше теории не учтены силы пространственного заряда. При группировке одновременно с образованием электронных сгустков (пространственного заряда) возникает поле пространственного заряда, уменьшающее степень групп.И(ро-вания. Чем длительней движение электронов в просфанстве дрейфа, т. е. чем больше 6о, тем сильнее проявляется расталкивающее действие сил пространственного заряда. Более точная теория позволяет учесть эти эффекты и определить предельно возмож1Ные значения Оо, т. е. предельное значение коэффициента усиления. , - зэ -



Обычно двухрезонаторные клистроны имеют коэффициент усиления по мощности порядка 10-\15 дБ.

Двухрезонаториый клистроиный усилитель является узкополосным, поскольку используются высокодобротные резонаторы. Полоса пропускания исчисляется несколькими десятыми долями процента от резонансной частоты (рис. 3.66).

Интересны также шумовые характеристики двухрезонатарного клистрона. Надо отметить, что уровень шумов клистронов велик, поэтому в качестве входных усилителей слабых сигаалов они не применяются. Основными источниками шума являются: шумы дробового эффекта, создаваемые шо входном резонаторе электронным потокам и усиливаемые затем вместе с сигналом, а также тепловые шумы во входном и выходном резонаторах. Значительные шумы характерны не только для двухрезонаторных, но и многорезо-наторных клистронов. Поэтому усилительные клистроны применяются в основном в выходных каскадах передатчиков.

§ 3.2. ДВУХРЕЗОНАТОРНЫЕ КЛИСТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Рассмотрим рис. 3.7. Между входным и выходным резонаторами клистронного генератора есть коаксиальная линия обратной связи. Для самовозбуждения клистрона и поддержания стационарных колебаний необходимо выполнение условий баланса фаз


3-с

Рис. 3.7. Схема двухрезонатор-ного клистронного генератора:

/ - катод; г -вывод энергии; 3 - коллектор; 4 -цепь обратной связи

И баланса амплитуд. Эти условия требуют, чтобы напряжение, подаваемое на вход клистрона через цепь обратной связи, было в фазе с напряжением во входном резонаторе и было равным ему по амплитуде в установившемся режиме.

Колебательная система генератора рис. 3.7 весьма сложна и оастои ! из двух связанных контуров. Б такой резонансной системе существуют два вида колебаний с резонансными частотами щ, и 0)2, зависящими от собственных частот изолированных резонаторов и связи между ними. Эти виды колебаний различаются фазой поля в резонаторах при одинаковых резонаторах. Фазовый сдвиг может быть равен либо О, либо п. (В первом .случае колебания называют синфазными, во втором - противофазными.

Рассмотрим рис. 3.8. Для отдачи максимальной энергии сгуст-электронов должны проходить выходной резонатор в момент максимального тормозящего поля. Центром сгустка будет элект-tpoH, который проходит пе1рвый зазор в момент перехода от тор-

а) и, t

воп

Рис. 3.8. Кривые напряжений на зазорах клистронного генератора: - а) входном; б) выходном;

-синфазные

---противофазные

мозящего поля к ускоряющему. Из рис. 3.8 видно, что в этом случае оптимальный угол цролета в пространстве дрейфа должен I составлять при синфазном колебании контуров

е„ = 2я(п -0,25), п = 1. 2. 3

J В случае противофазных колебаний

во = 2я(п -1- 0,25).

9 При наличии запаздывания на угол <pi в линии обратной свя-зи фазовое условие самовозбуждения принимает вид

W Во + f 1 = 2я (п + 0,25).

Так как угол пролета между резонаторами

{то фазовое условие самовозбуждения можно записать так: + ф1 = 2я (п ± 0.25). (3.26)

Условие баланса фаз можно обеспечить для целого ряда ча- стот, что будет соответствовать .различным значениям п. .Вследствие этого существует множество дискретных областей значений Uo, при которых, в принципе, возможны автоколебания. Эти области носят название зон генераций. Так как .колебательная система имеет две резонансные частоты 1 и <02, то ур-ние (3.26) можно записать в виде двух уравнений, отличающихся величи-нам.и резонансных частот. Поэтому зоны генерации двухрезонатор-ного клистрона оказываются в общем случае двойными, так как для каждого значения п существует два оптимальных значения ускоряющего напряжения Ug.



При вариациях ускоряющего напряжения Uo в пределах зоны из-за изменения фазовых условий самовозбуждения меняется частота колебаний. Это называется электронной настройкой.

Вторы.м необходимым условием самовозбуждения двухрезона-торного клистрона является баланс амплитуд. Клистрон может генерировать колебания только в том случае, если ток электронного луча /о превосходит некоторое определенное значение, называемое пусковым током. При токе, меньшем пускового, электронный луч переносит в выходной резонатор энергию, недостаточную для покрытия потерь во входном и выходном резонаторах.

Максимальные выходная мощность и кпд двухрезонаторных генераторов имеют такой же порядок, как и в двухрезонаторных усилителях. Описанные клистроны могут применяться в качестве генераторов малой и средней мощности с частотной модуляцией.

Клистронные умножители частоты. Ток электронного пучка в клистроне содержит большое число высших гармоник, интенсивность которых зависит от значения параметра группировки X. Это позволяет, используя двухрезонаторные клистроны, добиться эффективного умножения частоты в несколько раз.

Рис. 3.9. Схема двухрезонаторного клистрона - умножителя частоты:

/ - катод. 2 - коллектор

Рассмотрим (РИС. 3.9. Входной резонатор настроен на частоту умножаемого напряжения, а выходной резонатор настраивается на частоту, в п раз более высокую, чем входной резонатор.

Коэффициент полезного действия умножительных клистронов весьма мал и составляет несколько процентов.

Умножительные клистроны позволяют создавать на свч многокаскадные передающие устройства, в которых для повышения стабильности частоты могут использоваться маломощные задающие генераторы, работающие на более низких частотах. Использование низких частот и малых уровней мощности позволяет облегчить решение задачи по стабилизации частоты передающего устройства. Подавая стабилизированные кварцем колебания на вход клистронного умножителя, .можно получить высокостабильные колебания более .высокой частоты.

Двухрезонаторные клистронные умножители обычно имеют коэффициент умножения д от 3 до 10. При получении больших значений п выходная мощность становится очень малой.

§ 3.3. МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ КЛИСТРОНЫ

Двухрезонаторные клистроны не обеспечивают достаточно высокого значения коэффициента усиления и кпд. Для достижения большего усиления можно .применять последовательное соединение нескольких клистронов. Однако гораздо выгоднее использовать для этого многорезонаторные клистроны, которые имеют большой коэффициент усиления и высокие з(начвния выходной мощности кпд.

Рассмотрим рис. 3.10. Между входным и выходным резонатором вдоль электронного луча располагается еще один промежуточ-

Рис. 3.10. Схема трехре-зонаторного клистрона:

/ - катод; 2 - .коллектор

l!L.

Г

©

©

®

ный резонатор, который не связан с внешней натруз1КОЙ. Число промежуточных резонаторов может быть и больше, но практически редко превышает три. Промежуточный резонатор играет роль выходного резонатора по отношению к первому резонатору и управляющего по отношению к выходному. Такая схема выгоднее, чем каскадный усилитель из двух двухрезонаторных клистронов, так как в ней необходим только один электронный пучок, что позволяет вдвое соК(ратить мощность постоянного тока; кроме того, из-sa уменьшения количества резонаторов упрощается их настройка, а также уменьшаются потери.

Как я в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе много резон а тор но го клистрона электроны модулируются по скорости. В дрос11ранстве дрейфа между входным и промежуточным резонатором происходит группирование электронного потока. Сгруппированный электронный поток создает в промежуточном резонаторе электромагнитные .колебания, амплитуда которых будет значительно больше, чем во входном резонаторе, так как промежуточный резонатор я!вляется высокодобротным. В промежуточном резонаторе, в свою очередь, электроны дополнительно модулируются по скорости, что позволяет существенно улучшить нх пруппирование и повышает эффективность взаимодействия электронного потока с полем выходного резонатора. Следовательно, во втором пространстве дрейфа группирование более интенсивно, чем в отсутствие промежуточного резонатора. Такова же роль и других промежуточных резонаторов. Процесс многократной модуляции по скорости и многократного группирования электронного по-



1 2 3 4 [ 5 ] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30