|
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 тока называется каскадной группировкой. Наличие промежуточных .резонаторов позволяет получить оптимальное пруппирование электронов .при значительно меньшем нацряжении во входном резонаторе. Вследствие этого существенно уменьшается мощность, затрачиваемая во в.ходном резонаторе. Другими славами, увеличивается коэффициент усиления. нятоснпмТ™.!;!Г^ о^ а^ческнй анализ группировки в многорезо-наторном клистроне. Рассмотрим трехрезонаторнын клистрон. Обозначим через it. 12 и 1з время прохождения электронами средин зазоров первого второго и третьего резонаторов. Напряжение на пеовом зазоре будем считать равным Ustntat,. Тогда по аналогии с (3.7) можно написать уравнение движения электронов в промежутке между вторым и первым резонаторами в следующем виде: u)/2 = b)j + ei - Xisintoi, (3.27) где e,=o)/,2/t-e -невозмущенныи угол пролета в пространстве дрейфа между входным и промежуточным резонатором; Г, =0. - соответствующий пара- метр группировки. Напряжение на зазоре промежуточного резонатора t/aSin Ы^2 - 61 - + ф| - 1/2C0S(U)2 - 01 +ф). Уго.а <р определяется настройкой промежуточного резонатора. Определив скорость электронов во втором пространстве дрейфа, можно вычислить фазу прибытия электрона в центр третьего резонатора: и 3 = и /2 + 62 - бг -1 sin О) /1 + cos (w Gi -f ф), О)/23 где в2=невозмушенный угол пролета в пространстве дрейфа между промежуточным и выходным резонатором Обозначим Х21 = 62 и Х, = 2U 2Uo Подставляя (3.27) в (3.28) после преобразований, получим: со 3 = О) 1 + Gi -f 62 - Ai sin и 1 - Х21 sin ш 1 + cos (afi + if ~ Xi sin и f,); ® 3 = -f 61 + G2 - (Gi + G2) sin (u<i -f X2 cos (ati + 4>-Xi sin со l). MiUy (3.28) - (Gi + G2) 2 - параметр группировки при отсутствии промежуточного резонатора; - параметр группировки на участке /гз. Уравнение (3.28) окончательно может быть приведено к виду ю- 61 - ва = О) /1 - sin й) + Xi COS (ш <j -Ь ф - Xi sin м / J. (3.29) Это, урав,не1ние, как! и ур-ние (3.7) в теории двухр©зонаторны1х клистронов, определяет характер пруппировки и форму волны конвекционного тока. Величину конвекционного тока в выходном резонаторе можно определить аналогично §ЗЛ. Количественный анализ показывает, что в трехрезонатор.ном клистроне амплитуда О.ОНОБНОЙ гармоники тока увеличивается примерно на 15% по сравнению с двухрезонаторным клистроном. Теоретический элек- D тронный кпд трехрезонаторного клистрона равен 74%- Однако реальный кпд значительно ниже и составляет 35-50%. Коэффициент усиления многорезонаторных клистронов зависит от числа .промежуточных резонаторов. Теоретически можно создать клистроиный усилитель с любьш коэффициентом усиления. Однако по мере возрастания числа резонаторо,в, т. е. увеличения числа каскадов усиления, труднее исключить самовозбуждение усилителя. Коэффициент усиления Л^-резонаторного клистрона можно ориентировочно определить пр.и помощи следующего эмпирического соотношения (в дБ): G = 15-h(iV -2)20. Многорезонатор.ные клистроны позволяют получить уоиление до 90 дБ и выходную мощность около 100 кВт в непрерывном режиме и до 50 МВт .в .импульсном режиме. Для фокусировки электронного потока чаще всего используют постоянное магнитное .поле соленоида. Однако фокусирующие системы TaiK<oro типа громоздки .и имеют большую iMaccy. Перопек-тивно применение периодической электростатической фокусировки при разработке многорезонаторных клистронов, что позволит резко уменьшить массу дриборов. Многорезонаторные пролетные клистроны широко применяются в выходных каСкадах мощных передатчиков дециметровых и сантиметровых волн. Большое усиление, свойственное таким клистронам, позволяет использовать маломощные предыдущие каскады, энергетические показатели которых незначительно влияют на общий кпд передатчика. Характеристики передатчика также в основном определяются характеристиками .оконечного каскада на клистроне. В клистронных передатчиках практически возможны все виды модуляции. В многоканальных передатчиках для тропосферной связи .используются как ча1СТОт,ная, так .и однополосная модуляция. При передаче телевизионного .сигнала по тропосферным .радиоре-лейны.м линиям применяется частотная .модуляция. В вещательных телевизионных передатчиках на клистроне используется ам- плитудная модуляция, а в радиолокационных - импульсная. Свойства клистрона определяют рядом характеристик: зависнув мостью выходной М'ощности или коэффициента усиления от вход-Вной мощности .при фиксированной частоте и зависимостью выход-ной мощности от частоты цри фиксированном значении входной Щ МОЩ.НОСТИ. Как и в .случае двух1резонаторного кл.истрона (рис. 3.6). . выходная мощность линейно возрастает с увеличением Рви. дости-щ гает насыщения и затем уменьшается. Коэффициент усилени.я А имеет наибольшее значение .на .начальном линейном участке ха-* рактеристики и при увеличении Рвх уменьшается. Поэтому мно-У горезонаторный клистроиный усилитель также имеет два режима работы: максимального усиления и максимальной выходной мощности. Амплитудно-частотная характеристика позволяет определить ширину полосы пропускания усилительного клистрона. Обычно ширина полосы пропускания измеряется по уровню половинного значения выходной мощности (уровень 3 дБ) от максимального значения в полосе пропускания. Для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых клистроном, необходимо знать также фазовые характеристики, определяющие зависимость разности фаз между колебания- ми на входе и выходе от различных факторов. Наиболее существенно влияет изменение анодного напряжения. Многорезонаторные клистроны являются узкополооными усилителями. Только при расстройке резонаторов относительно средней частоты полосы пропускания и подбора их добротностей удается расш;и|рить полосу усиливаемых частот до 3-S% за счет существенного уменьшения коэффициента уоиления. § 3.4. ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН Отражательные клистроны (рис. 3.11) предназначены для генерирования свч колебаний малой мощности. Клистрон имеет только один полый резонатор, который по отношению к катоду находится под положительным потенциалом. За резонатором на- Рис. З.И. Схема отражательного клистрона Рис. 3.12. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в отражательном клистроне: 1 - пространство труппировки; 2 - отражатель; 3 - середина зазора резонатора ходится специальный электрод, на который по отношению к катоду .подано отрицательное напряжение. Этот электрод называется отражателем. Отражательный клистрон является автогенератором, сначала колебания в нем возникают вследствие шумовых флуктуации в электронном потоке. Электроны проходят через зазор резонатора и возбуждают в нем колебания, частота которых примерно рап- - 46 - на собственной частоте резонатора. Электронный поток модулируется по скорости электричеоки.м полем этих колебаний и поступает в пространство между зазором резонатора и отражателем. Так как на отражатель подано отрицательное .напряжение, то электроны попадают в тормозящее поле и возвращаются назад, проходя второй раз через зазор резонатора в обратном направлении. Колебания, генерируемые клистроном, выводятся из резонатора обычно с помощью петли связи, переходящей в коаксиальную линию, как показано на рис. 3.11. При движении электронного потока в пространстве между за-i зором резонатора и отражателем электронный поток преобразует- ся из модулированного по скорости в модулированный по плот- ности. Оценим проходящие процессы по рис. 3.12. Электронные сгустки образуются относительно электронов неизменной окоро- 1СТИ, выходящих из зазора в момент времени, соответствующий переходу напряжения в зазоре от ускоряющего к тормозящему. Следовательно, оптимальная для группирования фаза высокочастотного поля в отражательном клистроне отличается на л от соответствующей фазы в двухрезонаторном клистроне. Электроны, вышедшие раньше, имеют большую скорость, они проникают в тормозящее поле .на большую глубину и возвращаются к зазору с опозданием. Электроны, вышедшие позже, напротив, возвраща- ются раньше, так как, уйдя из зазора с меньшей скоро'стью, про-викают в тормозящее поле на меньшую глубину. На этом разли-пи времени пролета ускоренных и замедленных электронов ос-овано группирование электронного потока в отражательном клистроне. Следует заметить, что поле в зазоре резонатора, которое было ускоряющим для электронов, движущихся в прямом направлении, будет тормозящим для электронов .при их обратном движении от отражателя к зазору. Для возбуждения незатухающих электромагнитных колебаний .. в резонаторе сгустки электронов должны возвращаться к нему в моменты, когда для них высокочастотное электрическое поле является тормозящим. В этом случае электроны, теряя CKOipocTb, передадут часть своей кинетической энергии электромагнитному полю резонатора. Из рис. 3.12 видно, что для обеспечения эффективного тормо- * жения угол пролета должен составлять * е = ито = 2я(п + 0,75), п = 0,1,. 2 . . ., (3.30) где То - оптимальная величина В1ремвни пролета электронов центра сгустка в пространстве группировки по отношению к центру высокочастотного зазора резонатора. Если в пролетном клистроне группировка электронов дроисхо- * дит в П(ростра.нстве дрейфа без воздействия внешнего электрического поля, то в отражательном клистроне группировка электро- * нов происходит в статическом тормозящем электрическом поле, существующем между резонатором и отражателем. - 47 - Скцрость электрона а выходе из зазора резонатора определяется уравнением скоростной модуляции: v==vJl + sm(oti]=v,+Vism(ok, (3,31) 2t/o tl - момент прохождения электрона через центр зазора в прямом направлении; Ui - амплитуда синусоидального напряжения между сетками резонатора. Затем электрон, имея скорость v, попадает в пространство между резонатором и отражателем, где на него действует электрическое поле напряженностью Е. Считая, что поле между сетками резонатора и отражателем однородно, находим, что напряженность электрического поля E = {JJo-U)ls, (3.32) где f/o - постоянное напряжение между катодом и резонатором; отр - напряжение на отражателе; s - расстояние между второй сеткой резонатора и отражателем. Под действием поля напряженностью Е электрон двигается равнозамедленно до определенной точки z=z, в которой скорость его станет равной нулю и начнется движение в обратном направлении. Уравнение движения (1.5) для данного случая (электрон движется вдоль силовых линий электрического поля по оси z) можно записать - (3.33) т Поместим начало координат г=0 в плоскости второй сетки. Интегрируя ур-ние (3.33) и используя начальные условия: /=/2; dz - - V, получим dt г = - 0,5 (eElm) {t - + v{t - h), (3.34) где V - скорость электрона в плоскости второй сетки, которая определяется ур-нием (3.31); - время прохождения электрона через 1вто1рую сетку при движении в сторону отражателя. Время пролета электрона в пространстве группирования от второй сетки до точки возврата и обратно можно найти из условий 2=0; t=t3. Через ts обозначим время возвращения электрона в плоскость рассматриваемой сетки. Применяя эти условия к ур-нию (3.34), получаем два решения: ts - h= 0; (еЕ/2т) {k - h)~v = 0. Первое решение тривиально, а второе позволяет определить время йфолета электронов в тормозящем поле: = (3 - h) = 2mv/eE. (3.35) - 48 - Жтодставив в (3.35) значение Е из (3.32), получаем Tl = {2т/е) [sv/{U, - U)]. Для того чтобы определить время пролета от центра зазора Ас отражателю и обратно, нужно ко времени пролета, определяе-влому ур-нием (3.35), прибавить удвоенное время пролета от се-едины зазора резонатора до второй сетки. Это время Xi-djv. Следовательно, суммарное время пролета электронов То = Tl -Н Та = (2т/е£) v -f div. (3.36) Так как скорость электрона, находящегося в центре, не изменяется при первом прохождении высокочастотного зазора, то вместо V можно в (3.36) подставить Ve. Подставляя (3.36) в ур-ние (3.30). получаем e = 2n(n + --j = . 2е т -fd4s4- ° ). (3.37) fee if - частота генерируемых колебаний. I Уравнение (3.37) устанавливает связь между напряжениями, геометрическими размерами и частотой, при которых угол пролета оптимален. Так как время пролета то зависит от постоянного ускоряющего напряжения Uo и напряжения на отражате-1ж Uoip, то при постоянных гео-летрических размерах и частоте существует ряд дискретных областей напряжения Uo и Uoip, в пределах которых возможна генерация колебаний. Эти области называются зона-и колебаний. Каждой зоне ЯЬоответствует дискретный но-ер п. Графики движения электронов, являющихся центрами (рлектронных сгустков, изобра-Жены на рис. 3.13а!. Чем меньшие номер зоны, тем через Меньшее время электроны дол- сны возвращаться к резонато- Рис. 3.13. Отражательный клистрон: а), б) зоны генерации; в) зависимость частоты генерируемых колебаний от на-У И. следовательно, тем боль- пряжения отражателя в пределах зоны Шее отрицательное напряжение /-плоскость отражателя нужно подать на отражатель. Ш На рис. 3J136 представлена зависимость генерируемой клист-Ш>ном мощности от напряжения на отражателе. В центре каждой оны мощность колебаний максимальна и соответствует прохождению сгустка электронов в момент максимального тормозящего поля между сетками резонатора. - 49 - |