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

Обозначим через 4 время пролета электрона через середину зазора .три воз(вращении. Вычислим разность фаз вылета электро на и его возвращения в центр зазора:

oih - at = al- + ---v]. (3.38

е t/o - t/отр Подставляя в (3.38) значение v, имеем

d , S

Ve-\-Vl sin ы ll ~ t/o -t/отр

{Vf + Vl sin (Й ti)

. (3.39)

Первый член в правой части полученного ураенения при уело вии, что Vi<Ve, можно, разложив в ряд и использовав только дв первых члена его, представить в виде

- - 1--sin м 11 .

Ve-\-Vi&lXHSiti Ve \ Ve I

Тогда

It / \ ad , 2m

CO ( - i) =--1--

Ve e

4)S0e

u -u,

tadVi \

sincoi-(3.40)

Первый член в правой части (3.40) представляет собой невозмущенный угол пролета между сетками резонатора клистрона, а второй член - угол пролета центра сгустка от второй сетки к отражателю и обратно. Обозначим рассматриваемые углы через 0, и Ог соответственно. Тогда ур-ние (3.40) можно представить в виде wti - wti = Qi + Q2 + Xismati, (3.41

где Xi - параметр группировки.

Сложная форма наведенного тока говорит о наличии высших гармоник тока, имеющих значительные амплитуды. Однако в обычной конструкции отражательного клистрона может быть использована только основная гармоника наведенного тока, так как один и тот же резонатор используется и для модуляции и для отбора энергии.

Разложение выражения в гармонический ряд, идентичное проведенному ранее, дает для первой гармоники конвекционного тока

i = -2/o/i (Xi) cos [ ((0/4- (82-fiei) ]. (3.44)

Составляющая тока основной частоты, наводимого в резонаторе сгруппированным электронным потоком, численно равна величине первой гармоники конвекционного тока, умноженной на коэффициент связи М электронного потока с полем резонатора

t = - 2MI0J1 (Xi) cos [и h - (62 + eOl- (3.45)

Вычислим среднюю за период мощность, отдаваемую электронным потоком полю резонатора:

i Я = - j* 2Л {Xi) ми Jo cos [to /4 - (62 + Bi)\ sin (nUdbiti,

р = -.Шоад(х,) sin (62 + 00.

(3.46)

(i>SVi

lJ!l (6, e,) = (62 - Qi). (3.42,

Соотношение (3.41) аналогично no форме выражению (3.7), полученному для двухрезонаторното клистрона.

Конвекционный ток рассчитывается в данном случае аналогич но, как и для пролетных клистронов. Конвекционный ток возвра щающихся в центр зазора электронов

£ = /о *L =-io- (3 43)

dti I +Xi cos to ti

Следовательно, форма волны конвекционного тока в резонаторе отражательного клистрона такан же, что и в двухрезонаторном Выражение (3.43) отличается от (3.10) только знаком при перио дическом члене. Это объясняется тем, что группировка электронов в тормозящем поле оказывается сдвинутой по фазе на л относи тельно группировки в пространстве дрейфа. Из рис. 3.12 видно, что в тормозящем поле группировка происходит относительно того электрона, который прошел зазор при переходе от ускоряющего к тормозящему полю.

Генерация в отражательном клистроне возможна в том случае, когда мощность Р компенсирует потери в резонаторе и мощность, поступающую в нагрузку. Анализ выражения (3.46) показывает, что Я>0 при

2я (п -f + > е, + е. > 2я + Aj . (3.47)

.анное соотношение определяет области значений углов пролета, Лкоторых выполняются условия баланса фаз.

Ж Выразив амплитуду напряжения Ui через параметр группировки Xi и подставив в (3.46), получаем

Я = - 10 Sin (0 + е.,).

Ua - bl

(3.48)

аксимального значения мощность Р достигает, когда sin(Gi--G2) = -I, т. е. при е1-1-е2=2л(п-1-3/4).

Таким образом, Р максимальна при углах пролета, равных спим альному. Величина максимальной мощности

XiJi jXi) 62 - 61

XiJi (X.)

(3.49)

максимальный электронный кпд отражательного клистрона

W = =-iijJ-. (3.50)



Электронный кпд отражательных клистронов в различных зо нах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом омера зо ны п. Максимальный электронный кпд отражательных клистроно оказывается значительно ниже, чем у пролетных клистронов. Ре ально достижимые значения коэффициента полезного действия отражательного клистрона не превышает 2-3%.

Используя (3.46), можно записать условие баланса амплиту/ для отражательного клистрона:

- MIoUyJt (Xi) sin (Ga + GO = 0,5gf/2, (3.51

где g - активная проводимость резонатора с учетом нагрузки.

Правая часть уравнения определяет мощность, расходуемую колебательной системе и в нагрузке, а левая - мощность, от данную электронным потоком.

Определив Ui из соотношения (3.42) и подставив в (3.51), получаем

Учитывая, что в начале процесса генерации величина Ui ма ла, можно приближенно считать /i(Xi)/Xi=0,5. Так как обычн Bi>G2, то условие возбуждет!я колебаний (3.52) для наиболее бла гоприятного случая Gi=2nCn--3/4) и 510(61+62) =-1 будет определяться выражением

MV n(n + 3/4)g (3.53

Отсюда можно определить минимальное значение тока fo, при котором возникают колебания

Л1 п(п-ЬЗ/4)

(3.54-

Этот ток называется пусковым. С увеличением п и снижением ускоряющего напряжения Uo его величина уменьшается.

Одним из замечательных свойств отражательного клистрона, предопределивших широкое использование его в различных радиотехнических устройствах, является электронная настройка.

Электронной настройкой называется явление изменения часто ты генерируемых колебаний в зависимости от изменения напряже ния на отражателе или ускоряющего напряжения.

Выше был рассмотрен случай, когда угол пролета равен 2л(п+3/4). При этом первая гармоника наведенного тока совпадает по фазе с напряжением между сетками резонатора и сопро тивление резонатора является чисто активным. Следовательно, возникают колебания с частотой, равной собственной частоте резона тора. При небольшом увеличении напряжения на отражателе уменьшается величина угла пролета, и первая гармоника наведенного тока будет несколько опережать по фазе напряжение межд\ сетками резонатора. Сопротивление резонатора в этом случае бу-

дет иметь емкостный характер, и частота колебаний будет больше собственной частоты резонатора. При уменьшении напряжения на отражателе увеличивается угол пролета, первая гармоника наведенного тока запаздывает по фазе, сопротивление резонатора становится индуктивным, и, следовательно, частота генерируемых колебаний уменьшается.

Электронный поток можно рассматривать как комплексную проводимость, включенную параллельно контуру, эквивалентному резонатору клистрона. 1Комплексная проводимость вависит от параметров пучка, в том числе и от напряжения а отражателе. Изменение этого напряжения изменяет комплексную проводимость и, следовательно, амплитуду и частоту колебаний.

Таким образом, условием установления колебаний является ра-

6CTB0 нулю суммы активной составляющей электронной проводи-ти и проводимости потерь в резонаторе и нагрузке. Частота ко-аний определяется условием равенства нулю суммы реактивной составляющей электронной проводимости и реактивной проводимости резонатора.

Запишем эти условия. Первое из них - условие баланса амплитуд - аналогично выражению (3.51), записанному как баланс мощностей:

- 2Moii (X) sin (Ga + eyUi = g. (3.55)

Второе условие

-2MoJi (X) cos (Ga + Gi)/f/i = b.

(3.56)

где bp - реактивная составляющая проводимости резонатора (считаем, что реактивная составляющая проводимости нагрузки равна нулю).

Определим закон изменения частоты колебаний при изменении угла пролета. Пусть угол пролета изменился на небольшую величину AG. Учтем это в (3.55) и (3.56). Так как (G2-I-G1) =2я(п+3/4), то sin(G2-l-6i-bA6)=-СОзДб, а cos(G2+6i--iAG) =sinAG. Тогда

2M/o/i (X) cos AG/f/i = g; (3.57)

- 2M0J1 (X) sin AG/L/i = 6p. (3.58>

Разделив (3.57) на (3.58), получаем

-tgAe = g/6p. (3.59)

Считывая, что реактивную составляющую проводимости параллельного контура можно выразить через его добротность Q н И активную составляющую g следующим образом: 6р=2СнХ (Ato/<u), Окончательно получим

J 2А(о/(й = - (1 /Он) tg AG. (3.60)

Диапазон электронной настройки расширяется при снижении на--гружепиой добротности Qh, т. е. при увеличении связи с нагрузкой.



Предположим, что оптимальному углу .пролета 62 + 61 - = 2п(п + 314) соответствуют ускоряющее напряжение Vo и напря-л<ение на отражателе Uop. Вычислим теперь изменение угла пролета ЛВ относительно оптимального угла при изменении напряжения на отражателе на А(/отр- Подставив приращения А9 и At/oip в (3.37), после преобразований получим

д0 ALoTp [2ji(n+3/4)-eil

tO - toTp - Д torp

с учетом (3.61) выражение (3.60) можно записать

(3.61)

2 = Ltg О) Q

hi)-

отр

Uo - UoTP - Д

(3.62)

Из рис. 3.13 видно, что с уменьшением напряжения на отра-л^ателе несколько снижается максимальная мощность в зоне и возрастает крутизна .кривой электронной настройки. Электронная настройка практически безынерционна, скорость изменения частоты при электронной настройке ограничивается лишь переходными процессами в резонаторе и электронном потоке.

На практике попользуется только электронная настройка путем изменения напряжения на отражателе. Это объясняется тем, что ток в цепи отражателя равен нулю и поэтому частотой клистрона можно управлять без затраты мощности.

Электронная настройка характеризуется крутизной - отношением изменения частоты генерируемых колебаний к изменению напряжения на отражателе.

Важным параметром электронной настройки является ее диа пазон, т. е. область частот, в пределах которого выходная мош ность изменяется на 3 дБ относительно максимального значения мощности в данной зоне. Диапазон электронной настройки отра-л<ательных клистронов обычно составляет около 0,5% от среднем частоты.

§ 3.5. ПРИМЕНЕНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ КЛИСТРОНОВ

Отражательные клистроны широко используются в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Основные преимущества их в сравнении с другими маломощными генераторами свч заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной настройки. Отражательные клистроны имеют также высокую надежность и не требуют применения фокусирующих систем.

Вследствие низкого кпд отражательные клистроны не исполг-зуются для получения больших мощностей. Они применяются в ка- честве гетеродинов свч приемников, в измерительной аппаратуре, в маломощных передатчиках, в радиорелейной, радионавигационной и телевизионной аппаратуре. Отражательные клистроны для генераторов радиорелейны.х станций имеют повышенную выходную мощность (от 1 до 10 Вт).

Для диапазона волн от 60 до 4 см изготавливаются стеклянные клистроны с внешним резонатором с широким диапазоном перестройки частоты. На рис. 3.14 а показан отражательный клистрон К-48, который используется в качестве гетеродина в радиорелейной аппаратуре. Рядом показан съемный внешний резонатор. Видны индуктивные винты для настройки резонатора. Среднюю



Рис. 3.14. Отражательный клистрон: а) с внешним; б) с внутренним резонатором

часть резонатора образуют медные диски с сетками в центре. Диски спаиваются со стеклянным баллоном лампы. Внешняя часть резонатора присоединяется к выступающим из баллона краям дисков. Данный клистрон имеет волноводный вывод энергии.

Для сантиметровых и миллиметровых волн выпускаются металлические клистроны с внутренним резонатором, диапазон перестройки которых не превышает ±10%. Некоторые металлические клистроны имеют устройство для быстрой механической перестройки частоты в виде кулачкового механизма, меняющего конфигурацию стенок резонатора. Внешний вид клистрона К-108 с внут-1енним резонатором и волноводным выводом энергии показан на Ч|ис. 3.14 6. Используется в передвижных маломощных телевизи-о-нных передатчиках.

Отражательные клистроны часто используются в режимах амплитудной или частотной модуляции. Наиболее распространенным-и удобным способом модуляции в отражательных клистронах является изменение напряжения на отражателе, поскольку его цепь практически не потребляет мощности. При этом ускоряющее на-пряжение и ток пучка могут оставаться неизменными. Переменное



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