Клистроны. Клистроны Двухрезонаторный пролетный клистрон. Устройство, схема включения питающих напряжений, принцип действия, пространственновременная диаграмма.
 Скачать 0.78 Mb.
|
|
Клистроны Двухрезонаторный пролетный клистрон. Устройство, схема включения питающих напряжений, принцип действия, пространственно-временная диаграмма. Процесс скоростной модуляции и группирования. Форма импульсов конвекционного тока в различных сечениях клистрона. Пролетный клистрон – усилитель колебаний СВЧ диапазона.   Принцип работы. Двухрезонаторный клистрон схематически изображен на рис. 5.1. В клистроне имеются два объемных резонатора с емкостными зазорами. Первый резонатор 4 называется входным, или модулятором, а второй 5 - выходным. Пространство 6 между ними называется пространством дрейфа или группирования, Электроны эмитируемые катодом 1, ускоряются постоянным напряжением U0 электрода 2 и попадают в узкий зазор между сетками первого резонатора. Между ними имеется продольное сверхвысокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны, т. е. модулирует скорость электронов, т. е. производит скоростную модуляцию электронного потока. В пространстве дрейфа быстрые электроны догоняют медленные, обеспечивая группирование электронов, т. е. преобразование модуляции электронного потока по скорости в модуляцию по плотности. Модулированный электронный поток поступает во второй резонатор с частотой, равной частоте входного сигнала, и создает в нем наведенный ток, протекающий по внутренней поверхности его стенок. В резонаторе возникают колебания, а между его сетками появляется электрическое высокочастотное поле, которое должно вызывать торможение сгруппированных электронов. В выходном резонаторе кинетическая энергия тормозящихся электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний. Электроны, прошедшие через второй резонатор и отдавшие СВЧ полю часть своей кинетической энергии, попадают на коллектор 3, где рассеивают оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.  Группирование электронов. Рассмотрим пространственно-временную диаграмму электронов в двухрезонаторном клистроне, изображенную на рис. 3.3. По вертикальной оси отложено расстояние в пространстве дрейфа от входного до выходного резонатора, а по горизонтальной — время. В нижней части рисунка изображено переменное высокочастотное напряжение u1(t) на сетках входного резонатора. Такой “кинематический” анализ группировки дает наглядное представление о механизме процессов и объясняет его основные закономерности. График движения каждого электрона определяется скоростью электрона. Точки пересечения прямых с осью времени определяют входную фазу электронов в пространстве дрейфа относительно напряжения на зазоре первого резонатора. Считаем, что электроны скачкообразно изменяют свою скорость в момент прохождения центра зазора. Диаграмма наглядно показывает, что в потоке электронов образуются сгустки и разрежения. Для тех электронов, которые проходят высокочастотное поле, когда оно тормозящее, наклон прямых уменьшается, для других - увеличивается. В результате прямые расходятся или сходятся, чем объясняются группирование или фазовая фокусировка электронов. В каждом периоде колебаний образуется один сгусток, в центре которого находится электрон, прошедший через зазор без изменения скорости, т. е. в момент перехода поля через нуль от тормозящего к ускоряющему полупериоду. Конвекционный ток. Пусть через входное сечение трубки дрейфа проходит группа электронов с зарядом Δq1 за время Δt1. В этом сечении конвекционный ток i1= Δq1/ Δt1 (3.8) Аналогично в выходном сечении трубки дрейфа конвекционный ток i2= Δq2/ Δt2 (3.9) где Δq2 - заряд группы электронов, пролетающих выходной резонатор за время Δt2. Если рассматривается одна и та же группа электронов, а перехват электронов в трубке дрейфа отсутствует, то Δq1=Δq2 (3.10) Используя (3.8), (3.9) и (3.10), получим  (3.11)или  (3.12)Ток i1 равен постоянному току I0, так как в первом резонаторе еще не происходит группирования электронов. Производную в. (3.12) можно определить как: dt2/dt1=1 - X cos ωt1 (3.13)     Зависимости конвекционного тока от времени t2 при нескольких значениях параметра группирования Х показаны на рис. 5.5. Ток i2 обращается в бесконечность при значениях t2, для которых производная (3.13) dt2/dt1=0. На рис. 5.2 при Х=1 нулевая производная имеется только в одной точке ωt1=0, а при Х >1 - в двух. С увеличением Х интервал времени и провал между бесконечными пиками тока увеличиваются. Многорезонаторный клистрон. Устройство, схема включения питающих напряжений, принцип действия, пространственно-временная диаграмма. Многорезонаторный клистрон – усилитель колебаний СВЧ диапазона с бóльшим коэффициентом усиления.   Схема трехрезонаторного клистронного усилителя выгоднее, чем усилитель из двух двухрезонаторных клистронов, так как в ней необходим только один электронный пучок, что позволяет сократить мощность источников питания. Кроме того, из-за уменьшения числа резонаторов упрощается их настройка и снижаются потери. Принцип работы (трехрезонаторного клистрона). Промежуточный резонатор клистрона настроен точно на частоту входного сигнала. Электронный поток, поступающий с катода в первый резонатор, модулируется по скорости. Прямая электромагнитная связь между резонаторами отсутствует. Поэтому при отсутствии электронного потока амплитуда СВЧ колебаний в промежуточном резонаторе равна нулю. Однако при прохождении электронных сгустков, как и в двухрезонаторном клистроне, по внутренней поверхности второго резонатора начинает протекать наведенный высокочастотный ток. Этот ток невелик, но он может создать между сетками второго резонатора напряжение, значительно превышающее напряжение сигнала на первом зазоре, так как нет внешней нагрузки на втором резонаторе. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой зазора. Наведенный ток и напряжение во втором зазоре имеют частоту равную частоте сигнала, следовательно реактивная проводимость равна нулю, тогда в момент прохождения электронного сгустка через центр зазора автоматически устанавливается максимум тормозящего электрического поля.  Напомним, что при использовании метода дрейфа сгусток образуется относительно электрона 1, прошедшего первый зазор при переходе поля через нуль от тормозящего к ускоряющему. Напряжение, наведенное на втором зазоре, в свою очередь производит скоростную модуляцию электронного потока. Эта дополнительная модуляция во втором зазоре отстает по фазе на π/2 от модуляции, полученной в первом зазоре. Иначе говоря, действие второго зазора приводит к тому, что электрон типа 1 после прохождения через второй зазор перестает быть центром сгустка. Сгусток стремится теперь образоваться относительно электрона, прошедшего второй зазор на четверть периода позднее. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона. Основные характеристики и параметры усилительных клистронов. Основные характеристики – мощность, выделяющаяся в нагрузке, к.п.д. клистрона, амплитудно-частотная  Параметры – рабочая полоса частот, входная мощность, фаза прохождения электронного потока через первый резонатор  Отражательный клистрон. Устройство, схема включения питающих напряжений, принцип действия, пространственно-временная диаграмма. Зависимость мощности и частоты от напряжения на отражателе. Основное назначение отражательных клистронов – генерирование СВЧ колебаний малой мощности.    Рис.3.14. Другой вариант схемы отражательного клистрона Принцип работы. Клистрон имеет только один объемный резонатор 3, который должен выполнять две функции: модулировать скорость электронов и отбирать СВЧ энергию от модулированного по плотности электронного потока. После скоростной модуляции возвращение электронов в зазор обеспечивается расположенным за резонатором отражателем 4 — электродом, на котором относительно катода 1 подано отрицательное напряжение Uотр. Мощность колебаний, генерируемых клистроном, выводится из резонатора с помощью петли связи 5, переходящей в коаксиальную линию 6. Скорость электронов перед резонатором определяется напряжением U0 ускоряющего электрода 2.   Рис. 3.15. Другой вариант пространственно-временной диаграммы отражательного клистрона Пусть в режиме стационарных колебаний между сетками резонатора существует напряжение u1(t). Электроны, ускоренные напряжением U0, входят в зазор резонатора, модулируются по скорости электрическим полем этих колебаний и поступают в пространство между резонатором и отражателем. Так как на отражатель подано отрицательное постоянное напряжение, электроны попадают в тормозящее электростатическое поле. Когда скорость электронов уменьшится до нуля, они начнут обратное движение к резонатору под действием того же электростатического поля, которое для них теперь является ускоряющим. В результате движения электронов от резонатора к отражателю и обратно происходит их группирование. Электронные сгyстки образуются относительно невозмущенных электронов 2, выходящих из резонатора в момент времени, когда u1=0 при переходе от ускоряющего к тормозящему полупериоду СВЧ напряжения. Электрон 1, вышедший раньше и имеющий большую скорость, проникает в тормозящее поле на большее расстояние z, т. е. летит большее время, чем электрон 2, и может вернуться в зазор почти одновременно с ним. Электрон 3, выйдя из зазора позже электрона 2 и с меньшей скоростью, проникает в тормозящее поле на меньшее расстояние. Из-за уменьшения времени пролета он может вернуться в резонатор почти одновременно с электроном 2. На этом различии времен пролета ускоренных и замедленных электрон основано группирование электронного потока в отражательно клистроне. Сгруппированный электронный поток должен возвращаться в резонатор в пределах того полупериода СВЧ напряжения на зазоре, который оказывает тормозящее действие. Тогда он отдаст часть своей кинетической энергии высокочастотному полю резонатора и поддерживает колебания в резонаторе (положительная обратная связь). Следует заметить, что полупериод, названный ускоряющим для электронов, идущих от катода, одновременно будет тормозящим для электронов, возвращающихся в резонатор под действием напряжения на отражателе. Если электрон возвращается в резонатор при амплитудном значении тормозящего поля, то отдаваемая им кинетическая энергия максимальна. Очевидно, что сгусток отдаст наибольшую энергию СВЧ полю, если центральный его электрон (невозмущенный) приходит в момент максимума поля. Следовательно, как видно из рис. 3.15, для обеспечения этого требования для невозмущенного электрода угол пролета Оо опт=2πn+3/4, (3.24) где n=0, 1, 2, ...— целое число, называемое номером зоны генерации, Оо опт — оптимальный угол пролета невозмущенного электрона в пространстве группирования.  Зависимость мощности и частоты от напряжения на отражателе С увеличением отрицательного напряжения на отражателе уменьшается мощность, но увеличивается частота колебаний СВЧ диапазона на резонаторе |