роплгг. Ответы на вопросы. Расскажите о назначении и принципе действия пролетного клистрона

• Название: Расскажите о назначении и принципе действия пролетного клистрона
• Анкор: роплгг
• Дата: 05.06.2022
• Размер: 167.47 Kb.
• Имя файла: Ответы на вопросы.docx
• Тип: Документы; #570293

1. 
   Расскажите о назначении и принципе действия пролетного клистрона.
   

2. 
   Расскажите о назначении и физической картине работы отражательного клистрона (модуляции скорости потока, группировке, отборе мощности от потока).
   

Отражательный клистрон  это маломощный автогенератор сверхвысоких частот с электронной перестройкой частоты. В отличие от пролетного клистрона, используемого в качестве усилителя и имеющего два резонатора и более, отражательный клистрон имеет единственный объемный контур, совмещающий функции модуляции скорости электронного потока и отбора высокочастотной энергии.

Работа отражательного клистрона основана на явлениях модуляции электронного потока по скорости и группировка электронов.



В установившемся режиме в резонаторе существуют высокочастотные колебания, поле которых между сетками зазора направлено практически вдоль оси потока электронов. Эти начальные колебания возникают за счет естественных флуктуаций в электронном потоке. Резонатор- высокодобротная система и из спектра шумов вырезается узкая область частот вблизи его резонансной частоты.

Под действием высокочастотного поля электроны, пролетающие через зазор, попеременно ускоряются или тормозятся и лишь те из них, которые проходят зазор в момент смены знака поля, продолжают путь с прежней скоростью (невозмущенные электроны). Таким образом, в зазоре происходит модуляция скорости электронов.

Ввиду малости времени пролета между сетками и сравнительно небольших высокочастотных напряжений на зазоре плотность электронного потока на выходе из зазора практически не меняется. В таком виде электронный поток поступает в постоянное тормозящее электрическое поле между резонатором и отражателем. Электроны, двигаясь к отражателю, тормозятся вплоть до остановки (в окрестности точки 5, рис.1, б), поворачивают обратно и вновь пролетают через зазор. Ускоренные электроны ближе подходят к отражателю и затрачивают на весь путь больше времени, чем замедленные. Можно так подобрать условия движения электронов (в первую очередь напряжение на отражателе), чтобы ускоренные электроны, раньше вышедшие из зазора, и замедленные, вышедшие позже, вернулись в зазор одновременно. Этот процесс поясняется диаграммой на рис.2, где z=0 и z=D - соответственно плоскости зазора и отражателя. Отметки времени t₁, t₂, и t₃ изображают моменты прохождения через зазор ускоренного, невозмущенного и замедленного электронов, идущих по "траекториям" а, б и в. Указанный процесс приводит к тому, что возвращающийся в зазор поток представляет последовательность сгустков и разрежений, т.е. происходит группировка электронов. При малых возмущениях скорости электронов в зазоре центр сгустка совпадает с положением невозмущенного электрона.



ускоренные электроны находятся в поле отражателя дольше, чем замедленные, благодаря чему и возникает группировка электронов. При отсутствии генерации в клистроне U₁ = 0 и X = 0 и , , т.е. группировки нет.

Отбор мощности от потока

В потоке электрические поля и перемещения электронов направлены вдоль одной (продольной) оси.

3. 
   Приведите графики изменения частоты колебаний в пределах зоны колебаний. Расскажите о формировании зон колебаний отражательного клистрона.
   

4. Как рассчитать расстояние между резонатором и отражателем минитрона по результатам лабораторной работы и угол пролета в центре зоны?

Расстояние между отражателем и резонатором можно рассчитать следующим образом.

Средний угол пролета электронов , где N - номер зоны можно рассчитать, воспользовавшись выражением:

, (2.45)

где , а (см. 2.1). Определим из этих соотношений D  расстояние между резонатором и отражателем, считая, что для наиболее мощной зоны N = 4:

. (2.46)

Угол пролёта электрона при напряжении на отражателе, соответствующем центрам других зон, и номера зон можно посчитать, воспользовавшись (2.45).

5. Дайте понятие крутизны электронной перестройки. Что такое электронный гистерезис?

Скорость изменения частоты генерации при изменении напряжения отражателя называется крутизной электронной перестройки S. По определению:

.

для крутизны электронной перестройки получим:

. (2.43)

Крутизна электронной перестройки возрастает по мере снижения нагруженной добротности резонатора и увеличения номера зоны колебаний.

Одновременно с изменением частоты при электронной перестройке изменяется и мощность в нагрузке  практически так же, как электронная мощность. Вид зависимостей P_H(U_ОТР) и f(U_ОТР) показан на рис. 2.10.

Интервал частот в зоне колебаний между точками половинной выходной мощности называется диапазоном электронной перестройки.

Причина электронной перестройки  изменение реактивной составляющей электронной проводимости, которая тем больше, чем больше, при прочих равных условиях, проводимость электронного потока I₀/U_P и номер зоны N. Можно показать, что диапазон электронной перестройки

, (2.44)

также расширяется с увеличением номера зоны и проводимости электронного потока. В (2.44) - характеристическое сопротивление контура, эквивалентного резонатору клистрона; Х - параметр группировки в центре зоны, а Х_0,5 - его значение на краю диапазона перестройки. Считают, что , тогда при Х = 1,84, , т.е. весьма близок к полосе пропускания нагруженного резонатора клистрона.



В предыдущих рассуждениях молчаливо предполагалось, что электроны проходят зазор только дважды и затем удаляются из пространства катод - отражатель. В действительности, часть электронов, проходящих зазор в составе сгустков, может попасть в пространство резонатор - катод. Двигаясь к катоду, они тормозятся до полной остановки и затем поворачивают в сторону резонатора, проходя зазор в третий раз, и так далее. При многократных пролетах электронов через зазор резонатора происходит дополнительный обмен энергией между электронами и ВЧ полем резонатора. Можно создать такие условия, что при каждом (после первого) пролете электронов через зазор они будут встречать там тормозящее поле и отдавать ему свою энергию. Использующие этот эффект мультирефлексные клистроны имеют более высокий КПД за счет более полного использования энергии электронов.

Существует и другая возможность. Электроны, совершающие многократные пролеты через зазор, будут забирать у ВЧ поля некоторую энергию, уменьшая выходную мощность.

В обычных (не мультирефлексных) клистронах многократное прохождение электронов через зазор может служить источником нежелательных явлений, например, электронного гистерезиса. Суть явления состоит в том, что при изменении напряжения отражателя (например, при частотной модуляции отражательного клистрона) на краях зоны появляются области неоднозначного изменения частоты и мощности (рис. 2.11); ход изменения их зависит не только от мгновенного значения U_ОТР, но и от того, какие значения оно имело до этого момента.

Электронный гистерезис затрудняет использование отражательных клистронов в режиме частотной модуляции, вызывает скачки частоты и мощности вблизи краев зоны генерации. Для подавления электронного гистерезиса используют меры, предотвращающие многократное прохождение электронов через зазор (например, отбор электронных сгустков на стенку резонатора, ближайшую к катоду).

6. Приведите зависимости выходной мощности отражательного клистрона от номера зоны и нагрузки. Какой величины КПД отражательного клистрона?

Электронным коэффициентом полезного действия называют отношение электронной мощности к мощности электронного потока. Из (2.32) следует, что максимальное его значение

(2.34)

зависит от номера зоны, убывая с его ростом. Очевидно, что в отражательном клистроне U₁ < 0,5U_Р. В противном случае часть сгустка, образованная электронами, наиболее заторможенными при первом пролете зазора, будет тормозиться при втором пролете до полной остановки и отбрасываться в сторону отражателя. При этом будут снижаться конвекционный ток, электронная мощность и электронный КПД. Поэтому для оценки максимального электронного КПД примем U₁ = 0,5.

Учитывая, что M < 1, а J₁(X)_max = J₁(1,84) = 0,58, получим , что вдвое меньше, чем в пролетном усилительном клистроне. Реально КПД ещё меньше. Например, при работе клистрона в четвертой зоне 8,4 %.

Амплитуда стационарных колебаний и мощность в нагрузке клистрона определяются точкой пересечения кривой электронной мощности Р_eА и параболы суммарных потерь в резонаторе и нагрузке (рис. 2.9). Для простоты будем рассматривать ситуацию в центре зоны ( = 0). Мощность в нагрузке всегда меньше электронной из-за потерь в резонаторе. Её можно представить в виде:

, (2.35)

где - КПД резонатора.

Например, при N_ОПТ = 4 получим = 3,6 %. Даже максимальный КПД отражательного клистрона весьма мал. Дело в том, что в этом приборе одно и то же напряжение в зазоре единственного резонатора используется и для модуляции скорости электронов, обеспечивающей в дальнейшем их группировку, и для отбора их энергии.





С увеличением проводимости нагрузки отдаваемая мощность сначала возрастает, затем вновь уменьшается. Таким образом, в каждой зоне существует оптимальная величина нагрузки, при которой отдаваемая клистроном мощность максимальна.

Как видно на рис. 2.8, оптимальная нагрузка и получающаяся при этом выходная мощность клистрона зависят от угла пролёта, т.е. от номера зоны.

В зонах с большими номерами, в соответствии с (2.33) , мала стационарная амплитуда выходного напряжения, так что электронная и выходная мощности малы. В зонах с малыми номерами стационарное выходное напряжение и электронная мощность велики, но велики и потери в резонаторе, так что в силу (2.35) выходная мощность также может уменьшаться (см. рис. 2.8). Очевидно, существует оптимальная зона, в которой при оптимальной нагрузке достигается наибольшая выходная мощность.

7. Опишите основные особенности процессов в минитроне по сравнению с обычным отражательным клистроном.

Миниатюризация прибора потребовала, во-первых, сокращения размеров резонатора. В отражательном клистроне он представляет собой радиальную линию, закороченную на конце и слабо укороченную малой емкостью зазора. Общий размер такого резонатора близок половине длины волны автоколебаний. В минитроне длина линии существенно уменьшена, а емкость зазора увеличена. По виду такой резонатор напоминает тороидальный, однако его размеры для трехсантиметрового диапазона волн (наружный диаметр 3 мм, высота 1 мм, зазор 0,1 мм) говорят о том, что это скорее контур с сосредоточенными LС параметрами. Внешняя часть контура изготавливается из керамического кольца, металлизированного изнутри и снаружи. В металлизации напротив друг друга оставляются два просвета, образующие окно вывода СВЧ энергии. Точно подстроить резонатор на заданную частоту сложно. Выход найден в использовании внешнего контура в виде плоской диафрагмы. Совместно с тороидальным резонатором она образует двухконтурную систему, перестройка которой осуществляется изменением ширины зазора диафрагмы. При этом минитрон генерирует на частоте, близкой к одной из частот связи двухконтурной системы. При изменении напряжения отражателя минитрона в широких пределах возможно наблюдение зон колебаний, соответствующих обеим частотам связи системы.

Использование плоских диафрагм  контуров упрощает и укорачивает соединение минитрона с любым трактом.

Увеличение емкости резонатора минитрона снижает его характеристическое сопротивление и, при прочих равных условиях, добротность колебательной системы и СВЧ напряжение на зазоре. Для сохранения величины выходной мощности необходимо, чтобы минитрон работал при повышенных значениях тока катода.

Увеличение тока катода при сокращении поперечных размеров резонатора приводит к тому, что минитроны работают с высокой плотностью тока и объемного заряда электронов. При анализе работы минитрона необходимо учитывать влияние объемного заряда.

Влияние объемного заряда проявляется в статических и динамических эффектах. Динамические связаны с расталкиванием зарядов в сгустках. Статические обусловлены снижением (“провисанием”) потенциала пространства на пути электронного потока по мере возрастания средней плотности зарядов. В минитронах статические эффекты преобладают. Увеличение плотности объемного заряда в токе, протекающем внутри металлического экрана (роль его выполняет корпус минитрона), может привести к образованию виртуального катода, т.е. области отрицательного (тормозящего) минимума потенциала и прерывистому течению тока. Упомянутые виртуальный катод и минимум потенциала подобны тем, что образуются вблизи поверхности катода, работающего в режиме ограничения тока объемным зарядом. Предельная плотность тока, реализуемая в таких случаях, растет по мере сокращения длины потока. Поэтому в минитронах сокращены промежутки катод - резонатор и резонатор - отражатель, что способствует миниатюризации прибора. Катод прибора располагается непосредственно под нижней сеткой резонатора. Ускоряющий электрод (анод прожектора) отсутствует.

При анализе работы минитрона следует учитывать влияние объемного заряда, третьего пролета электронов и низкую добротность контура.

8. Расскажите о согласовании нагрузки с волноводным трактом. Что такое КСВ? Как определяется входное сопротивление волноводного тракта при произвольной нагрузке? Дайте понятие об оптимизации нагрузки СВЧ-генератора.

9. Объясните результаты, полученные при анализе зон генерации клистрона.

10. Объясните результаты измерения выходной мощности, тока катода и частоты выходного сигнала от напряжения на резонаторе.