3. Клистроны

3.1. Пролетный двухрезонаторный клистрон


Рис. 3.1.

Принцип работы. Двухрезонаторный клистрон схематически изображен на рис. 3.1. В клистроне имеются два объемных резонатора с емкостными зазорами. Первый резонатор 3 называется входным, или модулятором, а второй 5 - выходным. Пространство 4 между ними называется пространством, дрейфа или группирования, Электроны эмиттируемые катодом 1, ускоряются постоянным напряжением U0 электрода 2 и попадают в узкий зазор между сетками первого резонатора. Между ними имеется продольное высокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны, т. е. модулирует скорость электронов.

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 и создает в нем наведенный ток, протекающий повнутренней 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 6, где рассеивают оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла. Проанализируем подробнее процессы в пролетном клистроне.

Скоростная модуляция электронов. К сетке резонатора (см. рис. 3.1) все электроны подлетают с одинаковой скоростью, определяемой ускоряющим напряжением

(3.1)

где е и т — заряд и масса электрона.

Пусть между сетками входного резонатора приложено переменное напряжение U1sinωt
Скорость электрона после прохождения зазора между сетками может быть определена решением уравнения движения

(3.2)

где напряженность переменного поля в зазоре с расстоянием между сетками d равна Е=[U1 sin(ut)]/d. Будем считать, что амплитуда напряжения U1 мала (U1/U2<<1), т. е. мало изменение скорости электронов. В этом случае время пролета всех электронов через зазор практически одинаково и составляет . Обозначим t1 момент прохождения электроном середины зазора. Тогда t1 – τ1/2 - момент входа в зазор; t1 + τ1/2 —момент выхода. Скорости электрона в эти моменты времени равны Ve и V соответственно. Решая при указанных граничных условиях, дифференциальное уравнение (3.2), получим скорость электрона при выходе из резонатора

Используя условие U1/U2<<1, можно преобразовать эту формулу:

(3.3)

где М1=(sin0,5θ1)/0,5θ1 – коэффициент эффективности электронного взаимодействия или коэффициента связи электронного пучка с полем зазора; θ1=ωτ1 - угол пролета электронов в зазоре.

Зависимость коэффициента М1 от угла пролета показана на рис. 3.2. Уменьшениеθ1 путем сближения сеток нецелесообразно из-за роста емкости резонатора и снижения благодаря этому его эквивалентного сопротивления. Типичные значения угла пролета лежат в пределах π/2 - π. Физический смысл коэффициента М1 заключается в том, что он учитывает уменьшение глубины модуляции скорости при конечном угле пролета по сравнению с идеальным случаем бесконечного малого угла.

Рис. 3.2


рис. 3.3 

Группирование электронов. Рассмотрим пространственно-временную диаграмму электронов в двухрезонаторном клистроне, изображенную на рис. 3.3. По вертикальной оси отложено расстояние г в пространстве дрейфа, а по горизонтальной — время. В нижней части рисунка изображено переменное высокочастотное напряжение u1(t) на сетках входного резонатора. Будем считать движение электронов в пространстве дрейфа равномерным со скоростью, определяемой (3.3). Такой “кинематический” анализ группировки дает наглядное представление о механизме процессов и объясняет его основные закономерности. График движения каждого электрона определяется скоростью электрона. [Пространственно-временные диаграммы для электронов на пути от катода до резонатора (z<0) на рис. 3.3 не показаны.] 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. Последнее название объясняется аналогией с геометрической фокусировкой пучка света в оптике. 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.

Группирование было бы идеальным, если бы все электроны, прошедшие через первый резонатор за полупериод, приходили ко второму резонатору одновременно. В этом случае конвекционный ток в сечении второго резонатора представлял бы периодическую последовательность δ-импульсов. Однако при синусоидальной скоростной модуляции группирование отличается от идеального. Рассмотрим, какая существует связь при синусоидальной скоростной модуляции между моментами прихода электронов t2 во второй резонатор и моментом t1 прохождения их через первый. Очевидно, что

(3.4)

где l—длина пространства дрейфа (см. рис. 3.1).

Подставляя (3.3) в (3.4), получим

.

В усилительных клистронах амплитуда входного напряжения U1 много меньше U0(U1<<U0), поэтому, раскладывая в ряд по малому параметру MU1/2U0 и оставляя в нем два первых члена, получим

.

Умножая обе части уравнения на со, получим

(3.5)

Введем обозначение

(3.6)

— параметр группирования; θ0=ω/Ve — средний угол пролета в пространстве дрейфа, равный углу пролета электрона, не изменившего своей скорости при прохождении первого резонатора (невозмущенный электрон). Угол пролета 6о называют также невозмущенным углом пролета.

Соотношение (3.5) можно с учетом (3.6) записать

(3.7)

Это уравнение определяет фазу прибытия ωt2 электрона ко второму зазору. Если отсутствует модулирующее напряжение (U1=0), то X=0. В этом случае ωt20=ωt1 и фаза прибытия электрона во второй зазор линейно связана с фазой прохождения его через первый зазор. Электроны не группируются, и имеет место только одинаковое запаздывание всех электронов по фазе. Зависимость величины (ωt20 ω), характеризующей фазу появления электрона в зазоре второго резонатора, от фазы прохождения через зазор первого резонатора приведена на рис. 3.4.Чем больше параметр группирования, тем сильнее кривые отклоняются от прямой линии, соответствующей значению Х=0.


Рис. 3.4

Идеальному группированию, т. е. одновременному приходу электронов на рис. 3.4 соответствует ступенчатая функция. Следовательно, группирование электронов в двухрезонаторном клистроне сильно отличается от идеального. Рассмотрим способ определения формы импульсов конвекционного тока.

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 из (3.7):

dt2/dt1=1 - X cos ωt1 (3.13)


Рис. 3.5. 

Зависимости конвекционного тока от времени t2 при нескольких значениях параметра группирования Х показаны на рис. 3.5. Ток i2 обращается в бесконечность при значениях t2, для которых производная (3.13) dt2/dt1=0. На рис. 3.4 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.

Ток i2 является периодической несинусоидальной функцией времени и может быть представлен рядом Фурье [3]:

(3.14)

где амплитуда гармоники тока с номером m

(3.15)

выражается через функции Бесселя первого рода т-го порядка. Выражения (3.14) и (3.15) справедливы при любых значениях параметра группирования.

Через зазор выходного резонатора проходит сгруппированный поток электронов и наводит в нем ток. Если выходной резонатор настроен на частоту модулирующего напряжения ц”, то мощность в нем будут создавать только колебания этой частоты и напряжение между его сетками будет практически синусоидальным. Следовательно, из членов ряда (3.14) можно взять только первую гармонику электронного тока, амплитуда которой

(3.16)

Максимальное значение амплитуды первой гармоники соответствует максимуму функции Бесселя J1(X), т. е. получается при Х=1,84:

(3.17)

Так как в клистроне длина пространства дрейфа l фиксирована, а напряжение питания U0 определено паспортными данными, то параметр группирования (3.6) можно регулировать изменением амплитуды входного сигнала U1.

Наведенный ток и электронная мощность. Вычисление амплитуды первой гармоники наведенного тока по

приводит к следующему результату:

Iнав(1)=M2I(1) (3.18)

где M2 — коэффициент электронного взаимодействия во втором резонаторе, аналогичный коэффициенту M1 в (3.3). В выходном резонаторе, настроенном на частоту сигнала, с учетом (3.18) и (3.16) электронная мощность

P= Iнав(1)U2/2=M2U2I0J1(X) (3.19)

Потребляемая клистроном мощность P0=I0U0, поэтому электронный КПД

ηэ=P/P0=M2J1(X)U2/U0 (3.20)

Электронная мощность (3.19) растет при увеличении тока I0 и напряжения на выходном резонаторе U2. Обычно для оценки максимальной мощности и электронного КПД принимают . Ограничение напряжения объясняется следующим образом. Средняя кинетическая энергия электронов, входящих в резонатор, определяется ускоряющим напряжением и равна eU0. Если предположить, что амплитуда напряжения U2>U0, то кинетическая энергия некоторых электронов будет недостаточна для преодоления тормозящего действия поля в зазоре резонатора. Эти электроны вернутся обратно в пространство дрейфа, что приведет к уменьшению мощности колебаний в резонаторе.

Определяемый из (3.20) при максимальный электронный КПД

ηэ max=J1(X) (3.21)

Самое большое теоретическое значение ηэ будет при X=1,84:

ηэ пред=0,58.

Полный КПД клистрона, учитывающий потери в колебательной системе, потерю электронов на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и составляет 15—20%.

Оптимальное значение параметра группирования X, обеспечивающее максимальный КПД клистрона, оказывается больше единицы, и оптимальная форма импульса конвекционного тока в двухрезонаторном клистроне при синусоидальной модуляции должна содержать два пика (рис. 3.5, снизу).

Рис. 3.6

Рассмотрим амплитудную (рис. З.6а) и амплитудно-частотную (рис. 3.6 б) характеристики пролетного клистрона. Выходная мощность вначале линейно растет с увеличением Рвх, а затем наступает насыщение. Максимальное значение выходной мощности достигается при X=1,84. Коэффициент усиления Ку максимален на линейном участке характеристики (при X<<1) и при увеличении Pвх уменьшается.

Увеличению коэффициента усиления в двухрезонаторном клистроне препятствует влияние пространственного заряда, мешающего группированию электронов. Расталкивание одноименно заряженных электронов в сгустке приводит к увеличению скорости электронов, летящих перед центральным электроном, и к уменьшению ее у остальных. Группирование в пролетном клистроне возможно, если спереди летят медленные, а сзади быстрые электроны (см.§3.1). Продольные силы расталкивания приводят на некотором расстоянии к выравниванию скоростей электронов сгустка, что эквивалентно уменьшению глубины скоростной модуляции и значения параметра группирования. Это ограничивает коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона. При заданном режиме работы существует определенная длина трубки дрейфа, соответствующая максимальному коэффициенту усиления. Его значение мало и обычно составляет 10—15 дБ. Кроме того, двухрезонаторный клистрон — это узкополосный усилитель, так как в нем используются высокодобротные резонаторы. Относительная полоса пропускания обычно несколько десятых процента. По этим причинам двухрезонаторные усилительные клистроны практически не используются. Значительное расширение полосы пропускания, увеличение коэффициента усиления и КПД достигнуты в многорезонаторных клистронах, которые будут рассмотрены ниже.

3.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы

Рассмотрим схему двухрезонаторного клистронного генератора (рис. 3.7).


Рис. 3.7

Между входным и выходным резонаторами клистронного генератора есть цепь обратной связи. Для самовозбуждения клистрона и поддержания стационарных колебаний необходимо выполнить баланс фаз и баланс амплитуд.


Рис. 3.8

Рассмотрим кривые напряжений на зазоре входного (рис, 3.8а) и выходного (рис. 3.8б) резонаторов клистронного генсратора. Сдвиг фазы в цепи обратной связи. Для отдачи максимальной энергии сгустки электронов должны проходить выходной резонатор в момент максимального тормозящего поля. Центром сгустка будет электрон, который проходит первый зазор в момент перехода от тормозящего поля к ускоряющему. Из рис. 3.8 видно, что в этом случае оптимальный угол пролета в пространстве дрейфа при наличии запаздывания на угол φо.с в линии обратной связи θ0 опто.с=2π(n+3/4).

Так как угол пролета между резонаторами, введенный в (3.6),

,

то, считая 6о=0оопт, получим

(3.22)

Существует множество дискретных областей значений U0, в которых возможны автоколебания. Эти области называются зонами генераций.

При вариациях ускоряющего напряжения U0 в пределах зоны для выполнения баланса фаз автоматически должна изменяться частота колебаний. Это явление называется электронной перестройкой частоты.


Вторым необходимым условием самовозбуждения двухрезонаторного 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 передает в выходной резонатор энергию, не достаточную для покрытия потерь во входном и выходном резонаторах.

Максимальная выходная мощность и КПД клистронных генераторов такие же, как в двухрезонаторных пролетных усилителях. В настоящее время они находят сравнительно узкое применение как генераторы средней мощности самой коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне, где создание полупроводниковых генераторов соответствующей мощности затруднено. Основное назначение клистронных генераторов—получение колебаний высокой стабильности. Для повышения стабильности частоты в цепь обратной связи включают высокодобротную колебательную систему (один или несколько резонаторов). Клистронные генераторы используются в диапазоне частот 5,5—44 ГГц. Их выходная мощность лежит в пределах 0,2—200 Вт. Они применяются в системах связи, доплеровской радиолокации, радиомаяках, а также для накачки параметрических усилителей.

3.3. Многорезонаторные клистроны

Принцип работы. Двухрезонаторные клистроны не обеспечивают больших коэффициентов усиления и КПД. Для достижения большого усиления можно применять последовательное соединение нескольких клистронов, однако гораздо выгоднее использовать многорезонаторные клистроны, которые имеют большой коэффициент усиления и высокий КПД.

Рассмотрим особенности работы многорезонаторных клистронов на примере трехрезонаторногоМежду входным 1 и выходным 3 резонаторами располагается еще один промежуточный ненагруженный резонатор 2.

Рис. 3.9

Схема 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.

Возможность увеличения коэффициента усиления удобно пояснить на пространственно-временной диаграмме

Рис. З.10а.

Рассмотрим случай, когда все резонаторы настроены на частоту сигнала (синхронная настройка). Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе многорезонаторного клистрона электроны модулируются по скорости. В пространстве дрейфа между входным и промежуточным резонаторами происходит группирование электронного потока, однако при слабом входном сигнале оно незначительно: электроны 1 и 2 (см. рис. З.10а) лишь немного смещаются по направлению к невозмущенному электрону О. Из-за малого параметра группирования амплитуда первой гармоники конвекционного тока i(1), Изображенного штрихпунктирной кривой, в сечении z2 промежуточного резонатора будет также небольшой. Так как промежуточный резонатор не нагружен и является высокодобротным, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение U2, создаваемое наведенным током, будет большим. Это напряжение вызывает сильную модуляцию скорости электронов, пролетающих через промежуточный резонатор. Следовательно, во втором пространстве дрейфа (между вторым и третьим резонаторами) произойдет основное группирование электронов. При синхронной настройке напряжение во втором резонаторе U2(t) противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока i(1). Для второго резонатора электрон О', приходящий позже электрона О, будет невозмущенным, около него должно происходить основное группирование. Поэтому распределение электронов в сгустке при слабом входном сигнале практически будет определяться этим резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе от времени будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резонаторами, но при модуляции скорости напряжением U2. Однако коэффициент усиления в трехрезонаторном клистроне сильно увеличивается, так как группирование электронов получается при существенно меньшей мощности сигнала, подводимой к входному резонатору.

Проведенное рассмотрение объясняет возможность получения большого коэффициента усиления в трехрезонаторном клистроне. Однако максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока, а следовательно, максимальные выходная мощность и электронный КПД, получаемые в оптимальном режиме при синхронной настройке, остаются практически такими же, как в двухрезонаторном клистроне, и предельное теоретическое значение КПД составляет 58%.

Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка тех промежуточных резонаторов, на которых велико переменное напряжение, создаваемое наведенным током. Поясним это с помощью пространственно-временной диаграммы на рис. 3.10б. Входной сигнал u1(t) взят достаточно большим, чтобы обеспечить при синхронной настройке резонаторов хорошее группирование электронов. Первая гармоника конвекционного тока в сечении второго резонатора i(1)(t) проходит через амплитудное значение в момент прихода центрального электрона сгустка О. Существенно, что во втором резонаторе этот электрон перестает быть невозмущенным, так как таким становится электрон О', приходящий на четверть периода позже, когда u2(t)=0. Значительное смещение центра сгустка на рис. 3.10б относительно нового центра группирования О' не позволяет электронам сгустка эффективно сгруппироваться около электрона О', а следовательно, не позволяет получить возможные максимальные значения амплитуды первой гармоники тока и электронного КПД.

Если же центральный электрон сгустка О придет во второй резонатор в момент нулевого напряжения u2(t), то он останется невозмущенным. Тогда к пришедшему сгустку будут симметрично догруппировываться другие электроны, что вызовет увеличение числа сгруппированных электронов и амплитуды первой гармоники тока. Такое "совмещение" электронов О и О' можно получить, создавая между напряжением и током i(1)(t) сдвиг фазы 90°. На рис. 3.10б напряжение u2(t) соответствует синхронной настройке, когда U2{t) и i(1)(t) противоположны по фазе, a u'2{t) соответствует сдвигу фазы 90°. Такой сдвиг фазы возможен при очень большой расстройке второго резонатора относительно частоты сигнала в сторону более высоких частот. Однако при этом из-за уменьшения эквивалентного сопротивления резонатора напряжение между сетками станет настолько малым, что даже приведет к ухудшению группирования. Поэтому приходится создавать сдвиг фазы меньше 90°, а уменьшение напряжения компенсировать соответствующим увеличением амплитуды входного сигнала или введением дополнительных промежуточных резонаторов.

Теоретические расчеты показывают, что в трехрезонаторном клистроне по сравнению с двухрезонаторным можно увеличить амплитуду первой гармоники конвекционного тока до значения, при котором электронный КПД достигает 75%. Дальнейшее увеличение числа резонаторов не приводит к значительному росту электронного КПД, но увеличивает коэффициент усиления и изменяет амплитудно-частотную характеристику. Наиболее распространены четырех — шестирезонаторные клистроны.

Параметры и характеристики. Максимальный коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона достигает примерно 35 дБ вместо 15 дБ в двухрезонаторном клистроне. Теоретически можно создать клистронный усилитель с любым коэффициентом усиления. Однако по мере возрастания числа резонаторов, т. е. увеличения числа каскадов усиления, труднее исключить самовозбуждение усилителя из-за наличия паразитной обратной связи. Коэффициент усиления N-резонаторного клистрона можно ориентировочно определить с помощью следующего эмпирического соотношения, в децибелах

Kу (P)=15+20(N-2). (3.23)

Амплитудные характеристики [зависимость Pвых=f(Pвх)] многорезонаторного клистрона приведены на рис. 3.11.


Рис. 3.11

Вид характеристик изменяется в зависимости от настройки промежуточных резонаторов. Кривая 1 соответствует режиму синхронной настройки резонаторов, а кривая 2 режиму получения максимальных мощности и КПД. Начальный участок характеристики 1 имеет большую крутизну, и она достигает максимума при малой входной мощности Pвх. Затем при увеличении Рвх выходная мощность резко падает. Эта характеристика соответствует режиму максимального коэффициента усиления. Кривая 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Она имеет более пологий начальный участок, что свидетельствует о малом коэффициенте усиления клистрона. Область насыщения—более широкая. Благодаря лучшим условиям группирования в этом режиме достигается большая выходная мощность и выше значение электронного КПД.

Ширина полосы пропускания многорезонаторного клистрона в режиме синхронной настройки в основном определяется добротностью резонаторов. При расстройке резонаторов полоса пропускания увеличивается. Путем расстройки резонаторов относительно средней частоты полосы пропускания и подбора их добротностей удается синтезировать амплитудно-частотную характеристику и расширить полосу усиливаемых частот до нескольких процентов при уменьшении коэффициента усиления и выходной мощности.

На рис. 3.12 приведена частотная зависимость КПД мощного широкополосного четырехрезонаторного усилительного клистрона. Цифры 1—4 соответствуют собственным частотам резонаторов.


Рис. 3.12

Для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых клистроном, необходимо знать также фазовые характеристики, определяющие зависимость разности фаз между колебаниями на входе и выходе от различных факторов, например от ускоряющего напряжения и амплитуды входного сигнала. Ускоряющее напряжение влияет на угол пролета электронов, а увеличение сигнала приводит к асимметрии формы сгустка и, следовательно, к изменению фазового сдвига первой гармоники тока, возбуждающей выходной резонатор.

3.4. Применение многорезонаторных клистронов

Многорезонаторные клистроны можно разделить на клистроны непрерывного действия и импульсные. Многорезонаторные клистроны широко применяются в выходных каскадах мощных передатчиков дециметровых и сантиметровых волн. Большое усиление, свойственное таким клистронам, позволяет использовать маломощные входные каскады, энергетические показатели которых незначительно влияют на общий КПД передатчика. Характеристики передатчика в основном определяются характеристиками оконечного каскада на клистроне.

Обычно клистроны в непрерывном режиме применяются в качестве передатчиков тропосферной связи с уровнями мощности 1—20 кВт и систем связи "Земля—спутник" с уровнями мощности до 50 кВт. Клистроны непрерывного режима работы мощностью от 50 до 500 кВт (сверхмощные) применяются для передатчиков радиолокационных станций и станций управления на межпланетных расстояниях. Клистроны для телевизионных передатчиков работают на уровнях мощности до 50 кВт*. В установках промышленного нагрева используются мощности от 1 до 50 кВт.

Многорезонаторные усилительные клистроны получили широкое распространение в качестве оконечных импульсных усилителей в передатчиках радиолокационных станций с мощностью в импульсе до 200 кВт. Сверхмощные импульсные клистроны (от 200 кВт до 30 МВт) применяются в ускорителях заряженных частиц и в системах сверхдальней локации. Коэффициент полезного действия мощных клистронов уже достигает 70 - 80% в дециметровом диапазоне. Поэтому все больший интерес приобретает проблема передачи энергии в свободном пространстве с помощью колебаний СВЧ диапазона.

В клистронных передатчиках практически возможны все виды модуляции. В многоканальных передатчиках для тропосферной связи используются как частотная, так и амплитудная модуляции. При передаче телевизионного сигнала по тропосферным радиорелейным линиям применяется частотная модуляция. В вещательных телевизионных передатчиках на клистроне используется амплитудная модуляция, а в радиолокационных — импульсная. В клистронных передатчиках модуляция может осуществляться либо в возбудителе до клистрона и тогда клистрон является только усилителем модулированных колебаний, либо непосредственно в самом клистроне. В последнем случае на вход клистрона подаются немодулированные колебания.

Для фокусировки электронного потока чаще всего используют постоянное магнитное поле соленоида. Однако фокусирующие системы такого типа громоздки и имеют большую массу. Например, клистрон непрерывного действия мощностью 50 кВт для телевизионного передатчика имеет длину примерно 1,8 м я массу 90 кг. Масса фокусирующей системы 270 кг. Перспективнее применять периодическую фокусировку с использованием как электростатических, так и магнитных линз, это позволяет уменьшить массу приборов. В настоящее время стали широко применяться для фокусировки постоянные магниты из высококоэрцитивных самарий- кобальтовых сплавов, что позволило существенно уменьшить массу и габариты клистронов.

Для снижения ускоряющего напряжения были разработаны многолучевые клистроны (рис. 3.13). Каждый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем общих резонаторов. Многолучевой клистрон может быть предназначен также для получения большой мощности при заданном рабочем напряжении.

В оконечных каскадах усилителей мощности в современном телевизионном передатчике ИЛЬМЕНЬ, работающем в дециметровом диапазоне с выходной мощностью 20 кВт, использованы мощные четырех резонаторные клистроны [II].

Большой интерес представляют клистроны с распределенным взаимодействием, конструкция которых отличается тем, что выходной резонатор многорезонаторного клистрона (а иногда и промежуточные резонаторы) заменен системой из двух или нескольких связанных резонаторов. Получается многозазорный резонатор, с полей которого взаимодействует электронный поток. Клистроны с распределенным взаимодействием имеют более высокий КПД, а также более высокое произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот.

Развитие клистронов в ближайшие годы будет иметь некоторые особенности. Так, клистроны начинают оценивать не по выходным параметрам и характеристикам, а в совокупности с устройствами, необходимыми для эксплуатации. В связи с этим проводятся исследования по уменьшению массы магнитной фокусирующей системы, которая во многих случаях на порядок тяжелее клистрона- Ведутся работы по снижению напряжения и тока управляющей сетки, вводимой в импульсный клистрон, так как это снижает габариты, массу и мощность модулятора, без которого не может работать импульсный клистрон. Большое внимание уделяется повышению надежности и долговечности. Разрабатываются устройства, предохраняющие мощные клистроны от случайного и преждевременного выхода из строя во время эксплуатации. Для систем тропосферной и космической связи создаются клистроны с программированной механической перестройкой резонаторов на ряд фиксированных частот при относительно узкой ширине полосы пропускания, но с большой выходной мощностью и КПД.

3.5. Отражательный клистрон

Принцип работы. Отражательные клистроны (рис. 3.14) предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.


Рис. 3.14

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. За резонатором расположен отражатель 4 — электрод, на который 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.

Рассмотрим движение электронов с помощью пространственно-временной диаграммы (рис. 3.15).


Рис. 3.15

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 действи 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.

Скорость электрона на выходе из зазора резонатора определяется уравнением скоростной модуляции:

(3.25)

где v1=M1U1ve/2U0; t1 — момент прохождения электрона через центр зазора в “прямом” направлении; U1 — амплитуда синусоидального напряжения между сетками резонатора.

Электрон со скоростью и попадает в пространство между резонатором и отражателем, где на него действует электрическое поле напряженностью Е. Считая поле между сеткой резонатора и отражателем однородным, находим напряженность электрического поля

E=(U0-Uотр)/S (3.26)

где U0 — постоянное напряжение между катодом и резонатором; Uотр<0 — 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 электрона для данного случая (электрон движется вдоль силовых линий электрического поля по оси z) можно записать

m(d2z/dt2) = -eE. (3.27)

Поместим начало координат z=0 в плоскости второй сетки. Интегрируя (3.27) и используя начальные условия: t=t1, dz/dt=v, получим

Z = 0.5(eE/m)(t – t1)2+v(t – t1), (3.28)

где v — скорость электрона в плоскости второй сетки, которая определяется (3.25). Время пролета электрона в пространстве группирования от второй сетки до точки поворота и обратно можно найти из условий z=0, t=t2. Через t2, обозначим время возвращения электрона в плоскость рассматриваемой сетки. Применяя эти условия к (3.28), получаем два решения:

t2 – t1 = 0; (eE/2m)(t2 – t1) – v = 0

первое решение тривиально, а второе позволяет определить время пролета электронов

τ = (t2 – t1) = 2mv/eE (3.29)

Подставив в (3.29) значение Е из (3.26), получаем

τ = (2m/e)[sv/(U0-Uотр)] (3.30)

Так как скорость невозмущенного электрона, находящегося в центре сгустка, не изменяется при первом прохождении высокочастотного зазора, то вместо v можно в (3.30) подставить ve. Подставляя затем (3.30) в (3.24), получаем

(3.31)

где f — частота генерируемых колебаний.

Формула (3.31) позволяет при данных f, s и U0 определить ряд значений Uотр, необходимых для получения оптимальных углов пролета, соответствующих различным номерам n. С ростом номера n необходимое абсолютное значение напряжения |Uотр| уменьшается. Этот вывод очевиден, так как, чем больше номер n, т.е. больше угол пролета θ0, тем слабее должно быть тормозят поле (3.26), создаваемое отражателем. На рис. 3.16, а показаны пространственно-временные диаграммы, соответствующие оптимальным углам пролета при n=3, 2 и 1.


Рис. 3.16

Передача энергии от электронного сгустка СВЧ полю резонатора должна ухудшаться, если угол пролета отличается от оптимального, и полностью прекратится, если невозмущенный электрон, являющийся центром сгустка, возвращается в резонатор в моменты нулевого поля, т. е. при θ0 опт —π/2 θ или θ0 опт+π/2. Β этих случаях половина электронов попадает в ускоряющее поле резонатора, а вторая половина — в тормозящее: в среднем, сколько энергии отбирается от поля, столько же передается ему потоком электронов.

Таким образом, вблизи каждого оптимального угла пролета имеется область значений ±π/2, в пределах которой возможна передача энергии от электронного тока СВЧ полю и генерация колебаний. Следовательно имеется ряд областей значений Uотр, соответствующих различным номерам n, в которых в возможна генерация колебаний. Поэтому зависимость мощности колебаний напряжения отражателя имеет зонный характер (рис. 3.16б), а номер n называется номером зоны генерации.

Параметры и характеристики. На рис. 3.16, б представлена зависимой генерируемой клистроном мощности от напряжения на отражателе. В центре каждой зоны мощность колебаний максимальна и соответствует прохождению сгустка электронов в момент максимального тормозящего поля между сутками резонатора. Из (3.31) можно получить выражение для напряжения отражателя, при котором выходная мощность максимальна (центры зон).

Вычислим разность фаз вылета электрона и его возвращения в центр зазора, воспользовавшись (3.29) и (3.26):

(3.32)

Подставляя в (3.32) значение v из (3.25), имеем

(3.33)

Первый член в правой части (3.33) — невозмущенный угод пролета θ0, соответствующий движению от второй сетки к отражателю и обратно. Тогда (3.33) можно представить в виде

(3.34)

где параметр группирования с учетом v1 из (3.25)

(3.35)

Соотношение (3.34) аналогично по форме (3.7), полученному для двухрезонаторного клистрона, но отличается от него знаком перед последним слагаемым.

Отличие в знаке объясняется тем, что группирование идет около невозмущенного электрона, смещенного на полпериода по сравнению с пролетным клистроном (см. рис. 3.3 и 3.15). Конвекционный ток отражательного клистрона рассчитывается, как в пролетном клистроне, и изменяется во времени так же, как показано на рис. 3.5. Спектр конвекционного тока аналогичен (3.14):

(3.36)

Как и в теории пролетного клистрона, получаем выражение для амплитуды первой гармоники конвекционного тока

(3.37)

амплитуда первой гармоники наведенного тока в выходном резонаторе

(3.38)

где M1 — коэффициент электронного взаимодействия.

При оптимальном угле пролета (в центре зоны) максимальная мощность электронного взаимодействия

(3.39)

Подставляя в (3.39) амплитуду (3.38), получим

(3.40)

Используя (3.6), выразим U1 через параметр группирования:

(3.41)

Подставляя в (3.40) величину (3.41) и принимая θ0= θ0 опт=2π(n+3/4), получим

(3.42)

Соответственно в центре зоны максимальный электронный КПД

(3.43)

Однако (3.42) и (3.43) дают большую ошибку при малых номеpax зон (n=0; 1), так как принятое в теории предположение U1<<U0 в этом случае не выполняется.

Электронный КПД отражательных клистронов в различны зонах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом номера зоны n. Максимальный электронный КПД отражательны клистронов оказывается ниже, чем у пролетных клистронов. Реально достижимые значения полного коэффициента полезного действия отражательного клистрона не превышают нескольких процентов.

Одно из замечательных свойств отражательного клистрона, определивших широкое использование его в различных радиотехнических устройствах, — электронная перестройка частоты — явление изменения частоты генерируемых колебаний при изменения напряжения на отражателе или ускоряющего напряжения (рис 3.16 б).

Изменение напряжения на отражателе приводит к изменению угла пролета невозмущенного электрона и фазового сдвига между первой гармоникой конвекционного тока и напряжением на резонаторе, т.е. к изменению сдвига фазы между гармоникой, наведенного тока и напряжением. Последнее эквивалентно изменению активной и реактивной проводимостей, вносимых в резонатор электронным потоком.

Выше был рассмотрен случай, когда угол пролета был равен θ0=2πn+3/4). При этом первая гармоника наведенного тока совпадает по фазе с напряжением между сетками резонатора, реактивная составляющая электронной проводимости равна нулю и частота совпадает с собственной частотой резонатора. Таким образом в центре зон частота равна собственной частоте резонатора ω0

Очевидно, что изменение частоты ∆ω от значения в центре зоны ω0 определяется фазо-частотной характеристикой резонатора, который должен скомпенсировать фазовый сдвиг, вносимый электронным потоком; ФЧХ определяется нагруженной добротностью Qн. Чем больше Qн, тем при меньшем изменении ∆ω можно получить то же значение реактивной проводимости, вызванное изменением напряжения на отражателе. Расчет показывает, что зависимость ∆ω от добротности и изменения напряжения отражателя, а также от значения напряжения в центре зоны Uотр для различных номеров зоны n представляется формулой,

(3.44)

На практике используется только электронная перестройка частоты 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 перестройка характеризуется крутизной — отношением изменения частоты генерируемых колебаний к изменению напряжения на отражателе.

Из рис. 3.16 видно, что с увеличением номера зоны снижается максимальная электронная мощность в ней и возрастает крутизна кривой электронной перестройки. Электронная перестройка практически безынерционна, скорость изменения частоты ограничивается лишь переходными процессами в резонаторе и электронном потоке.

Важным параметром электронной перестройки является ее диапазон ∆f (т. е. область частот), в пределах которого электронная мощность изменяется на 3 дБ относительно максимального значения мощности в данной зоне (рис. З.16 б, в). Диапазон электронной перестройки отражательных клистронов обычно составляет около 0,5% средней частоты. Увеличить линейный участок характеристики электронной перестройки частоты около центра зоны можно путем введения дополнительного резонатора, связанного с основным.

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 перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют также высокую надежность и не требуют применения фокусирующих систем.

Вследствие низкого КПД отражательные клистроны не используются для получения больших мощностей. Они применяются в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре, в маломощных передатчиках, в радиорелейной, радионавигационной и телевизионной аппаратуре. В настоящее время отражательные клистроны вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ, Для генераторов радиорелейных станций они имеют повышенную выходную мощность (1—10 Вт). Для диапазона волн от 60 до 4 см изготавливаются стеклянные клистроны с внешним резонатором с широким диапазоном перестройки частоты.

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 внутренним резонатором и волноводным выводом энергии показан на рис. 3.17. Используется в передвижных маломощных телевизионных 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 напряжение и ток пучка могут оставаться неизменными. Переменное модулирующее напряжение подается да отражатель клистрона. Получение только ЧМ при изменении напряжения на отражателе, как видно из рис. 3.16 — затруднительно. При изменении напряжения на отражателе наряду с частотой изменяется также и выходная мощность. Только при весьма неглубокой ЧМ в середине зоны, вблизи максимального значения выходной мощности, изменения амплитуд колебаний оказываются сравнительно небольшими. В противном случае необходим амплитудный ограничитель.

Рис. 3.17

Указанных трудностей можно избежать, если для управления амплитудой и частой колебаний одновременно использовать изменение напряжений на отражателе и резонаторе. Так как частота генерируемых, колебаний зависит не только от напряжения на отражателе Uотр, но и от ускоряющего напряжения на резонаторе U0, то представляется возможным при AM путем одновременного изменения по соответствующему закону напряжений резонатора и отражателя существенно снизить или даже практически устранить нежелательные изменения частоты. Однако это требует применения достаточно сложных схем.

Для повышения стабильности частоты отражательных клистронов используются стабилизирующие резонаторы с очень высокой добротностью, в том числе сверхпроводящие.

В настоящее время клистронов малой мощности коснулась тенденция миниатюризации. Реализация этого направления связана не только с решение конструктивно-технологических задач, но и с освоением новых режимов работы приборов. Миниатюризация — это не только уменьшение размеров прибора, но и снижение питающих напряжений, что позволяет уменьшить габариты и массу источников питания. Как показали исследования, для каждого значения подводимой к клистрону мощности питания Р0 существует низковольтная граница питающего напряжения U0 гр, за которой принципиально меняется характер процессов в электронных потоках клистронов. Величина U0 гр определяется формулой

U0 гр = 65,9 P02/5.

Физически это объясняется тем, что при заданной мощности снижение напряжения надо компенсировать увеличением тока, которое приведет к росту плотности пространственного заряда. При этом если не принять специальных мер, возникают специфические явления, связанные с недопустимо большим провисанием статического потенциала в потоке, нарушающим нормальную работу приборов.

Исследование природы этих ограничений позволило ученым разработать более совершенные конструкции миниатюрных пролетных и отражательных клистронов (последние получили название минитронов). Эти приборы имеют более высокие электрические параметры, чем их неминиатюрные аналоги, отличаются существенно меньшими габаритами и массой (единицы кубических сантиметров и грамм) и работают при существенно более низких напряжениях питания (десятки вольт при уровне выходной мощности в десятки милливатт).

Контрольные вопросы.

  1. Конструкция и принцип действия двухрезонаторного пролетного клистрона.
  2. Скоростная модуляция потока и ее превращения в модуляцию потока по плотности.
  3. Многорезонаторные клистроны – усилители, принцип действия, основные показатели и характеристики.
  4. Объяснить устройство и работу отражательного клистрона.
  5. Объяснить группирование электронов в сгустки при работе клистрона в различных зонах.
  6. Что такое электронная проводимость, и какую роль играет ее активная и реактивная составляющие?

Приборы СВЧ и оптического диапазона


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.