книги / Радиопередающие устройства

Принцип действия клистрона основан на управлении элект­ ронным потоком по скорости. Вылетевшие из катода электроны

.ускоряются большим постоянным напряжением Е0 и, устремляясь к коллектору, последовательно пролетают между сетками первого резонатора, пространство между резонаторами, сетки второго ре­ зонатора и попадают на коллектор. Ускорение электронов про­ исходит на участке между катодом и первым резонатором. На этом же участке происходит преобразование потенциальной энер­ гии электрического поля, создаваемого источником питания, в кинетическую энергию движения электронов. Дальше электроны движутся в направлении коллектора по инерции. Следовательно, передача энергии от источника ускоряющего напряжения элект­ ронному потоку происходит на участке, где нет высокочастотно­ го поля.

Допустим, что в резонаторах нет колебаний- В таком случае электронный поток движется к коллектору с постоянной ско­ ростью и постоянной плотностью.

Процесс усиления колебаний сверхвысокой частоты в двухре­ зонаторном пролетном клистроне происходит следующим образом. Колебания, которые надо усилить (например, u = U sincoi). посту­ пают от возбудителя в первый (входной) резонатор Р1 через петлю связи П1. Собственная частота резонатора Р1 совпадает с частотой входного колебания ю. Возбуждающее колебание соз­ дает между сетками входного резонатора Р1 переменное напря­ жение u=l/sinco£. Силовые линии переменного электрического по­ ля между сетками Р1 перпендикулярны плоскости сеток и совпа­ дают с направлением движения электронов. Поэтому электриче­ ское поле переменного напряжения входного сигнала, воздействуя на электроны, изменяет их скорость. Во время положительного полупериода щ на электроны действует ускоряющее поле, увели­ чивая их скорость на Ду. Во время отрицательного полупериода электроны тормозятся, их скорость уменьшается на Ду. В резуль­ тате из первого резонатора электроны вылетают с различными скоростями. Процесс изменения скорости электронов под воздей­ ствием переменного электрического поля называют модуляцией по скорости. Поскольку в первом резонаторе осуществляется груп­ пирование электронов по скорости, он называется группирователем. Дальше промодулированный по скорости электронный поток движется от первого ко второму в пространстве, которое называ­

трубой, в которой и движется электронный поток. Металлическая

ростью, с которой они вылетели из первого резонатора, посколь­ ку разности потенциалов между резонаторами нет. Двигаясь в пространстве дрейфа, ускоренные электроны догоняют замедлен­ ные. В результате образуются сгустки (или группы) электронов

ется в нагрузку. Электроны, пролетевшие второй резонатор, осе­ дают на коллекторе, отдавая ему оставшуюся кинетическую энер­ гию, и разогревают его. Расстояние между резонаторами Р1 и Р2 должно быть подобрано так, чтобы в выходной резонатор элект­ ронные сгустки входили в моменты тормозящего поля.

Отличия клистрона от обычных низкочастотных ламп состоят

вследующем.

1.В клистроне используется электродинамическое управление электронным потоком, основанное на скоростной модуляции и

группировке электронов.

2.Время пролета электронов в пространстве дрейфа полезно используется при работе клистрона.

3.Функции электродов разделены:

а) катод выделен из состава высокочастотной цепи; б) ускорение электронов осуществляется в промежутке перед

высокочастотным управляющим зазором между сетками резона­ тора;

в) отбор высокочастотной энергии от электронов осуществля­ ется в выходном резонаторе, а остатки энергии электронов отда­ ются в виде тепла другому электроду — коллектору.

4. В качестве резонансной системы используются объемные ре­ зонаторы, как наиболее полно отвечающие требованиям диапа­ зона СВЧ.

5. Используется принцип наведения тока в зазоре выходного резонатора.

Двухрезонаторные клистронные усилители по сравнению с приборами с электростатическим управлением имеют следующие преимущества:

а) более высокий КПД в сантиметровом диапазоне волн; б) небольшие мощности, потребляемые от источника возбуж­

дения; в) способность работать в диапазоне более высоких частот.

При работе электронной лампы в диапазоне длинных, средних и коротких волн основным является конвекционный ток, который создается электронами, движущимися в пространстве между элек­ тродами. Значение конвекционного тока определяется значением заряда, проходящего через определенную плоскость в 1 с. Так, при включении лампы с момента вылета электронов из катода в анодной цепи возникает наведенный ток, увеличивающийся по мере приближения электронов к аноду. С момента удара элект­ ронов об анод в лампе устанавливается конвекционный ток и все пространство между катодом и анодом заполняется электрона­ ми. В этом случае конвекционный ток равен наведенному току.

Наведенный ток в электронной лампе образуется в результате того, что движущиеся электроны наводят заряды на электродах. Значения наведенных зарядов определяются расстоянием их до электрода, а знак— направлением движения заряда. На рис- 4.14,в показаны возникновение наведенного тока внутри полого резонатора при пролете электронов через его сетки и путь про­

чем во время ускорения. Для этого надо, чтобы между сгустками находилось как можно меньше электронов.

Электронным КПД клистронного усилителя называют отноше­ ние мощности Р2, отданной электронным потоком СВЧ полю в выходном резонаторе, к мощности Р0, подводимой от источника питания: 'ПЭ = Р2/Ро. Полный КПД клистронного усилителя с уче­ том потерь в колебательной системе т]полн=г)элТ|рез. Значение т]рез зависит от отношения собственной и нагруженной добротностей выходного резонатора и бывает 0,6 0,8. С учетом этого реаль­ ное значение полного КПД двухрезонаторных клистронов не пре­ вышает 0,25 0,30.

Входной резонатор клистрона потребляет малую мощность от возбудителя по следующей причине. При равномерном электрон­ ном потоке число электронов, проходящих резонатор во время ускоряющего поля, равно их числу во время тормозящего поля, создаваемого напряжением входного сигнала. В результате энер­ гии, отбираемой от источника возбуждения и возвращаемая ему электронами, равны. Реально же число ускоренных электронов оказывается несколько больше, на что источник возбуждения за­ трачивает некоторую, очень малую энергию.

4.5. МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ КЛИСТРОНЫ

Основной недостаток простых двухрезонаторных пролетных клист­ ронов— низкий КПД (порядка 0,25). Причины низкого КПД сле­ дующие: 1) при модуляции электронов по скорости только в од­ ном резонаторе не достигается достаточно полного группирования их в сгустки; часть электронов в этом случае вообще не попадает в сгустки и влетает во второй резонатор в ускоряющем поле, от­ бирая от резонатора энергию; 2) в пространстве группирования

происходит взаимное расталкивание электронов; 3) часть электро­ нов ударяется о сетки и отдает им энергию в виде тепла. Все они ограничивают возможности получения в двухрезонаторных клист­ ронах не только высокого КПД, но и не допускают получения больших мощностей. Мощность двухрезонаторного клистрона не превышает нескольких десятков ватт.

Второй существенный недостаток двухрезонаторного клистро­ на — малый коэффициент усиления по мощности из-за расталки­ вания электронов. Кроме поперечного расталкивания электроны испытывают расталкивание и в продольном направлении, из-за че­ го затрудняется их группирование и расширяется импульс тока в улавливателе, что приводит к ограничению коэффициента усиле­ ния.

Коэффициент усиления двухрезонаторных клистронов не пре­ вышает 10 15 дБ (10 30 раз)-

Повышение КПД и коэффициента усиления достигается в мно­ горезонаторных клистронах. Основная задача в них сводится к тому, чтобы уменьшить расталкивание электронов в луче и умень­ шить конвекционный ток, образующийся электронами, оседающими на стенках пролетной трубы и >в резонаторах. Для получения боль­ шего усиления сигнала в клистронах используется принцип увели­ чения числа каскадов, как и в других типах усилителей. Так, для получения двухкаскадного усиления можно соединить два клистро­ на последовательно. Но гораздо выгоднее объединить оба клистро­ на в одном баллоне. При этом функции выходного резонатора первого клистрона и функции входного резонатора второго клист­ рона объединяются в одном резонаторе, названном промежуточ­ ным. Схематическое изображение трехрезонаторного клистрона показано на рис. 4.16. Между входным и выходным резонаторами помещается промежуточный резонатор, настроенный на частоту входного сигнала. Электронный поток, идущий от катода, в пер­ вом резонаторе модулируется по скорости. При слабом входном сигнале во второй резонатор поступают слабые сгустки электро­ нов. Второй резонатор не связан с внешней нагрузкой, и его ак­ тивная проводимость определяется только потерями в самом ре­ зонаторе да электронной нагрузкой зазора между его сеткамиДо

" В ы х о д

Вход

подхода к нему электронов колебаний в нем нет. При прохожде­ нии сгустков электронного потока через второй резонатор в нем возбуждаются колебания. По внутренней поверхности резонато­ ра протекает наведенный высокочастотный ток. Значение этого тока невелико, но он может создавать между сетками второго ре­ зонатора напряжение, значительно превышающее напряжение сигнала на зазоре первого резонатора. Этим напряжением осу­ ществляется вторичная модуляция электронного луча по скорости, но уже в значительно большей степени, чем во входном резона­ торе. Это усиленное напряжение и является напряжением воз­ буждения второго каскада. После выхода из промежуточного ре­ зонатора электроны движутся к выходному резонатору в про­ странстве дрейфа, где происходит группирование электронов в сгустки. Группирование электронов во второй пролетной трубе происходит интенсивнее, чем без промежуточного резонатора. Затем электронный поток движется через сетки выходного (треть­ его) резонатора и отдает ему свою энергию, возбуждая и под­ держивая в нем интенсивные колебания. При правильном выборе амплитуды напряжения на сетках первого резонатора электрон­ ный поток группируется оптимальным образом и первая гармо­ ника конвекционного тока достигает максимального значения. Амплитуда напряжения между сетками выходного резонатора до­ стигает значения, равного или несколько большего ускоряющего напряжения. Мощность этих колебаний с помощью фидера пере­ дается в нагрузку. Таким образом, многорезонаторный клистрон можно рассматривать как состоящий из двух секций: возбуждаю­ щей и выходной. Возбуждающую секцию составляют все пролет­ ные резонаторы, кроме выходного. В них формируется электрон­ ный поток. Выходная секция образуется одним выходным резона­ тором. Пройдя выходной резонатор, электроны попадают на кол­ лектор. Группирование электронов в двух или нескольких прост­ ранствах дрейфа называется каскадным.

Для того чтобы уменьшить поперечное взаимное расталкива­ ние электронов в луче, многорезонаторный клистрон помещают в сильное магнитное поле (сотни эрстед). Силовые линии магнит­ ного поля параллельны оси клистрона. Отклоняющийся в сторону электрон возвращает магнитное поле к центру луча. Этим исклю­ чаются удары электронов о стенки трубки пролета. А для устра­ нения столкновения электронов с проводами сеток резонаторы изготовляются без сеток. В этом случае резонаторы располага­ ются на трубе и связаны с ее внутренним пространством кольце­ выми целями. В мощных клистронах ускоряющее напряжение очень высокое. Поэтому скорость электронов настолько большая, что в отсутствие сеток резонатора модуляция их по скорости по­ лучается вполне удовлетворительной. При магнитной фокусиров­ ке и бессеточном зазоре в резонаторах почти весь электронный поток достигает коллектора.

Коэффициент усиления в трехрезонаторном клистроне повыша­ ется до 30... 4С i.B (1000 ... 10 000), а КПД достигает 0,3 ... 0,4-

Увеличивая число резонаторов, можно получить очень большой коэффициент усиления. В настоящее время клистроны в основ­ ном изготовляют четырехрезонаторные.

Изменение частоты настройки резонаторов в клистронах до* стигается изменением объема пространства внутри резонатора путем деформации стенок резонатора или введения в их полость винтов (поршней). Многорезонаторные клистроны в импульсном режиме обеспечивают мощность до 100... 200 МВт при КПД в 0,3... 0,4 и коэффициенте усиления до 10®... 107 раз.

Недостатки клистронов: 1) необходимость применения высо­

Пролетный клистрон может работать также и в режиме са­ мовозбуждения. Для этого с выходного резонатора часть энер­ гии передается в первый резонатор с помощью коаксиальной ли­ нии обратной связи, как показано на рис. 4.17Однако двухрезо­ наторный клистронный автогенератор не может генерировать большой мощности и к тому же имеет недостаточный электрон­ ный КПД. Поэтому использовать двухрезонаторные клистропные автогенераторы для получения больших мощностей нецеле­ сообразно. Но в передатчиках радиорелейных и доплеровских систем с выходной мощностью порядка единиц или десятков ватт, а также в качестве генераторов накачки для параметриче­ ских усилителей двухконтурный клистронный автогенератор ис­ пользуется успешно.

Автогенераторы на двухрезонаторных клистронах имеют ряд важных достоинств: а) высокую долговременную стабильность частоты; б) низкий уровень шумов вблизи генерируемой частоты и в) большую генерируемую мощность, чем в отражательном клистроне.

Рис. 4.17. Двухконтур­ ный клистронный гене­ ратор с коаксиальной линией обратной связи ОС (а) и с отверстием связи в общей стенке резонаторов (б)

электронов через сетки резонатора. На рис. 4.19 приведено графи­ ческое изображение движения электронов при различных напря­ жениях на сетках резонатора. Пролетев сетки, электроны попа­ дают в тормозящее поле резонатора. Сначала они летят по инер­ ции, а затем под действием тормозящего поля, которое создает­ ся напряжением на отражателе, тормозятся, останавливаются и возвращаются обратно к сеткам резонатора. Длина пути, прохо­ димого электронами в пространстве между резонатором и отра­ жателем, зависит от их скорости. Электроны 1, получившие в резо­ наторе ускорение, пройдут больший путь и подойдут ближе к отра­ жателю. Электроны 3, приторможенные в резонаторе, пройдут меньший путь и раньше повернут к резонатору. Более быстрые электроны, возвращаясь к резонатору, догоняют более медленные, в результате чего образуются сгустки электронов, т. е. происхо­ дит группирование их. Поэтому в отражательном клистроне про­ странство между резонатором и отражателем называется про­ странством группирования. При определенном расстоянии I и на­ пряжении Е = Е У—Е0 сгустки будут возвращаться в резонатор в моменты тормозящего поля и, отдавая ему свою энергию, будут поддерживать колебания в резонаторе. Таким образом, отража­ тельный клистрон может работать только в режиме самовозбуж­ дения.

Условия самовозбуждения отражательного клистрона выпол­ няются при определенной плотности электронных сгустков, т. е. при определенном токе в луче. Обратная связь в отражательном клистроне осуществляется с помощью возвращающегося в резо­ натор электронного потокаДля выполнения условия баланса фаз, т. е. чтобы обратная связь была положительной, необходимо, чтобы электронные сгустки возвращались в резонатор в моменты максимального значения того, что тот полупериод, который для летящих к отражателю электронов является ускоряющим, для возвращающихся будет тормозящим. Условие баланса фаз дости­ гается подбором отрицательного напряжения на отражателе. Наилучшим образом фазовые условия удовлетворяются, когда вре­ мя пролета электрона в пространстве группирования

т=^ (л+3/4) Т,

где 7’=2я/(о0, а ©о — собственная частота резонатора; л = 0, 1, 2, 3,... — целое число, определяющее номер зоны генерации отража­ тельного клистрона.

Таким образом, условия самовозбуждения выполняются при различных значениях времени пролета, удовлетворяющих этому уравнению. Изменяя время пролета изменением напряжения на отрая<ателе, можно получить дискретные зоны генерации (л). В пределах каждой зоны генерации можно осуществлять электрон­ ную перестройку частоты.

Второе условие — баланс амплитуд — достигается изменени­ ем тока в луче путем подбора напряжения на ускоряющем элект­ роде.

Вотражательном клистроне можно осуществить электронную

имеханическую перестройку частоты.

Электронной перестройкой называется изменение частоты гене­ рации отражательного клистрона путем изменения напряжения на отражательном электроде. Такая перестройка частоты— наи­ более ценное свойство отражательного клистрона. Она использу­ ется для безынерционного изменения частоты в клистронах — ге­ теродинах, в осциллографах, для автоматической подстройки час­ тоты при обеспечении долговременной стабилизации частоты гене­ рации клистрона. Удобство электронной перестройки еще состо­ ит и в том, что при достаточно высоком отрицательном напряже­ нии на отражателе ток отражателя равен нулю и, следовательно, мощность на управление частотой колебаний не расходуется.

Диапазон электронной перестройки невелик — примерно 0,3 ..•

...0,5% частоты генерации отражательного клистрона. Диапазо­ ном электронной перестройки называют изменение частоты в пре­ делах половинного уровня мощности от ее максимального значе­

большая, то для работы в более широкой полосе частот приме­ няют механическую перестройку частоты путем изменения разме­ ров резонатора: чаще всего — емкостную перестройку частоты из­ менением расстояния между сетками резонатора, выполненными в этом случае в виде гофрированных гибких мембран. Этот способ обеспечивает перестройку в сравнительно узком диапазоне час­ тот. Индуктивная перестройка применяется в клистронах с на­ ружным резонатором. Она выполняется с помощью винтов, вкру­ чиваемых внутрь резонатора. В стеклянном баллоне изготовляют­ ся клистроны, работающие в диапазоне частот 500 ..-1200 МГц Д = 2,5—60 см), в металлическом — в диапазоне выше 10 000 МГц (А = 3 см).

4.8. МИНИТРОНЫ

Минитроном называется отражательный клистрон очень малых размеров — несколько миллиметров. Масса минитрона.— десятки доли грамма, что сравнимо с соответствующими размерами и массой полупроводниковых приборов. Так, в трехсантиметровом диапазоне волн резонатор мннитрона имеет диаметр 3 мм и высо­ ту 1 мм. Преимущества минитронов по сравнению с полупровод­ никовыми приборами — высокая пробивная прочность, темпера­ турная и радиационная стабильность параметров. Это показыва­ ет, что дальнейшая миниатюризация вакуумных приборов может привести к созданию интегральных устройств, подобных инте­ гральным микросхемам на полупроводниковых приборах, что имеет важное решающее значение при разработке радиоустройств для гражданской авиации.