книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

IV. Шумовой генератор

с эмиттирующим отрицательным электродом

Генератор с эмиттирующим отрицательным электродом схематически изображен на фиг. 3. Этот прибор по су­ ществу представляет собой магнетронный усилитель с эмит­ тирующим электродом и согласованной нагрузкой на

Выход

шумового сигнала

^ Вторичноэмиссионный катод

входе. Такие генераторы делают цилиндрической формы с замкнутым электронным потоком, благодаря чему они способны работать с повышенным к. п. д. Анодная замед­ ляющая система занимает основную часть окружности прибора. В пространстве дрейфа между выходом и входом происходит разгруппировка электронного облака, как было описано в разд. 2.3.2, и тем самым не допускается самовозбуждения ВЧ-колебаний, которые вызывали бы появление максимумов и минимумов в спектре шумов. Эмиссия электронов происходит с поверхности отрицатель­

верхности катода и поэтому поверхностные волны, необ­ ходимые для диокотронного эффекта, не могут существо­ вать (вдоль нижней границы). Теоретически установлен другой механизм, согласно которому должны возникать колебания на частоте выше нормальной высокочастотной границы диокотронного эффекта. Однако измерения, вы­ полненные на генераторах с эмиттирующим отрицатель­ ным электродом, показывают, что генерация шума про­ исходит в низкочастотной области характеристики диокотроиного эффекта. Существование диокотронного эффек­ та, вероятно, можно объяснить, если рассмотреть в по­ токе пространственного заряда более тонкие явления. Распределение пространственного заряда в таком потоке имеет максимум тока на некотором расстоянии от поверх­ ности катода, что дает внешнее сходство с системой, где поток инжектируется. Анализ волн в таком потоке еще не был описан в литературе, но сходство с системой инжек­ тированного потока позволяет надеяться, что существова­ ние диокотронного эффекта будет доказано. Весьма ве­ роятно, что генерация шумов высокого уровня в шумовых генераторах с эмиттирующим отрицательным электродом обусловлена сочетанием диокотронного эффекта с эффек­ том обратной связи того же типа, что и в генераторах с инжектированным потоком.

Разработанные образцы шумовых генераторов с эмит­ тирующим отрицательным электродом отдают на выходе мощность от 100 до 1000 в т при широкополосности от 20 до 50%. По-видимому, можно ожидать, что выходная мощность и к. п. д. этих шумовых генераторов будут до­ ведены до уровней, достижимых для магнетронных уси­

2.5. МОЩНЫЕ КЛИСТРОНЫ И ПРИБОРЫ КЛИСТРОННОГО ТИПА

По л ь

I. Введение

Попытки продвинуться в область сверхвысоких ча­ стот с целью получения больших мощностей, предприни­ мавшиеся в 30-х годах, показали, что время пролета в обычных мощных триодах и тетродах является существен­ ным ограничением, препятствующим эффективному взаи­ модействию между электронами и ВЧ-полями. Еще одним ограничивающим фактором для этих приборов являются емкостные зарядные токи, приводящие при больших ам­ плитудах ВЧ-колебаний к вибрациям электродов. Эти же токи вызывают сильный нагрев спаев, резко возрастаю­ щий с повышением частоты. Указанные ограничения мож­ но уменьшить или обойти, если создать приборы, в ко­ торых пролетное время использовалось бы для нормаль­ ной работы и в которых, кроме того, были бы малыми емкости основных электродов.

Эти характерные черты нашли отражение в одном из наиболее важных типов мощных приборов — многорезо­ наторном клистроне, разработанном в Стэнфордском уни­ верситете Вэрианом [1]. Описанию свойств клистрона по­ священа обширная литература [2—5]. Дальнейшие рабо­ ты привели к созданию практических конструкций уси­ лительных клистронов, обладавших большой выходной мощностью и высоким к. п. д., достаточной широкополосностыо и стабильностью частоты, которая позволяла при­ менить схему кварцевой стабилизации. Тем самым сло­ жились условия для создания различных СВЧ-систем от передатчиков телевизионных центров до фазо-когерент­ ных радиолокаторов, что в свою очередь привело к раз­ работке множества мощных клистронов, перекрываю­ щих диапазон частот от 350 до 10 000 Ггц. Как показали исследования, выполненные по государственным зака­ зам, полученные значения выходной мощности, к. п. д.

и ширина полосы у клистронов пока еще не достигли предельных величин.

В этом разделе мы кратко изложим основные особен­ ности обычных пролетных клистронов, после чего дадим характеристику современного состояния этих приборов и их возможностей. В заключение будут кратко рассмо­ трены направления дальнейшего развития этой области

сточки зрения увеличения выходной мощности, к. п. д.

иширины полосы.

II. Принцип действия и характеристики

А.Принцип действия. Чтобы проиллюстрировать принцип действия клистрона, рассмотрим простой двух­ резонаторный усилительный клистрон, схематически изоб­ раженный на фиг. 1. В этом приборе быстрый электрон­ ный пучок последовательно проходит через входной объем­ ный резонатор, иногда называемый группирователем, трубу дрейфа, расположенный за ней выходной резона­ тор и, наконец, достигает коллектора. Сигнал, который нужно усилить, подается на входной резонатор и воз­ буждает синусоидальные напряжения на зазоре А . В за­ висимости от того, в какую фазу электрического поля в за­ зоре попадет электрон — в положительную или отрица­

тельную, — он будет ускоряться или тормозиться. По этой причине группы, состоящие из ускоренных электро­ нов, в пространстве дрейфа будут догонять группы за­ торможенных электронов. В точках, где ускоренные груп­ пы электронов догоняют замедленные, повышается плот­ ность заряда и образуются сгустки, или, как их еще называют, пакеты электронов. Эти пакеты электронов способны возбуждать ВЧ-токи в зазоре В выходного ре­ зонатора. Положение этого резонатора выбирают так, чтобы получить наилучшее взаимодействие. Пакеты элек­ тронов движутся со скоростью пучка, поочередно уплот­ няются и «размываются» с частотой ВЧ-сигнала. Если рассматривать процесс с «точки зрения» электрона, дви­ жущегося со скоростью пучка вдоль него, то будет наблю­ даться картина стоячей волны. Плотность группирования изменяется в пространстве от нуля (в зазоре модуляции скорости) до некоторого максимума в точке, где воз-

никает наибольшая концентрация электронов, а затем снова уменьшается. Такое амплитудное распределение иногда называют волной пространственного заряда. Про­ стой линейный анализ волн пространственного заряда [6— 9] дает удобную и точную модель поведения пучка в ре­ жиме малого сигнала. Наибольшее усиление между двумя

Фиг . 1. Схематическое изображение двухрезонаторного клистрона.

резонаторами наблюдается тогда, когда длина трубы дрей­ фа равна четверти расчетной длины волны пространствен­ ного заряда, т. е. равна* расстоянию между максимумом и минимумом плотности группирования.

При более высоких уровнях модуляции большую точ­ ность дает расчет процесса группирования на основе бал­ листического анализа [10]. При этом пучок рассматри­ вается как последовательность сгустков заряда, имеющих форму дисков (ось которых совпадает с направлением пучка), создающих совместно соответствующее распре­ деление плотности заряда и движущихся со скоростью

пучка. Расчеты при таком рассмотрении удобнее выпол­ нять с помощью электронной вычислительной машины. В литературе дано обобщение этого подхода на случай трех и большего числа последовательных резонаторов [11, 12]. ВЧ-токи, возбуждаемые в сгруппированном пучке, зависят, естественно, от плотности заряда и скорости пучка, от частоты возбуждения и глубины модуляции. Наилучшим положением зазора В выходного резонатора, очевидно, должно быть такое, при котором процесс груп­ пирования возбуждает в выходном резонаторе наиболь­ шие ВЧ-токи. Более детально этот вопрос обсуждается ниже.

Б. Коэффициент усиления и к. п. д. Двухрезонатор­ ный клистрон, подобный изображенному на фиг. 1, в ред­

оказалось возможным путем каскадирования, которое привело к разработке клистронов с тремя, четырьмя, пятью и большим числом резонаторов. Еще в 1953 г. на трехрезонаторном клистроне 10-саитиметрового диапазо­ на были достигнуты усиление выше 35 дб и выходная мощность 30 М ет [4], а в 1961 г. на четырехрезонаторном клистроне реализованы к. п..д. выше 60% при усилении 30 дб и мощности 15 М ет на частоте 400 Мгц [131. Уве­ личение усиления с ростом числа резонаторов легко объяснить. Менее очевидна причина повышения к. п. д., но интенсивные теоретические исследования показали, что она связана с повышением плотности сгруппированных пакетов при правильном расположении промежуточных резонаторов [10—12]. В этих работах исследовалось влияние длины отрезков дрейфа между резонаторами на величину к. п. д. и усиление. Результаты теоретических расчетов дали хорошую корреляцию с результатами, полученными на экспериментальных приборах, у кото­ рых наилучшему значению к. п. д. соответствовало после­ довательное уменьшение длин отрезков дрейфа по длине прибора (по мере увеличения глубины модуляции пучка). В типичном четырехрезонаторном клистроне длины отрез­ ков между резонаторами имеют величины 0,25, 0,18 и 0,10 от длины волны пространственного заряда (фиг. 2). К. п. д, зависит также от глубины модуляции в проме-

действительности. Существует ряд других факторов, влия­ ющих на к. п. д., в частности распределение электронов в пучке по скоростям, разгруппирующее действие простран­ ственного заряда и коэффициент взаимодействия пучка

сзазором, который служит мерой эффективности зазора

впроцессе передачи ВЧ-энергии от сгруппированного пучка в систему. В идеальном случае коэффициент взаи­ модействия равен 1,0, но в реальных приборах его ве­ личина лежит в пределах от 0,8 до 0,95 [3, 141.

Появившиеся позднее более сложные методы расчета,

вкоторых учитывались перечисленные выше факторы,

дали более приемлемые результаты [15—18]. Прогресс в области машинной вычислительной техники значитель­ но облегчил эти расчеты. Оказалось возможным просле­ дить прохождение малых электронных пакетов через зазоры взаимодействия и трубы дрейфа различной длйны (при малом шаге изменения длины) и затем полученные

точностью дают значение фазовых углов и величины то­ ков, наводимых в различных резонаторах.

Отсюда следует вывод, что подобные машинные про­

ший к. п. д., импеданс ВЧ-системы в.зазоре выходного резонатора должен быть согласован с ВЧ-импед'ансом сгруппированного пучка. Если импеданс выходного ре­ зонатора слишком велик, то ВЧ-напряжеиие на зазоре оказывается слишком большим, часть сгруппированных электронов поворачивает к катоду и создает потери энергии в пучке. Если же импеданс слишком мал, то напряжение на зазоре выходного резонатора оказывается недостаточным для эффективного замедления пучка, и энергия в данном случае бесполезно теряется, так как сгруппированные электроны приходят на коллектор со слишком большими остаточными скоростями.

Между этими двумя предельными значениями имеется оптимальное -значение импеданса, при котором от струп­