Повна версія

Головна arrow Товарознавство arrow Електроніка

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

КЛІСТРОНИ

Пролітні клістрони.

У прогонових клістронах використовуються вузькосмугові коливальні системи (резонатори). Як правило, кількість резонаторів в цих приладах коливається від двох до чотирьох-п'яти. Основне призначення прогонових клистронов - генерація, посилення і множення СВЧ-коливань. Цей тип приладів може працювати в діапазоні частот від сотень МГц до сотень ГГц, максимальні значення вихідної потужності можуть досягати сотень кВт в безперервному режимі. Перебудова по частоті в цих приладах здійснюється механічно.

Розглянемо спочатку дворезонаторних клістрони (ДРК), які найбільш яскраво ілюструють принципи динамічного керування електронним потоком, а потім перейдемо до багаторезонаторних Клістрони, які мають найбільше поширення. Схема пристрою ДРК приведена на рис. 13.1. Катод! і прискорює електрод 2 формують електрон

Мал. 13.1

ний потік з заданими характеристиками. Електрони підходять до сітки першого (вхідного) резонатора 3 з однаковою швидкістю

е> т - заряд і маса електрона, U 0 - прискорює напруга.

Вхідний резонатор 3 збуджується через вхідний пристрій 4 вхідним СВЧ-сигналом потужністю Р вх і частотою о). В результаті між сітками цього резонатора існує змінне електричне поле напругою і г - U ml sin (cgJj), яке в позитивний напівперіод додатково прискорює електрони, а в негативний - гальмує ( U ml - амплітуда змінної напруги на сітках резонатора 3). Отже, після першого резонатора електрони будуть мати різні швидкості. Цей процес називається модуляцією електронів за швидкістю. У просторі дрейфу 5 електрони переміщаються без додаткових впливів. Через різної швидкості електронів в електронному потоці будуть утворюватися ущільнення (згустки) і розрідження, т. Е. Модуляція за швидкістю перетворюється в модуляцію по щільності. Частота проходження згустків дорівнює частоті вхідного сигналу. Згустки електронів, проходячи між сітками вихідного резонатора 6 , налаштованого на частоту вхідного сигналу, наводять в його ланцюга струм тієї ж частоти, який через вихідний пристрій 4 надходить в навантаження. Між сітками виникає СВЧ-напруга. Згустки пролітають вихідний резонатор в котрий гальмує напівперіоді і віддають СВЧ-полю частина енергії. Інша частина енергії електронного потоку розсіюється у вигляді тепла на колекторі 7.

Процес модуляції швидкості електронів під дією синусоїдальної сигналу w, на вході можна описати формулою

де і, - швидкість електронів в просторі дрейфу; час визначає поточну фазу СВЧ-поля в момент проходження електронами середини зазору вхідного резонатора 3 (х = 0);

коефіцієнт модуляції електронного потоку у U 0 - прискорює напруга (див. рис. 13.1)

коефіцієнт ефективності взаємодії електронів з полем резонатора;

0 3 = 0 2 - 0! - фазовий кут прольоту електрона в зазорі вхідного резонатора (0! / 0 2 - фази СВЧ-поля відповідно в момент вльоту електрона в зазор і в момент вильоту з зазору резонатора).

Ефективність угруповання електронного потоку характеризується параметром угруповання X:

де 0 Про = (про • £ 0 - абсолютний кут прольоту електрона, відлічуваний від моменту перетину середини зазору вхідного резонатора (д; = 0, див. рис. 13.1) до даної площини х в просторі дрейфу; £ 0 , відповідно, час прольоту . Таким чином, фазовий кут 0 Про визначає, на скільки зміниться фаза СВЧ-поля за час прольоту £ 0 .

Закон зміни змінної напруги на сітках і графік руху електронів в проміжку між резонаторами показаний на просторово-часової діаграмі (рис. 13.2, де х 3 = I - відстань між резонаторами).

Синусоїда в нижній частині малюнка зображує змінна напруга між сітками вхідного резонатора. Цифрами на осі абсцис відзначені моменти проходження вхідного резонатора різними електронами.

Для простоти розгляду будемо вважати, що електрони миттєво змінюють свою швидкість в середині зазору першого резонатора (х = 0, див. Рис. 13Л). На рис. 13.2 вісь часу £ проведена через точку х = 0 осі ординат, що відповідає середині зазору вхідного резонатора.

Графік руху електронів в просторі за резонатором представлений прямими лініями, тангенс кута нахилу яких до осі абсцис пропорційний швидкості руху електронів. Електрони 2, 4, 6 і 8, що пролетіли сітки резонатора в моменти проходження змінного напруги через нуль, рухаються з середньою швидкістю і> 0 , т. Е. Вони не змінюють швидкості. Їх називають незбурених. прямі

Мал. 13.2

руху для електронів 3, 7, пройшли зазор резонатора під час позитивного напівперіоду, нахилені до осі абсцис під великим кутом, ніж прямі для електронів 2, 4, 6 і 8. Графіки для електронів 1, 5, які пройшли зазор в гальмує напівперіод, складають з віссю абсцис менший кут. Електрони 1 і 5, що вилетіли з зазору раніше, ніж електрони відповідно 2 і 6, але забарилися свій рух, можуть зблизитися в певний момент часу з цими електронами (площину * 3 = /). Електрони 3 і 7 прискорюються і в певний момент часу наздоженуть відповідно електрони 2 і б в площині х 3 = /, що відповідає середині зазору вихідного резонатора 6 (див. Рис. 13.1 і 13.2). Таким чином, при переході від гальмуючого напівперіоду напруги до прискорює відбувається групування електронів 1 і 3 близько електрона 2, а електронів 5 і 8 - близько електрона 6. Електрони 2 і 6 є центрами угруповання, а 4 і 8 - центрами разгруппировки.

Напруги 17 0 і і можна підібрати таким чином, щоб електрони зустрічалися в середині зазору вихідного резонатора, т. Е. В точці х = /. Представлена картина є ідеалізованої, оскільки в дійсності електрони 1, 2, 3 в одній точці не зустрінуться, а зблизяться на мінімальну відстань. Крім того, з енергетичної точки зору існує оптимальна форма згустку. У цьому випадку буде відбуватися найбільша передача енергії від електронів полю. Велика частина електронів з потоку зосереджена в згустках, які будуть гальмуватися СВЧ-полем. Значить, число електронів, що передають енергію полю, більше, ніж забирають її. електрони

4 будуть проходити другий резонатор в прискорює напівперіод і відбиратимуть енергію від СВЧ-поля.

Напруга і 2 у верхній частині рис. 13.2 є напругою між сітками другого резонатора. Потужність коливань, що встановилися в другому резонаторі, перевищує потужність коливань, що підводяться до вхідного резонатора, т. Е. Відбувається посилення СВЧ-сигналу по потужності. У вхідному резонаторі половина електронів прискорюється, а половина гальмується СВЧ-полем, тому витрата енергії джерела підсилюються коливань близький до нуля. У вихідному резонаторі процес віддачі (гальмування) енергії електронами переважає, оскільки моменти існування прискорює різниці потенціалів відповідають інтервалам між згустками, де електронів мало. Виходячи з розглянутого механізму групування електронів неважко зробити висновок, що при незмінних напружених і 0 у і і при фіксованій частоті (про параметр угруповання X збільшується з відстанню х від вхідного резонатора. Параметр X визначає зміну в часі конвекційного струму 1 ех в деякому перетині х простору дрейфу. Як показує теоретичний аналіз процесів в клистроне, закон зміни струму виглядає наступним чином:

де / 0 - струм електронного потоку за відсутності модуляції, ал 1 - кут прольоту центрального електрона / -го ущільнення всередині згустку при X> 1. Якщо X > 1, то згусток розпадається на ряд (/) ущільнень, при X <1 число / = 1.

Формула для 1 ех показує, що зміна струму в часі носить періодичний, але несинусоїдальний характер.

Якщо розкласти цю періодичну функцію (13.4) в ряд Фур'є, то струм можна записати у формі

де t 2 - час, що визначає поточну фазу СВЧ-поля у вихідному резонаторі 6 , J п (ПХ) - функція Бесселя першого роду я-го порядку, 0 - абсолютний кут прольоту електронів від х = О до х = /.

У ДРК вхідний і вихідний резонатори настроюються на одну і ту ж частоту О), тому найбільший інтерес представляє перша гармоніка електронного струму. При я = 1 і cos (о) / 2 - 0) = 1 амплітуда першої гармоніки струму t'mi = 2 1 0 J x (X), де J, (X) - функція Бесселя 1-го роду 1-го порядку . Максимум амплітуди першої гармоніки має місце при X =

- 1,84, коли J, (X) = </, (1,84) = 0,58 (рис. 13.3).

Розглянемо деякі параметри і характеристики ДРК. Одним з найважливіших параметрів є потужність коливань в навантаженні ви-

Мал. 13.3

перехідного резонатора Р вих , яка дорівнює потужності коливань Р е > розвивається електронним потоком:

де Р 2 - коефіцієнт взаємодії електронів з полем вихідного резонатора; і , 1 - відповідно амплітуди напруги і струму в вихідному резонаторі.

Як зазначалося вище, при X = 1,84 маємо J ^^ X) = 0,58 і потужність

Для амплітуди напруги на сітках другого резонатора можна записати

де Сг екв2 - еквівалентна активна провідність другого резонатора.

Таким чином, рівень вихідної потужності багато в чому визначається режимом модуляції електронного потоку у вхідному резонаторі.

Електронний коефіцієнт корисної дії Т | ел підсилювального клістрона знаходиться зі співвідношення

В реальних умовах і про , а р 2 <1, але якщо взяти граничні недосяжні значення і = і про І р 2 = 1, ТО = Ломакс = = 0,58. Таким чином, ККД ДРК не може перевищувати 58%.

Коефіцієнт посилення клистрона по потужності розраховується за формулою К Р = 10 ер вих / Р вк [дБ]. Коефіцієнт посилення, як і вихідна потужність Р вих , залежить від режиму роботи клистрона. Амплітудна характеристика Р вих = / (Р вх ) представлена на рис. 13.4.

Мал. 13.4

З наведених вище формул слідують співвідношення для вхідної та вихідної потужності і функціональний зв'язок між цими величинами:

Таким чином, амплітудна характеристика Р вих = / (Р вх ) (див. Рис. 13.4) описується залежністю J'f (X) = / (X 2 ), максимум якої, згідно з наведеним вище аналізу, відповідає значенню X = 1,84 . Збільшення Р ВЬ1Х на висхідному ділянці характеристики при зростанні Р вх обумовлено все більш щільною угрупованням електронів у міру зростання амплітуди вхідного сигналу. Падіння Р вих при великих значеннях Р пх на низхідній ділянці характеристики обумовлено перегрупуванням електронного потоку, т. Е. Згустки в цьому випадку формуються до приходу їх до другого резонатор і при подальшому русі починають розпливатися через різних швидкостей електронів, що входять в згусток.

Форма хвилі конвекційне струму багата гармонійними складовими, тому ДРК може ефективно працювати в якості помножувача частоти. У цьому випадку вихідний резонатор настроюється на одну з вищих гармонік частоти вхідного сигналу. ДРК мають малими ККД, коефіцієнтом посилення і вихідною потужністю. Істотно кращі характеристики мають багаторезонаторні клістрони , в яких реалізуються умови многокаскадной угруповання. Так, наприклад, трехрезонаторний клістрон, що має вхідний резонатор, проміжний ненавантажений і вихідний резонатори, можна уявити, як сукупність двох еквівалентних ДРК, сформованих відповідно вхідним і вихідним, і проміжним і вихідним резонаторами. При многокаскадной угрупованню вдається більш оптимально згрупувати електронний потік і підняти теоретичний ККД в трехрезонаторном клистроне до 73%. Многорезона-

уторовані клістрони в порівнянні з дворезонаторних здатні посилювати істотно більш слабкі сигнали. Рівень Р вих в таких приладах може досягати сотень кіловат в безперервному режимі, реальні значення ККД - до 40 і більше відсотків (у порівнянні з 15 ... 20% в ДРК), коефіцієнт посилення -30 ... 50 дБ.

 
<<   ЗМІСТ   >>