Файл: Басалов Ф.А. Некоторые вопросы техники сверхвысоких частот [конспект лекций].pdf

объемного резонатора находится вне стеклянного вакуумного баллона (см. рис. 24). Металлические клистроны применяются в диапазоне волн короче 3 см. У них весь объемный резонатор находится внутри металлического ваккумного баллона.

2. Принцип действия

Электроны, эмиттируемые катодом, попадают в ускоряющее электрическое поле, созданное источником напряжения Uu в пространстве между катодом и объемным резонатором (см. рис. 25). В этом пространстве электроны движутся равноуско­ ренно и равномерным по плотности потоком. В резонатор электроны входят со скоростью 1/0, которая определяется ве­ личиной ускоряющего напряжения U0

где е й т — соответственно заряд и масса электрона.1 Если предположить, что в объемном резонаторе колебания

отсутствуют, то дальнейшее движение электронов будет проис­ ходить следующим образом. Электроны пролетают между сет­ ками резонатора и попадают в тормозящее электрическое поле, существующее в пространстве между резонатором и отражате­ лем вследствие того, что к отражателю приложено отрицатель­ ное напряжение U0Tp. В этом пространстве - (пространство груп­ пирования) электроны движутся равнозамедленно, скорость их постепенно уменьшается. В некоторой точке (точка К на рис. 25) скорость электронов становится равной нулю и начинается обратное равноускоренное движение электронов к резонатору, так как электрическое поле между резонатором и отражателем является теперь для них ускоряющим. Благодаря этому элек­ троны пролетают между сетками резонатора во второй раз. Электроны, возвратившиеся к резонатору, оседают на ускоряю­ щем электроде (если он имеется) или на самом резонаторе.

1 На основании закона сохранения энергии приращение кинетической энер­ гии электрона, двигающегося в электрическом поле, должно равняться рабо­ те, затраченной полем на перемещение электрона,

Отсюда

2 4

тотные колебания, которые между сетками резонатора (в облас­ ти интенсивного электрического поля) . создают переменное напряжение

ll(t) = UmS\n<s)t.

Эти собственные колебания объемного резонатора являются за­ тухающими.

Для получения незатухающих колебаний необходимо непре­ рывно пополнять запас энергии объемного резонатора, чтобы компенсировать потери. В отражательном клистроне поддержа­ ние незатухающих колебаний происходит за счет обратного потока электронов, который при определенных условиях отдает часть своей энергии электрическому полю резонатора. Для выявления этих условий рассмотрим процесс установившихся колебаний в отражательном клистроне.

Вследствие того, чго между сетками резонатора действует переменное электрическое поле, электроны прямого потока периодически ускоряются и замедляются при прохождении междусеточного пространства.

Если расстояние между сетками d (см. рис. 25) мало, а скорость электронов V0 велика, то можно пренебречь временем пролета электронов через резонатор. Тогда скорость электрона, выходящего из резонатора,

тывая это, можно приближенно записать:

Таким образом, скорость электронов прямого потока, выхо­ дящих из объемного резонатора, будет периодически изменять­ ся относительно значения V0.

Процесс изменения скоростей электронов под воздействием переменного напряжения между сетками резонатора называется модуляцией электронов по скорости.

При движении модулированного по скорости электронного потока в пространстве группирования происходит преобразова­ ние модуляции по скорости в модуляцию по плотности — обра­ зование сгустков электронов. Рассмотрим этот процесс под­

робнее.

В пространстве группирования электроны прямого потока движутся в тормозящем электрическом поле, напряженность которого

U,n - Uс

Сила, действующая на электрон со стороны этого поля,

F3 = еЕ.

Электрон движется в постоянном тормозящем поле равнозамед­ ленно со скоростью

V = V' - at,

где а — ускорение.

тт т-1

Обозначим через ",,Р — время пролета электрона от момента выхода его из резонатора до момента возвращения в резонатор (время нахождения в пространстве группирования). При

Таким образом, время пролета электронов будет периодически

из резонатора с большей скоростью, возвращаются в резонатор через большее время, чем электроны, вылетевшие из резонато­ ра с меньшей скоростью. Вследствие этого электроны, вылетев­

вания. Эти графики, представляющие собой параболы, приведе­ ны на рис. 26. На этом рисунке изображены графики движения нескольких электронов, вылетающих из резонатора в разные моменты времени через каждую четверть периода высоко­ частотных колебаний. Начало оси х совмещено с сеткой резонатора. На этом же рисунке изображен график переменного высокочастотного напряжения между сетками резонатора.

Электроны 2 и 4 пролетают через резонатор в те моменты времени, когда переменное напряжение между, сетками равно нулю. Следовательно, вылетая из резонатора, они имеют ско­

26

х

Электроны 1, 2 я 3 собираются в сгусток, группируясь вокругэлектрона 2, который пролетает через резонатор в момент времени, когда поле из ускоряющего становится тор­ мозящим. Путем выбора величины напряжения t/0Tp сгусток электронов возвращается к резонатору в момент времени /ь когда переменное электрическое поле между сетками резонато­ ра для обратного потока электронов является максимально тормозящим. Пролетая сквозь сетки, электронный сгусток тормозится, отдавая часть своей энергии переменному полю. Электрон 4 при этом возвращается к резонатору в момент времени t>, когда поле для обратного потока электронов мак­ симально ускоряющее. Пролетая сквозь резонатор, он ускоря­ ется полем, потребляя часть его энергии.

Проведенный краткий анализ энергетического взаимодействия электронов с переменным нолем показывает, что количество отданной электронами полю энергии больше, чем отобранной у него. Вследствие этого осуществляется поддержание незатуха­ ющих колебаний в объемном резонаторе.

27

Эти области называются зонами генерации. График зависимости выходной мощности клистрона от напряжения на отражателе приведен на рис. 27.

Из рис. 27 следует, что с увеличением номера зоны гене­ рации максимальная мощность уменьшается. Объясняется это

различной степенью группирования электронов. В отражатель­ ных клистронах оптимальное группирование обычно имеет место для зоны генерации-с наименьшим номером.

4.Перестройка частоты

Вотражательном клистроне существует два основных спосо­ ба изменения частоты: электронная и механическая перестройка.

Электронная перестройка представляет собой изменение

частоты колебаний клистрона путем изменения напряжения на отражателе.

Процесс электронной перестройки; например в нулевой зоне, можно пояснить следующим образом. При точном выпол­

венные колебания резонатора поддерживаются сгруппированным

сматривать как подачу на сетку в этот момент кратковремен-

29