Файл: Федоров, Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ учебник.pdf

В дальнейшем покажем, что изменение частоты генерируемых коле­

и ускоряющим напряжением U 0 по формуле (2.15). Поэтому при изменении Нотр или U 0 в (2.18) будет изменяться 0 и для сохранения равенства необходимо, чтобы на такую же величину изменился угол Фрез, а это возможно только при изменении частоты. Таким образом, изменяя £/отр или U 0, можно перестраивать частоту кли­ строна. Обычно для этой цели используют напряжение на отража­

что частота генерируемых колебаний равна собственной частоте резонатора (сог = со0).

Если абсолютная величина напряжения на отражателе возрас­

очевидно, сог <С ю 0.

Связь фазы фрез с частотой для колебательного контура (резо­

где До» — со — со0 = юг — (о0 — отклонение частоты от^собственной частоты резонатора; Q — добротность колебательной системы

51

с учетом нагрузки (нагруженная добротность). Подставим в (2.37) вместо фрез величину АѲ из (2.19), тогда

Из (2.38) следует, что зависимость изменения частоты Aw от откло­ нения АПотр тангенциальная. Кроме того, существует связь с номе­ ром зоны п.

Крутизна электронной перестройки частоты. На рис. 2.13 показано изменение частоты в пределах нескольких зон, определяе­ мое по формуле (2.38).

Для сравнения электронной перестройки частоты в разных зонах вводится понятие крутизна электронной перестройки в точ­ ке максимальной мощности (в центре зоны):

можно считать малым, что позволяет заменить тангенс аргументом. Тогда

натель уменьшается, т. е. крутизна возрастает. Действительно, при увеличении п изменение напряжения отражателя на 1В (А(Уотр =

52

Формула (2.40) показывает также зависимость крутизны от добротности резонатора. С увеличением добротности крутизна уменьшается. Это легко пояснить с помощью фазо-частотной харак­ теристики (см. рис. 2.12). С увеличением Q зависимость фазы от частоты вблизи собственной частоты резонатора становится более сильной, поэтому прежнее изменение угла пролета АѲ приведет к меньшему изменению частоты генерируемых колебаний, т. е. к падению крутизны S3ri4. Теоретически при Q-+- оо электрон­ ная перестройка частоты отсутствует. Под Q следует понимать на - груженную добротность, поэтому можно сделать вывод, что крутиз­ на должна зависеть от проводимости нагрузки Он, подключаемой параллельно резонатору. Рост GHозначает уменьшение Q и увели­ чение S3n4- Следовательно, для увеличения крутизны необхо­ димо уменьшать добротность, но последнее приводит к умень­ шению выходной мощности. Поэтому приходится выбирать проме­ жуточные значения добротности. В клистронах значение крутизны порядка 1 МГц/В.

§ 2.6. Особенности устройства и параметры

отражательных клистронов

Основными параметрами отражательных клистронов считают выходную мощность, рабочий диапазон частот генерируемых коле­ баний, диапазон и крутизну электронной перестройки частоты.

Выходная мощность отражательных клистронов обычно меньше 1 Вт, поэтому они применяются в маломощных схемах СВЧ.

Рабочим диапазоном частот называют диапазон частот, внутри которого выходная мощность в рабочей зоне не выходит за пределы, установленные технической документацией. Частоту в пределах рабочего диапазона изменяют механически, изменяя емкость или индуктивность основного или дополнительного резонатора, связан­ ного с резонатором отражательного клистрона.

Емкостную перестройку частоты на 5—10% среднего значения производят изменением расстояния между сетками резонатора с помощью специального механизма. Индуктивную перестройку обычно применяют в клистронах с резонатором, расположенным снаружи баллона. Собственная частота внешнего резонатора изме­ няется перемещением металлического поршня в объеме резонатора. Этим способом удается изменять частоту генерируемых колебаний в широком диапазоне (до + 20%). Недостаток механической пере­ стройки—это сравнительно низкая стабильность частоты при изме­ нении внешних условий. При механической перестройке с помощью дополнительного высокодобротного пассивного резонатора, сильно связанного с основным резонатором клистрона, стабильность час­ тоты повышается, но диапазон перестройки становится малым. Кроме того, появляется опасность возбуждения колебаний на двух частотах системы связанных резонаторов.

53

Диапазон электронной перестройки б/ (см. рис. 2.13) состав­ ляет 10 — 50 МГц, т. е. менее 1%, однако в специальных кли­ стронах эта величина может достигать 10—15%. Крутизна электрон­ ной перестройки обычно порядка 1—2 МГц/В.

К. п. Д. отражательных клистронов практически не превышает нескольких процентов, однако при небольшой выходной мощности это не имеет существенного значения.

Ускоряющее напряжение низковольтных клистронов 250—450 В, а у высоковольтных 750—2500 В. Ток пучка составляет не­

сколько десятков миллиампер.

Зависимость выходной мощности и частоты от напряжения на отражателе позволяет осуществить амплитудную, импульсную и ча­ стотную модуляцию. Для каждой

Преимущество модуляции с помощью отражателя состоит в том, что потребление мощности этим электродом очень мало, так как на него практически не попадают электроны.

Отражательный клистрон используется как маломощный гене­ ратор в различных устройствах СВЧ. Типовыми являются режимы постоянной частоты, частотной модуляции, постоянной мощности и импульсный режим работы. Импульсный режим получают импуль­ сной модуляцией напряжения на отражателе или ускоряющего напряжения.

В настоящее время отражательные клистроны получили широ­ кое распространение в дециметровом, сантиметровом и даже мил­ лиметровом диапазонах волн. Однако в последнее время отража­ тельный клистрон уже начинают заменять полупроводниковыми приборами СВЧ.

Внешний вид отражательного клистрона с волноводным вывозом энергии показан на рис. 2.14.

54

ГЛ А В А 3

ЛАМ ПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ ТИПА О (ЛЕВО)

§ 3.1. Принцип работы

Лампа бегущей волны (ЛБВ) принадлежит к классу приборов с длительным взаимодействием электронов с СВЧ-полем. Для по­ лучения бегущих волн используют линии передачи, поэтому по­ является возможность усиления сигнала в широкой полосе частот. В приборах с длительным взаимодействием, так же как и в клистро­ нах, имеется модуляция скорости электронов и плотности электрон­ ного потока.

Длительное взаимодействие электронов с полем позволяет по­ лучить необходимое группирование электронов при сравнительно слабом входном сигнале. Очевидно, что обмен энергией между элект­ ронами и полем происходит в результате взаимодействия электронов с составляющей напряженности поля, совпадающей по направле­ нию со скоростью электронов. Назовем эту составляющую про­

а Цф — фазовая скорость волны.

Будем считать, что направления скорости электронов ѵ0 и совпадают, а их величины отличаются не очень сильно. Тогда за изменением положения любого электрона относительно волны удобно следить в подвижной системе координат z', движущейся вместе с волной с постоянной скоростью пф. Наблюдатель, нахо­ дящийся в новой системе координат, видит поле неподвижным (ста­ тическим), но изменяющимся вдоль направления г' по синусо­ идальному закону. Наблюдатель фиксирует изменение положения любого электрона относительно неподвижной волны (изменение фазы ф) и изменение взаимного расположения всех электронов.

На рис. 3.1 по оси абсцисс отложено расстояние z' в подвижной системе координат и изображена вспомогательная синусоидальная кривая, показывающая изменение Ег от расстояния z' и позволяю­ щая наглядно представить, как меняется положение электрона от­ носительно волны. По оси ординат отложена координата z в непо­ движной системе координат. Значение z = 0 соответствует началу взаимодействия. При 2 = 0 цифрами обозначено начальное фазо­ вое положение нескольких электронов относительно волны. Дру­ гими словами, для рассмотрения взяты несколько электронов,

55