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

Крутизна начального участка характеристики 1 велика, так как в режиме синхронной настройки при малом сигнале получается наибольший коэффициент усиления. Участок характеристики с боль­ шим значением мощности (область насыщения) невелик, так как с увеличением входного сигнала в этом режиме резко падает выход­ ная мощность.

Характеристика 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Начальный участок имеет меньшую крутизну (меньший коэффициент усиления), но область насыщения оказы­ вается широкой. Этот режим рабо­ ты можно использовать для уси­ ления немодулированных колеба­ ний и колебаний, модулированных по фазе или частоте.

Амплитудно-частотная и фазо­ частотная характеристики. В ре­ жиме синхронной настройки ши­ рина полосы пропускания опреде­ ляется добротностью резонаторов и она меньше, чем при расстройке резонаторов, производимой для по­ лучения максимальной мощности и к. п. д. Полоса пропускания со­ ставляет десятые доли процента

в сантиметровом диапазоне волн и несколько процентов — в де­ циметровом. Фазо-частотная характеристика определяется фазо­ частотными характеристиками резонаторов и зависит от режима настройки резонаторов. Для усиления колебаний, модулированных по фазе или частоте, необходимо иметь линейную фазо-частотную характеристику.

§ 1.8. Особенности устройства и параметры усилительных пролетных клистронов

Конструкция усилительных клистронов зависит от их назначе­ ния, уровня номинальной выходной мощности, типа резонаторов, способа фокусировки электронного потока, способов ввода и вы­ вода энергии, перестройки частоты и типа охлаждения.

По роду работы клистроны подразделяют на импульсные и не­ прерывного действия. Импульсная работа обеспечивается подачей импульсов напряжения на резонаторы или управляющий элект­ род (модулятор). Частота повторения импульсов обычно порядка нескольких сотен или тысяч герц, а длительность составляет от долей микросекунды до нескольких микросекунд и даже миллисе­ кунд при низкой частоте следования импульсов.

По уровню мощности выделяют маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные пролетные клистроны. В дециметровом

диапазоне мощность в импульсе у маломощных импульсных кли­ стронов менее 10 кВт, у клистронов средней мощности от 10 кВт— до 1 МВт, у мощных — от 1 до 100 МВт, у сверхмощных — более 100 МВт. Для клистронов непрерывного действия мощнорть

ческая фокусировка и фокусировка полем постоянных магнитов. Для ввода и вывода СВЧ-энергии используют коаксиальные, волноЕодные и коаксиально-волноводные системы.

Рис. 1.18

По конструкции резонаторов пролетные клистроны делятсяна клистроны с внутренними и внешними резонаторами. В последних резонаторы находятся вне вакуумного объема клистрона. Обычно внешние резонаторы составные, с разъемом по образующей ци­ линдра. В некоторых клистронах предусмотрена механическая перестройка резонаторов в процессе эксплуатации (перестраивае­ мые клистроны).

Охлаждение клистронов может быть естественным или прину дительным (газ, жидкость, контакт). Основная мощность электрон­ ного потока рассеивается на массивном коллекторном электроде с конусным углублением для распределения потока электронов на большую поверхность.

На рис. 1.18 приведены фотографии мощных усилительных кли стронов — импульсного КИУ12 и непрерывного действия КУ304 и КУ310А, параметры которых даны в табл. 1.

36

ких параллельных электронных потоков с СВЧ-полем резонаторов.

пускания.

Конвекционный ток пролетного клистрона содержит много гармоник, которые можно использовать для умножения частоты

сигнала.

В двухрезонаторном умножительном клистроне выходной ре­ зонатор настроен на частоту гармоники, а параметр группирова­ ния подобран для получения максимума амплитуды конвекционного тока гармоники (см. рис. 1.8). Однако с ростом частоты мощность колебаний в резонаторе падает и практически при умножении час­

37

ГЛ А ВА 2

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН

§ 2.1. Принцип работы

Отражательный клистрон — это маломощный генератор СВЧколебаний. Основные элементы отражательного клистрона показаны на рис. 2.1.

В отличие от пролетного клистрона в отражательном клистроне имеется только один резонатор, который должен выполнять две функции: модулировать электроны по скорости и отбирать СВЧэнергию от модулированного по плотности электронного потока.

Рис. 2.1

Чтобы обеспечить одновременное выполнение обеих функций, необ­ ходимо вернуть обратно в резонатор электронный поток, прошед­ ший через сетки резонатора при движении от катода. Поток повора­ чивают с помощью отражателя, имеющего отрицательный потен­ циал U0Tр по отношению к катоду. Электроны тормозятся в про­ странстве между резонатором и отражателем до нулевой скорости и после этого начинают обратное движение к резонатору под дейст­

вием электрического поля, которое для них теперь является уско­ ряющим.

Движение электронов в отражательном клистроне можно пояс­ нить с помощью пространственно-временной диаграммы (рис. 2.2). По оси ординат отложено смещение электронов z от середины резо­ натора, а по оси абсцисс — время. Максимальные значения г со­ ответствуют точкам поворота различных электронов.

Невозмущенные электроны 1 , 5 , 9 имеют одну и ту же точку поворота и одинаковый угол пролета Ѳ. Электроны 2, 3, 4 проходят резонатор в ускоряющем полупериоде, поэтому их скорость воз­ растает и они в тормозящем электрическом поле в пространстве резонатор — отражатель проходят больший путь, чем невозмущен­ ные электроны. Дальше всего от резонатора окажется точка поворота

38

электрона 3, получившего в резонаторе максимальное приращение скорости. Время пролета ускоренных в резонаторе электронов

2, 3, 4 больше, чем у невозмущенных электронов, например у элект­ рона 5.

Аналогично электроны 6, 7, 8, пролетавшие резонатор в тормо­ зящий полупериод, уменьшают скорость и могут уйти в пространстве резонатор —отражатель на меньшее расстояние. Точка их поворота ближе к резонатору, чем у невозмущенного электрона 5, и их время пролета соответственно меньше.

Таким образом, некоторые электроны (например, 4), прошедшие резонатор раньше невозмущенного электрона 5, возвращаются в ре­ зонатор практически одновременно с ним. Соответственно некоторые электроны (например, 6), прошедшие резонатор позже, также могут вернуться в резонатор почти одновременно с невозмущенным элект­ роном 5. Следовательно, должно быть группирование части потока электронов около невозмущенного электрона, пролетающего резонатор в момент перехода от ускоряющего к тормозящему

в резонатор в пределах тормозящего полупериода, тогда он отдаст энергию полю резонатора и тем самым поддержит колебания в ре­ зонаторе (положительная обратная связь). При этом надо иметь в виду, что, например, полупериод поля, ускоряющий для электро­ нов, идущих от катода, одновременно будет тормозящим для элект­ ронов, возвращающихся в резонатор под действием напряжения на отражателе. Поэтому кривые на рис. 2.2 для сгруппированных электронов 3—7 соответствуют возвращению в тормозящем полупериоде. Если какой-либо электрон возвращается в резонатор при

39

амплитудном значении тормозящего поля, то отдаваемая им энергия максимальна. Электроны группируются около невозмущенного электрона 5, поэтому максимум отдаваемой энергии соответствует режиму, когда электрон 5 возвращается при амплитудном значении

равная 180°, в которой возможно увеличение энергии СВЧ-коле- баний в резонаторе.

Из рис. 2.2 легко видеть, что при увеличении или уменьшении угла пролета от значения (2.1) на 2я невозмущенный электрон снова попадает в максимум тормозящего поля и в пределах измене­ ния угла пролета на ± я/2 от нового значения происходит передача энергии от электронов полю резонатора. В общем случае оптималь­

возвращается в резонатор в тот же период (рис. 2.3, а). При я = 1 время пролета возрастает на один, а при я = 2 — на два периода. Іаким образом, я это число полных пропущенных периодов напряжения за время пролета невозмущенных электронов.

Итак, мощность Р э, отдаваемая модулированным по плотности электронным потоком резонатору, зависит от угла пролета и имеет

40