Файл: Кацман, Ю. А. Электронные и квантовые приборы сверхвысоких частот учебное пособие.pdf

продольного расталкивания электронов.

Кинематический процесс движения электронов предпола­ гает, что заданная при скоростной модуляции переменная скорость электронов при их дальнейшем движении сохраня­ ется неизменной. Строго говоря, этого не может быть при группировании электронов, так как их сближению мешают силы продольного расталкивания, изменяющие первоначаль­

~ 1 и реальное группирование будет весьма близко к кине­ матическому. В этом случае X~vK0, т. е. может быть исполь­ зована величина кинематического параметра группирования. Мнсгорезонаторные клистроны имеют большие коэффициенты усиления, поэтому нелинейный процесс группирования прак­ тически имеет место только в последней пролетной трубе.

27

В пролетных трубах, кроме последней, группирование можно рассчитать по (2.25).

Для того чтобы получить на выходе клистрона большую мощность, недостаточно иметь большое значение амплитуды тока, так как процесс отбора мощности в выходном резона­ торе определяется эффективностью торможения электронов. Мощность, полученная резонатором, равна мощности, отби­ раемой от электронного потока при торможении, и прибли­ женно ее величину можно определить по формуле

тенциалов на сетках выходного резонатора), макси­ мальная величина которой задается наименьшей скоростью электронов.

Последнее определяется тем, что при дальнейшем увели­ чении Um будет происходить возвратное движение электро­ нов. Из сказанного следует, что кроме большого значения ам­ плитуды тока необходимо еще стремиться к возможно боль­ шему переходу кинетической энергии скоростной, модуляций в потенциальную энергию электронного уплотнения.

где Ф — фазовый угол расстройки резонатора.

В приведенной формуле произведение Х10 определяет ам­ плитуду, переменной составляющей электронного тока со­ гласно формуле (2.25), М определяет эффективность взаимо­ действия электрических полей резонатора с электронным по­

28

лотнение успевает сгруппироваться и вновь разгруппировать­ ся, не дойдя до выходного резонатора), и выходная мощ­ ность, достигнув относительно небольшой величины, начи­ нает падать.

Кривая 2 соответствует случаю значительной расстройки предвыходного резонатора. В этом случае усиление по мощ­ ности значительно меньше, но при достаточно большой мощ­ ности возбуждения достигается большая выходная мощность и соответственно большой КПД. Объясняется этот эффект тем, что при расстройке колебания в резонаторе смещаются по фазе относительно поступающего в него тока на некоторый угол Ф. Это позволяет добиться лучшей группировки за счет дополнительного торможения фронтальной части электрон­ ного сгустка и ускорения отставших электронов в конце

сгустка.

Обычно клистрон выполняется в виде металлокерамиче­ ской конструкции и в зависимости от величины выходной мощности (а следовательно, и анодного потенциала) изменя­ ются размеры изоляторов около электронной пушки и конст­ рукция вывода СВЧ мощности. Существенно изменяются га­ бариты приборов и в зависимости от длины рабочей волны.

Пролетные клистроны разработаны на малые, средние и высокие уровни мощности в сантиметровом и дециметровом диапазонах длин волн. Основным преимуществом пролетных клистронов являются высокие значения КПД (404-60%) и коэффициента усиления (304-50 Дб) при выходных мощно­ стях от сотен ватт до сотен киловатт в непрерывном режиме и до единиц мегаватт в импульсных режимах. К недостаткам клистронов следует отнести относительную узкополосность (от долей до единиц процентов), которая определяется тем, что используются объемные резонаторы с относительно боль­

шими значениями добротностей.

§ 2.2. Отражательный клистрон. Двухрезонаторный про­ летный усилительный клистрон может работать в генератор­ ном режиме, если часть выходной СВЧ мощности направить во входной резонатор. Однако оказалось гораздо удобнее объединить входной и выходной резонатор в один, а прост­ ранство дрейфа как бы сложить пополам и заставить элект­ роны дважды его проходить.

Генераторный клистрон (рис. 11,а), в котором только один резонатор /, а электроны, пройдя резонатор в простран­ стве дрейфа 2, тормозятся полем специального электрода — отражателя 3 и после полной остановки возвращаются вновь в зазор резонатора, получил название о т р а ж а т е л ь н о г о к л и с т р о н а .

29

Рассмотрим процессы, происходящие в отражательном клистроне в установившемся режиме, т. е. тогда, когда элект­ роны, вылетающие из катода в виде немодулированного по­ тока, попадают в зазоре объемного резонатора в достаточное для осуществления скоростной модуляции СВЧ электрическое поле.

Как и во входном резонаторе пролетного клистрона, здесь происходит скоростная модуляция электронного потока, т. е. часть электронов ускоряется, а часть тормозится. Соответст­ венно в пространстве дрейфа (в тормозящем поле отража­ теля) ускоренные электроны 1, 5 и 9-й пройдут дальше от резонатора к отражателю, а замедленные пройдут меньший путь до точек полной остановки (точек поворота). После пол­ ной остановки электроны под действием постоянного положи­ тельного потенциала корпуса резонатора вновь ускоряются, но уже двигаются в обратную сторону (в сторону резонатора и катода). Вновь пройдя зазор резонатора, электроны оседают на его стенках.

Ускоренные и замедленные электроны проходят разный по длине путь в пространстве дрейфа (резонатор — отражатель)

30

с разными скоростями. Это позволяет подбирать условия пролета электронами пространства дрейфа таким образом, чтобы электроны, прошедшие зазор резонатора при переходе от максимального ускоряющего к максимальному тормозя­ щему полупериоду высокочастотного электрического поля, возвратились в зазор резонатора в одно и то же время, т. е. образовали уплотнение.

Очевидно, что уплотнения электронов должны проходить зазор при тормозящем для них электрическом высокочастот­ ном поле (для электронов, идущих от катода это поле будет ускоряющим). Это условие определяет эффективность тормо­ жения уплотнений, а следовательно, и эффективность пере­ дачи мощности от электронного потока высокочастотному по­ лю резонатора.

Таким образом, в установившемся режиме идущий с ка­ тода немодулированный электронный поток в зазоре резона­ тора модулируется по скорости, в пространстве дрейфа моду­ ляции по скорости преобразуется в модуляцию по плотности и при вторичном проходе электронов через зазор резонатора часть мощности электронного потока преобразуется в высоко­ частотную мощность. Эта мощность поддерживает необходи­ мую величину высокочастотного электрического поля на за­

грамма отражательного клистрона. Пунктирными линиями показаны траектории электронов, которые проходят зазор резонатора в те моменты времени, когда высокочастотное электрическое поле равно нулю. Как видно из диаграммы, уплотнения образуются вокруг тех электронов, которые про­ ходят зазор при переходе электрического поля от ускоряю­ щего к тормозящему полупериоду.

Для нормальной работы прибора необходимо, чтобы уп­ лотнения возвращались в зазор резонатора, когда на зазоре

момента прохода электрона через зазор при переходе от ускоряющего поля к тормозящему (для электронов, прохо­ дящих зазор резонатора первый раз) по фазе отличается на 3/4Т. Это так называемая н у л е в а я з о н а г е н е р а ц и и .

Если уплотнения будут возвращаться в зазор резонатора, когда на зазоре не будет для них тормозящего поля, то они будут не отдавать мощность полю резонатора, а отбирать, и

31