Файл: Капышев, В. И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот [учеб. пособие].pdf

Т л е . публичная

«аучно-технике кая

!библиотек* СС Ч **

1 ЭКЗЕМПЛЯР

| ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА.!

- / Ш !

ПОД редакцией ТРИК08А Ю.С.

о

Г Л А В А I

ПРОЛЕТНЫЕ КЛИСТРОНЫ Б РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ

I . Общие сведения о пролетных клистронах

В современных мощных передатчиках дециметровых и санти­ метровых волн широко попользуются многореэонаторные пролетные клистроны. Такие Клистроны имеют выходную мощнооть от несколь­ ких ватт до десятков киловатт в ренине непрерывных колебаний и до десятков мегаватт в импульсном режиме. Основное примене­ ние они находят в качеотве оконечных каскадов передатчиков радиолокационных, навигационных систем и систем связи.

Большое усиление, свойственное клистронам о четырьмя и более резонаторами (овыще 30 дб), приводит к тому, что все предыдущие каокады передатчика работают при значительно мень­ шем уровне мощности. Тем самым построение этих каскадов упрощаетоя и их энергетические показатели в малой степени сказы­ ваются на общем коэффициенте полезного действия передатчика. Качественные характеристики передатчика также в основном оп­ ределяются характеристиками оконечного каскада на клистроне. Поэтому, рассматривая работу клиотронных передатчиков, в пер­ вую очередь следует ознакомиться о особенностями пролетных клистронов, их параметрами и характеристиками. Кратко рассмот­ рим принцип действия пролетного клистрона.

Усилительный клиотрон представляет собой электронный при­ бор, в котором эффект усиления происходит эа счет преобразо­ вания/ кинетической энергии электронного потока в энергию вы­ сокочастотного переменного поля.

На рио.1,1 приведено схематическое изображение конструк­ ции трехрезонаторного усилительного клистрона, поясняющее принцип его действия.

Основными элементами усилительного клиотрона являются: а) электронная пушка;

б) устройство, фокусирующее электронный луч при его про­ хождении через пролетное пространство;

в) резонаторы, размещенные вдоль пролетного пространст­ ва;

г) коллектор; д) ввод и вывод энергии.

да 2 и дополнительных формирующих электронный поток электро­ дов 3 и Ч создает узкий луч 5. На резонаторы и коллектор

обычно подается одинаковое положительное относительно като-

Ъ

да напряжение, которое называется анодным или ускоряющим на­ пряжением.

Первоначально ускоренные этим напряжением электроны уже баз воздействия постоянных напряжений последовательно прохо­ дят через высокочастотный зазор первого (входного) резонато­ ра 6, иногда называемого группироватолем, в который через

ввод анергии 7 подается усиливаемый сигнал, первое простран­ ство группирования 8, второй (промежуточный) резонатор.9, второе пространство группирования 10, третий (выходной) ре­ зонатор I I , содержащий вывод .энергии 12, и пооле этого по­ падает на коллектор 13.

Усиливаемый высокочастотный оигнал, поотупая во входной резонатор, настроенный на ту же чаототу, создает переменное электрическое поле, ноторое периодически ускоряет или замед­ ляет проходящие через зазор входного резонатора электроны в завиаимостй от направления поля (в течение положительных полупариодов возникает дополнительное уокорение проходящих зазор электронов), а в течение отрицательных - торможение.

Таким образом, при вотуплении в первое проотранотво группирования электронный луч оказывается периодически из­ меняющимся По скорооти.

Ввиду того, что амплитуда высокочастотного напряжения в зазоре входного резонатора значительно меньше величины уско­ ряющего наряжения, скорость электронов изменяется лишь на малую величину по сравнению со скоростью, приобретаемой во время пролета промежутка от катода до входного резонатора.

В первом проотранотве группирования электроны с больши­ ми скоростями догоняют вышедшие раньше электроны о меньшими скоростями, в результате чего образуются электронные уплот­ нения (сгустки), следующие о периодичностью усиливаемого сигнала.

Следовательно', изменение электронного луча по окорооти вызывает изменение луча по плотности.

В промежуточном резонаторе, настроенном на частоту уси­ ливаемого сигнала или близкую к ней, электронный луч возбуж­ дает высокочастотные колебания, значительно превышающие по амплитуде колебания в первом резонаторе. Возникающее в зазо­ ре промежуточного резонатора переменное электрической поле дополнительно замедляет или ускоряет электроны, которые во втором пролетном пространстве группируются в еще более плот­ ные сгустки, увеличивая неоднородность электронного луча.

6

Сгустки электронов, проходя через зазор выходного резона­ тора, настроенного в резонанс с частотой их следования или, что то же, о частотой усиливаемого сигнала, создают значитель­ ное переменное напряжение. *

Возникающее при этом высокочастотное электрическое поле тормозит электроны, благодаря чему происходит передача энергии электронным лучом полю, в каждый период высокочастотных колеба­ ний.

Пройдя зазор выходного резонатора, частично заторможенные электроны попадают на коллектор, где рассеивают свою неисполь­ зованную кинетическую энергию в виде тепла, которое отнодитоя сиотемой охлаждения.

Напряжение на зазоре выходного резонатора достигает вели­ чины, соизмеримой с величиной ускоряпцего'напряжения, поэтому мощность высокочастотных колебаний в выходном резонаторе пре­ вышает мощность на входе усилительного клистрона в тысячи рае.

Из выходного резонатора усиленный сигнал через вывод энергии 12 поступает в нагрузку.

<2. Характеристики усилительных клистронов

9

Амплитудная характеристика представляет собой зависимость выходной мощности от мощности, подводимой ко входу клистрона.

Для анализа амплитудной характеристики ыногорезонаторннй клистрон может быть представлен в виде двухрезонаторной модели. При этом эйвивалентный даухрезонаторный клистрон возбуждается напряжением на предпоследнем резонаторе. Данное допущение по­ зволяет рассматривать процесс в возбуждаемой секции линейным и рассчитывать напряжение на предпоследнем рееонатора,исходя из линейной теории.

настройке всех резонаторов на частоту входного сигнала (син­ хронной настройке) определяется соотношением:

=У2Р<„<?<Г- К»-, ,

зонаторного клистрона без учета влияния на процаос группировки несосадних резонаторов ;

Rex - входное сопротивление первого резонатора. Проведем нелинейный анализ эквивалентного двухрезонаторно­

го клистрона.

Образование высокочастотного тока в пространстве между предпоследним и выходным резонаторами является нелинейным про­ цессом, При этом , т .е . высокочастотное напряжение на предпоследнем резонаторе сравнимо с ускоряющим напряжении. А раз это так, то окорость электронов будет изменяться не но синусоидальному закону к соотношение для угла пролет*? электро­ нов между предпоследним и выходным резонаторами будет иметь следующий вид;

я

экспоненциальный член под знаком интеграла может быть представ*?

(1.2)- отановитоя величиной первого порядка и следувдим по зна­ чащие членом уравнения. Он определяет сдвиг фазы переменной составляющей тока луча. Третий и четвертый члены, которые обычно еще меньше, чем второй, находятся в фаза с первым чле­ ном и характеризуют зависимость наведенного тока от напряжения, на предпоследнем резонаторе ( входной мощности).

Мощность на выходе многорезонаторного клистрона

= I = 2 f J0 £ (х)]2Рл^ fa 5

где , fa - сопротивление и к .п .д . выходного резонатора'. На рио. 1.2 представлена зависимость выходной мощности

от параметра группировки.