НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ




ПРОЛЕТНЫЙ КЛИСТРОН.

Пролетный клистрон представляет собой электронно-вакуумный прибор - узкополосный усилитель мощности СВЧ колебаний.

Устройство, принцип действия и основные характеристики пролетных клистронов рассмотрим на примере пролетного двухрезонаторного клистрона (ПДК), схематически изображенного на рис. I.

 

Рис.1. Электронная пушка: (1)- накал (подогрев катода), (2)- катод, (3)- фокусирующий электрод, (4)- анод; блок резонаторов: (5)- входной тороидальный резонатор с сеточным зазором, (6)- выходной тороидальный резонатор с сеточным зазором, (7)-петля связи; (8)- труба дрейфа; (9)- коллектор; (10)- поток электронов (электронный луч).

 

Прибор состоит из электронного прожектора (электронной пушки), входного и выходного резонаторов, трубы дрейфа и коллектора.

Электронный прожектор служит для предварительной фокусировки и ускорения электронного потока, и состоит из подогревного катода, фокусирующего электрода и анода, напряжение на котором определяет рабочий ток клистрона.

Обычно оба резонатора - входной и выходной - настраиваются на частоту входного сигнала. Входной сигнал мощностью создает на входном зазоре напряжение

(1)

Напряженность поля во входном зазоре направлена вдоль оси прибора и электронного потока. В зависимости от фазы поля электроны, проходящие зазор, будут либо ускоряться (электроны 5,5’ на рис.2), либо тормозиться (электроны 3,3'), либо пройдут зазор без изменения скорости (невозмущенные электроны 1,4,1’,4’).

Рис.2.

 

 

Таким образом, высокочастотное поле зазора модулирует скорость проходящих электронов, поступающих затем в трубку дрейфа - пространство, свободное от внешних постоянных и переменных полей. Здесь электроны движутся по инерции. При этом электроны, которые вышли из зазора позже, но ускорились, будут догонять те, которые прошли зазор раньше, но замедлились или оказались невозмущенными. Таким образом, в трубе дрейфа происходит, образование сгустков электронов - группировка. Сгустки следуют в потоке с частотой входного сигнала. Попадая в зазор выходного резонатора, сгустки электронов возбуждают в нем на­веденный ток с частотой входного сигнала, вследствие чего на выход­ном зазоре появляется напряжение

(2)

причем (рис.2). Отметим, что ток в выходном резонаторе появ­ляется из-за передачи части энергии электронного потока резонатору. Это возможно только благодаря торможению сгустков полем выходного зазора. Поэтому в момент прохождения сгустка через середину выходного зазора на нем должно существовать максимальной тормозящее поле (рис.2). Отработавшие в зазоре выходного резонатора электроны улавливаются коллектором.

Пространственно-временная диаграмма на рис.2 поясняет процессы модуляции скорости и группировки. Здесь и - координаты середин входного и выходного зазоров, a и - напряжения на этих зазорах. В плоскости траектории ускорен­ных электронов 5,5’ идут круче, а замедленных 3,3’ - положе, чем у невозмущенных 1,4,1',4'. По мере удаления от входного зазора траекторий электронов 3,4,5 сближаются, что говорит об образовании сгустка.

Как видно, в пролетном клистроне электрическое поле усиливаемого сигнала управляет плотностью электронного потока не непосредственно, как, например, в триодах, а через модуляцию их скорости. В этом суть метода динамического управления электронным потоком, пред­ложенного в 1932 г. Д. А. Рожанским. При этом то, что затрудняет работу приборов с электростатическим управлением потоком (триодов, тетродов и др.) - конечное время пролета электронов в прибора, сравнимое с периодом колебаний поля - используется для получения группи­ровки. Как видно, в пролетном клистроне области формирования потока, модуляции его скорости, группирования, отбора энергии и выделения избытка энергии электронов в виде тепла разделены. Входная и выход­ная цепи связаны; только через электронный поток. Все это облегчает анализ процессов и построение клистронов с различными характеристи­ками. К настоящему времени известны пролетные клистроны с двумя и более резонаторами, используемые, как правило, для усиления. Полу­чен ряд выдающихся результатов: многорезонаторныё клистроны дают усиление до 110 дБ и КПД до 82%. Основная область применения многорезонаторных пролетных клистронов - оконечные каскады источников стабильных СВЧ колебаний различной мощности (до 500 кВт в непрерыв­ном и 40 мВт в импульсном режимах), создаваемых для нужд радиолока­ции, связи, ускорения частиц и т.д.

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГРУППИРОВКИ В ПК

Кинематическим называется приближенный анализ, при котором пренебрегают влиянием объемного заряда электронов в потоке, т.е. взаимодействием их зарядов. В этом разделе будут использованы и дру­гие упрощения, обычные при описании процессов в пролетных клистронах малой и средней мощности.

Так, будем пренебрегать начальными скоростями электронов, эмитированных катодом. При этом скорости всех электронов, влетающих во входной зазор, одинаковы и равны


(3)


т.е. поток односкоростной. В (3) Кл - абсолютная величина заряда электрона кГ - его масса; - ускоряющее напряжение катод-резонатор.

Зазоры резонаторов будем считать образованными плоскими идеальными сетками - прозрачными для электронов и непрозрачными для СВЧ поля, расположенными перпендикулярно оси прибора и электронного потока. Тогда поля в обоих зазорах будут иметь составляющие только вдоль продольной оси прибора. С учетом (I) поле во входном зазоре будет иметь вид

(4)

где - ширина входного зазора.

Использование (I) и (4) означает, что процессы во входном зазоре будут рассматриваться в приближении заданного поля.

С учетом (4) и в пренебрежении силами объемного заряда следует полагать, что электроны в потоке перемещаются только вдоль продольной оси. Все параметры электронного потока изменяются только вдоль продольной оси, в каждом сечении они не зависят от поперечных координат. Такая модель электронного потока называется одномерной.

С учетом сделанных оговорок уравнение движения электронов во входном зазоре

(5)

Проинтегрируем его в предположении, что

(6)

При этом будем считать, что время пролета в зазоре не зависит от переменного поля и равно - времени пролета невозмущенного электрона. Обозначим - время пролета электроном середины зазора, куда поместим начало координат. Тогда

 

(7)


где

(8)


 


- коэффициент электронного взаимодействия в первом зазоре, учитыва­ющий снижение влияния поля зазора на электрон из-за конечного времени пролета ( (рис.3); - невозмущенный угол пролета в первом зазоре, a .

 

 

 

 

Рис.3.

 

Угол пролета электронов в трубе дрейфа длиной

 

где - угол пролета трубы невозмущенным электроном.

Угол прибытия электрона в вы­ходной зазор

 

(9)


где

(10)


- кинематический параметр группировки.

Видно, что при скорость электронов на выходе из зазора (7) и угол пролета их между резонаторами (9) испытывают малые синусоидальные колебания относительно своих средних значений и .


Параметр группировки является амплитудой переменной со­ставляющей угла пролета. Зависимость от для разных ,показана на рис.4,а.

 

 

 


 

 

Рис.4.

 

Найдем ток, переносимый зарядами (конвекционный) через выход­ной зазор. Полагая, что потери зарядов в пути отсутствуют, заметим, что заряд, переносимый током через входной зазор за интервал , равен заряду, переносимому током через выходной зазор за соответствующий интервал , , т.е. . Это выражение известно как закон сохранения заряда. Следовательно, конвекционный ток в выходном зазоре

(11)

Для определения конвекционного тока в выходном зазоре по (11) производную вычисляют по графикам на рис.4,а. Форма тока при разных приведена на рис.4,б. Из рис.4,а видно, что при фаза прибытия электрона в выходной зазор однозначно определяет фазу выхода его из входного зазора. Электроны, по­следовательно проходящие входной зазор, приходят в выходной зазор в той же последовательности, т.е. обгона электронов друг другом нет.

Из (9) находим, что

(12)

Поэтому, в соответствии с (11), на рис.4,б показано, что при ток обнаруживает малую синусоидальную модуляцию с частотой входного сигнала. С ростом группировки ( ) импульсы тока все более обостряются. При ток в импульсе равен бесконечности. Физически это означает, что электроны, прошедшие входной зазор за интервал , проходят выходной зазор за интер­вал (рис.4,а). Следует также помнить, что эти бесконечные (практически - значительно превышающие ) импульсы тока переносят заряд конечной величины. При фаза становится неоднозначной функцией , так как в течение интервала выходной зазор проходят электроны, прошедшие входной зазор в интерва­лы , , , так что

(13)

Появляется обгон одних электронов другими: электроны, прошедшие входной зазор в течение , в пути меняются местами, так что вышедшие раньше приходят в выходной зазор позже. В этой области за­висимости (9) . Поскольку при вычислении тока нас инте­ресует число зарядов, прошедших выходной зазор, а не порядок их следования, в (13) используется модуль . С учетом возможности обгона электронов при в (13) формула (11) примет вид

(14)

где - порядок неоднозначности . При в зависимости появляются два бесконечных симметричных импульса.

Из рис.4,б видно, что ток в выходном зазоре является периодической (с периодом входного сигнала), но, в общем случае, несинусоидальной функцией времени. Определим гармонический состав тока. Для этого представим его рядом Фурье. В комплексной форме

 

(15)

где

(16)

а , и определены в (9), (11) и (12) соответственно. Используя (12), мы ограничиваем анализ случаем . Однако можно показать, что полученные при этом результаты можно распространять и на случай , что и будет сделано. Подставив (9), (11), (12) в (16), получим

(17)

 

 

где

- функция Бесселя первого рода -го порядка. Подставив (17) в (15) и воспользовавшись соотношением , будем иметь

(15 a)

т.е. ток в выходном зазоре состоит из постоянной бесконечной сумы гармоник входной частоты с комплексными амплитудами . Зависимость амплитуд гармоник от амплитуды входного сигнала определяется видом функции , ход которых для разных показан на рис. 5. С ростом номера гармоники амплитуды их убывают медленнее, чем, например, в разложении косинусоидального импульса. Поэтому до недавнего времени двухрезонаторные клистроны использовались как умножители частоты с кратностью 8 - 34.

 

 

 

Рис.5.

 

Для усилителя на пролетном клистроне важна первая гармоника, комплексная амплитуда которой, приведенная к середине выходного зазора,

модуль ее

(19)

II

Достигает максимума при , когда так что

(20)

При прохождении конвекционного тока через выходной зазор в резонаторе будет возбужден наведенный ток. По теореме Шокли-Рамо для одномерного электронного потока наведенный ток , где - ширина выходного зазора. Для комплексных амплитуд первых гармоник конвекционного и наведенного токов это соотношение примет вид

 

 

 

где - невозмущенный угол пролета в выходном зазоре; - коэффициент электронного взаимодействия в выходном зазоре, a - комплексная амплитуда первой гар­моники конвекционного тока, приведенная к середине выходного зазо­ра. При и наведенный ток совпадает с конвекционным по амплитуде и фазе.

Отметим, что вывод из теоремы Шокли-Рамо получен для зазоров, закороченных снаружи, т.е. без учета поля, возникающего на зазоре при наведении тока. В клистронах при возбуждении наведенных токов на зазорах резонаторов появляются значительные колебательные напря­жения, оказывающие обратное воздействие на ток. Поэтому задача о взаимодействии тока с зазором в клистроне нелинейная. Полученные результаты (21) представляют собой оценки, которыми мы будем пользоваться. Точность их растет с уменьшением угла пролета в зазоре и наведенного напряжения,

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХРЕЗОНАТОРНОГО КЛИСТРОНА

Амплитудная характеристика (АХ) - это зависимость выходного напряжения (мощности) от входного напряжения (мощности). Амплитудной характеристикой также называют зависимость коэффициента усиле­ния от входного напряжения (мощности).

Представим входную и выходную цепи клистрона в виде, указанном на рис.6,а,б соответственно.

 


Здесь и - импедансы входного и выходного контуров; и - комплексная амплитуда ЭДС и внутреннее сопротивление источника входного сигнала, пересчи­танные во входной контур; - генератор на­веденного тока, возбуждающий выходной резонатор; - сопротивле­ние согласованной нагрузки, пересчитанное в выходной контур; - напряжение на входном зазоре клистрона; - напряжение на на­грузке выходного резонатора.

Из рис.6 следует , так что

где ,

где

 

Модуль коэффициента усиления напряжения клистрона

(22)

Зависимость коэффициента усиления от входного сигнала сосредоточена в выражении (рис.7).

 

При малых входных сигналах и , так что т.е. достигает максимального значения. Таким образом, при усилении малых сигналов, когда , коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона максимален и не зависит от входного сигнала. Выходное напряжение (мощность) пропорционально входному напряжению (мощности). Это линейный режим, используемый для усиления сигналов с амплитудной модуляцией (рис.8).

 

С ростом входного сигнала отношение , начинает снижаться (рис.7). Начинает снижаться также и коэффициент усиления (22). Выходное напряжение (мощность), хотя и растет, но медленнее, чем входное напряжение (мощность). Это нелинейный режим (рис.8). При = 1,84 выходное напряжение (мощность) достигает максимума. Эту точку АХ называют также точкой насыщения. Здесь отношение снижается до 0,63, т.е. коэффициент усиления снижа­ется примерно на 4 дБ по сравнению с линейным режимом. В насыщенном режиме клистроны используются для усиления сигналов с частотной (фазовой) модуляцией (манипуляцией). Дальнейшее увеличение входного сигнала вызывает сильную перегруппировку электронного потока, сни­жение , коэффициента усиления и выходной мощности.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты. При изменении частоты входного сигнала коэффициент усиления (22) может изменяться из-за изменения модулей импедансов входного и выходного контуров, а также из-за изменения амплитуды напряжения на входном зазоре и параметра группировки.

В линейном режиме , и вид АЧХ клистрона определяется произведением частотных характеристик резонаторов. Обычно выходной контур нагружен сильнее входного, более широкополосен, поэтому в линейном режиме вид АЧХ двухрезонаторного клистрона определяется резонансной кривой входного резонатора:

В нелинейном режиме на форму АЧХ также влияет зависимость от амплитуды на входном зазоре. Поведение АЧХ при малых расстройках будет определяться произведением . В оптимальном режиме ( = 1,84, максимум амплитудной характеристики) отстройка частоты сигнала от резонансной частоты первого резонатора приводит к уменьшению , напряжения на входном зазоре и . При этом растет (рис.7). Спад АЧХ замедляется по сравнению с линейным режимом, АЧХ уплощается, приближаясь к прямоугольной, полоса пропускания расширяется.

При >84 отношение резко уменьшается. Поэтому в заоптимальном режиме при малых расстройках от частоты входного резонатора член сначала возрастает, а за­тем уменьшается, и АЧХ клистрона становится двугорбой. Связь АЧХ клистрона с резонансной кривой первого контура и ее изменения при увеличении входного сигнала иллюстрируются также рис.9.

 

 

 

 

Электронные мощность и КПД. Средняя за период колебаний мощность взаимодействия конвекционного тока , определенного в (15а), есть мощность взаимодействия первой гармоники конвекционного тока с полем зазора: ,

. (23)

 

Гармоники выше первой не дают вклада в в силу ортогональности функций, описывающих эти гармонические токи и напряжение на зазоре узкополосного, выходного резонатора.

В (23) и - соответственно комплексные амплитуды первой гармоники конвекционного тока в выходном зазоре и напряженно­сти поля на нем, а знак (* ) здесь и далее указывает, что имеется в виду комплексно-сопряженная величина. В кинематическом приближении поле плоского сетчатого выходного зазора однородно и , где - комплексная амплитуда напряжения на зазоре.

В общем случае выходной контур может быть расстроен относитель­но частоты входного сигнала. При этом в (23) будет комплексной величиной. Вещественная часть средней мощности, передаваемую электронным потоком полю, и называ­ется электронной мощностью. Мы в своем анализе предположили, что выходной контур настроен на частоту входного сигнала, а нагрузка его - активная. Поэтому в нашем случае , определенная в (23), -величина вещественная и представляет собой электронную мощность. С учетом сказанного выше

(24)

 

 

Знак минус в (24) напоминает, что - это не затрачиваемая источником мощность в связи с протеканием наведенного тока , а, наоборот, отдаваемая током полю. Абсолютное значение электронной мощности

(25)

достигает максимума при и когда Величиной можно управлять. С уменьшением полной проводимости выходного контура растет, но не безгранично. Уже при часть электронов тормозится в зазоре до полной остановки и отбрасывается из зазора назад, забирая часть электронной мощности. Так действует механизм авторегулирования величины , вследствие чего, как показывают расчеты, лишь незначительно превышает ускоряющее напряжение. Для оценок энергетических показателей принимают, что . Здесь уместно вновь указать на нелинейность процессов взаимодействия тока с полем в зазоре клистрона.

Таким образом, максимум электронной мощности .

Электронным КПД называется отношение электронной мощности и мощности электронного потока :

, (26)

максимальное значение которого

 

. (27)

Выходная мощность и полный КПД. Выходной резонатор представим в виде, показанном на рис.10,а, где - собственная резонансная проводимость резонатора, a - проводимость нагрузки, пересчи­танная через элемент связи к выходному зазору.

 

 

 

Так как , где , то , где - мощность потерь в резонаторе, а - выходная мощность (в нагрузке). Представим в виде

, (28)

где - КПД контура. Полный КПД клистрона равен отношению мощности в нагрузке к мощности электронного потока:

. (29)

 

Каково максимальное значение ? Это зависит от режима клистрона. Рассмотрим два случая.

 

1. Амплитуда напряжения на выходном зазоре меньше ускоряющего . При этом схема выходного резонатора имеет вид, изобра­женный на рис.10,а: выходной зазор возбуждается наведенным током с постоянной амплитудой. Мощность в нагрузке

зависит от соотношения и . Максимум найдем из усло­вия . При этом ; = 0,5; , а полный КПД .

2. Амплитуда напряжения на выходном зазоре равна ускоряющему напряжению . Эквивалентная схема выходного контура в этом случае показана на рис.10,б: зазор выходного резонатора возбуждается источником напряжения с неизменной амплитудой . При этом, как отмечено выше, при оптимальной группировке , а максимальный полный КПД . При и .

Отметим, что режим энергетически наиболее выгоден. Но при приближении к нему с ростом снижается эквивалентное сопро­тивление выходного контура и для поддержания требуется увеличение тока луча . При этом возникают специфические трудно­сти (например, связанные с созданием бессеточных зазоров), преодо­ление которых оправдывается только в клистронах повышенной мощности. Что касается то в некоторых современных мощных клистронах он превышает 94%.

ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА НА ГРУППИРОВКУ В КЛИСТРОНЕ

Влияние кулоновских сил на группировку растет по мере увеличе­ния плотности немодулированного потока и параметра группировки .

Рассматриваются два проявления сил объемного заряда в модули­рованном потоке.

Поперечное расталкивание сгустков, приводящее к увеличению диаметра потока с ростом (динамическая расфокусировка). При этом часть электронов с периферии пучка оседает на трубе дрейфа, а ток в выходном зазоре, коэффициент усиления и выходная мощность сни­жаются. Признаком наличия динамической расфокусировки является снижение тока коллектора в динамическом режиме. В то же время минимум токопрохождения на коллектор - хороший критерий настройки входного сигнала на рабочую частоту клистрона. Динамическая фокусировка мо­жет быть преодолена, например, увеличением фокусирующего продольного магнитного поля.

Продольное расталкивание. Учет сил объемного заряда приводит к представлению электронного потока в виде упругого тела с собствен­ной частотой упругих колебаний (так называемой плазменной частотой) , где = 8,85×10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; - плотность объемного заряда, а - коэффициент редукции, учитывающий влияние металлических экранов, внутри которых обычно проходит электронный поток. Как во всяких упругих телах, нарушение равновесия под действием внешних сил (например, модуляция скорости электронов во входном зазоре) приводит к появлению в электронном потоке упругих колебаний в виде стоячих волн с собственной частотой , постоянной распространения , и длиной волны .От простых продольных упругих колебаний, например, в пружине, закрепленной на обоих концах, колебания в электронном потоке отличаются тем, что сносятся вместе с потоком со средней скоростью . При этом электроны, замедленные и ускоренные во входном зазоре, двигаясь в трубе дрейфа, сближаются до тех пор, пока силы инерции группирования не уравнове­сятся кулоновскими силами расталкивания, нарастающими по мере сбли­жения электронов. В этот момент и в этом сечении потока плотность зарядов и переменная составляющая конвекционного тока максимальны. Дальнейший ход колебательных движений зарядов в потоке можно легко представить себе, пользуясь аналогией с продольными механическими колебаниями. Важно отметить, что первый максимум конвекционного то­ка отстоит от входного зазора на четверть .длины волны плазменных колебаний . Это расстояние является оптимальной длиной трубы дрейфа.

Продольное расталкивание замедляет образование сгустка. Можно показать, что при учете сил объемного заряда группировка описывает­ся эффективным параметром

Как видно, силы объемного заряда не препятствуют достижению опти­мальной группировки, но требуют для этого напряжения на входном за­зоре, в раз большего, чем это предсказывает кинема­тический анализ.

ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЛЕТНЫХ КЛИСТРОНОВ

Применение пролетных двухрезонаторных клистронов ограничено. Пожалуй, есть только одна область, где они вне конкуренции: генера­торы на ПДК имеют наименьший среди ЭВП СВЧ уровень низкочастотных флуктуации амплитуды и частоты. Широкому применению двухрезонаторных клистронов мешают малое усиление (обычно - не более 15 дБ) и невысокий КПД - менее 58%. Последнее особенно важно, так как не дает возможности построить приборы большой мощности из-за ограничений в системе теплоотвода. Требовались новые подходы.

Повысить коэффициент усиления мощности можно каскадным соединением нескольких двухрезонаторных клистронов, однако ограничения по КПД в каждой ступени - остаются прежними, полный КПД всей цепочки бу­дет ниже, чем у одного прибора. Значит, повышение КПД клистрона -главная цель.

В чем причина невысокого электронного КПД двухрезонаторного клистрона? Ответ дает рис.4. Причина - в синусоидальной модуляции скорости и угла пролета электронов в приборе. Вследствие этого в состав сгустка электронов, отдающего энергию в выходном зазоре, вхо­дит незначительная часть электронов, прошедших входной резонатор за период усиливаемых колебаний. Эти работающие электроны проходят входной зазор в окрестности значений , соответствующих экстре­мумам зависимости . Остальные электроны, прошедшие входной зазор за рассматриваемый период входных колебаний, не вносят существенного вклада в процесс усиления.

Использование всех электронов возможно, если зависимость будет иметь вид ломаной линии, изображенной на рис.11,а.

 

 

 

 

При этом все электроны, прошедшие входной зазор за период входной частоты ( ) , пройдут выходной зазор одновременно в момент , образовав бесконечно узкий сгусток. Следует ожидать, что электронный КПД клистрона значительно повысится. При такой группировке переменная составляющая угла пролета между зазорами будет иметь пилообразный вид (рис.11,6).

...





Читайте также:
Задачи и функции аптечной организации: Аптеки классифицируют на обслуживающие население; они могут быть...
Группы красителей для волос: В индустрии красоты колористами все красители для волос принято разделять на четыре группы...
Основные этапы развития астрономии. Гипотеза Лапласа: С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно...
ТЕМА: Оборудование профилактического кабинета: При создании кабинетов профилактики в организованных...

Поиск по сайту

©2015-2022 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-07 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту:


Мы поможем в написании ваших работ!
Обратная связь
0.056 с.