2. Исследование характеристик многорезонаторного усилительного клистр0на

Цель работы: ознакомление с конструкцией прибора, измерение основных эксплуатационных параметров и исследование их зависимости от режимов работы.

2.1. Основные теоретические положения

2.1.1. Устройство многорезонаторного клистрона

Для усиления СВЧ колебаний средней и большой мощности (10 Вт) в сравнительно узкой полосе частот (< (0.1…5) % ) в настоящеевремя широко используются многорезонаторные усилительные клистроны. Клистроны содержат в своей конструкции следующие основные элементы: устройство формирования электронного потока, включающее катод, управляющий электрод и анод; устройство управления, состоящее из входного резонатора с элементом связи и промежуточных резонаторов; устройство отбора мощности, представляющее собой выходной резонатор с элементом связи, вспомогательные устройства – магнитная или электростатическая фокусирующая система, коллектор электронов, вакуумная оболочка. На практике устройство формирования электронного потока вместе с фокусирующей системой называют электронно-оптической системой (ЭОС), а систему резонаторов с элементами связи – электродинамической системой (ЭДС) клистрона [4].

На эскизе усилительного пролетного клистрона (рис. 2.1) изображены: катод с подогревателем1, управляющий электрод2,анод 3, входной резонатор 4, выходной резонатор 5, коллектор с радиатором охлаждения 6, магнитная фокусирующая система 7, промежуточные резонаторы 8, входная петля связи 9, выходная петля связи 10, пролетные трубы 11, элементы перестройки резонансной частоты 12.

2.1.2. Принцип действия прибора

Клистрон является прибором, в котором энергия ускоренного электронного потока преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Ускорение потока до некоторой скорости происходит в пространстве «катод–анод» (рис. 2.1), а далее поток электронов движется (дрейфует) по инерции до коллектора [5].

При этом

(2.1)

где – ускоряющее напряжение в вольтах,,– заряд и масса электрона.

На своем пути электронный поток поочередно проходит две характерные области: зазоры резонаторов, где возможно сосредоточение продольного СВЧ-поляи пролетные трубы (область между зазорами), где полеотсутствует. Первая область называется пространством взаимодействия, а вторая – пространством дрейфа. Для обеспечения однородности поля в поперечном сечении торцевые части зазора некоторых приборов затягиваются сеткой. Следует отметить, что в процессе движения в упомянутых областях на электроны постоянно действуют кулоновские силы взаимного расталкивания.

При отсутствии входной мощности все электроны достигают коллектора с одинаковой скоростью и передают ему всю энергию, полученную от ускоряющего электрического поля. Эта энергия преобразуется в тепло. Если же СВЧ-мощность во входной резонатор подается, то на его зазоре возникает переменное продольное электрическое поле. Электроны, вышедшие в разное время с катода, пересекают зазор резонатора в разные фазы этого поля, испытывая ускорение или замедление своего движения.

Этот процесс будет происходить тем интенсивнее, чем выше напряженность поля в пространстве взаимодействия и чем меньше время нахождения электронов в этой области по сравнению с периодом СВЧ-колебаний. Процесс изменения скорости электронов под действием СВЧ-поля называется скоростной модуляцией, электронного потока. Эта модуляция (даже если она очень мала по сравнению со скоростью ) вызывает изменение (модуляцию) плотности однородного электронногопотока при движении его в пространстве дрейфа. Такой процесс называется группировкой. Результатом группировки является возникновение сгустков электронов, следующих один за другим. В итоге однородный поток превращается в неоднородный, т. е. постоянный ток преобразуется в переменный конвекционный ток. Процессы модуляции и группировки можно достаточно наглядно проанализировать с помощью пространственно-временной диаграммы (рис. 2.2), на которой отображается зависимость пути, пройденного отдельными электронами потока, от времени. Наклон линий пропорционален скорости электронов. Изменение наклона вызывается полями в СВЧ-резонаторах или силами взаимного расталкивания (силами пространственного заряда). При построении диаграммы предполагается, что время движения электронов в зазоре резонаторов пренебрежимо малопо cравнению с периодом СВЧ-колебаний.

Анализируя движение электронов (см. рис. 2.2) в пространстве между1-м и 2-м резонаторами, можнозаключить, что сгущения электронов первоначально происходят вокруг электронов, не испытывающих изменения скорости в первом резонаторе и проходящих его при переходе поля с замедляющего на ускоряющее (электроны с номерами 3 и 7 на рис. 2.2). Образованию плотного сгустка (точка С на рис. 2.2) при слабой модуляции электронного потока по скоростям препятствуют силы пространственного заряда. На рис. 2.2 движение электронов без учета сил пространственною заряда (так называемое кинематическое приближение) показано пунктирными линиями, а с учетом этих сил – сплошными.Из рис. 2.2 видно, что в некотором сеченииА-А сгусток имеет минимальную протяженность, а при дальнейшем движении происходит его разгруппирование. Для того чтобы сгусток более уплотнить, т. е. повысить долю переменной составляющей конвекционного тока,необходимо усилить модуляцию по скоростям на входе, что приведет к снижению усиления. На практике для той же цели используют дополнительные (промежуточные) резонаторы. Процессы, происходящие в них, будут ясны из последующего изложения.

При своем движении электронный поток создает движущийся наведенный заряд на внутренней поверхности (пролетной трубы (рис. 2.3)), что обуславливает так называемый наведенный ток (). Этот ток практически не создает падения напряжения вдоль трубы дрейфа ввиду высокой проводимости стенок.

Однако при прохождении сгруппированного электронного потока через зазор резонатора наведенный ток встречает значительное сопротивление , когда одна из резонансных частот рассматриваемого резонатораравна или кратна частоте следования электронных сгустков. Другими словами, резонатор реагирует на одну из гармонических составляющихнаведенного тока(– номер составляющей). Схематически процесс возбуждения резонатора сгруппированным электронным потоком представлен на рис. 2.3, где изображены резонатор1, труба дрейфа2, сгусток электронов3, сетка резонатора4, а также– напряженность электрического поля пространственного заряда.

Полагая, что электроны проходят зазор в пренебрежимо короткое время по сравнению с периодом СВЧ-колебаний, можно записать:

где – -ягармоника конвекционного тока.

Явление резонанса, возникающее при прохождении сгустков, вызывает существенное увеличение напряжения на зазоре резонатора. Это напряжение устанавливается приблизительно при-кратном прохождении сгустков через зазор (– нагруженная добротность резонатора).

Анализ рис. 2.3 показывает, что для увеличения амплитуды напряжения на зазоре резонатора необходимо уменьшить шунтирующее действие элементов ,,, являющихся элементами эквивалентной схемы резонатора. Это условие равносильно увеличению характеристического сопротивления резонатора и добротности. Напряжение на зазоре резонатора, можно рассчитать по закону Ома;

где – эквивалентное сопротивление резонатора. Обобщенная расстройка резонаторанаходится из выражения.

Выражение (2.3) справедливо для любой гармоники наведенного тока. Индекс в дальнейшем изложении опустим. Напряжениеобусловливает поле в пространстве взаимодействия. В свою очередь полевоздействует на породивший его модулированный электронный поток. Характер этого взаимодействия зависит от разности фаз между током и напряжением. Из (2.3) следует, что эта разность фаз определяется прежде всего величиной, т. е. расстройкой резонатора.

При , т. е. при так называемой синхронной настройке резонаторов, имеем, что приводит к выражению:

Из (2.4) следует, что переменный конвекционный ток и напряжение на зазоре сдвинуты друг относительно друга на π радиан, что соответствует торможению сгустка в зазоре. При этом наибольшее торможение испытывают электроны, находящиеся в центре сгустка. Таким образом, энергия от сгустка частично отбирается и рассеивается в стенках резонатора, а электронный поток испытывает дополнительную модуляцию. Как следует из изложенного, образование нового сгустка будет происходить относительно нового центра (электроны ина рис. 2.2 для случая слабой модуляции в первом резонаторе). Пройдя несколько зазоров, сгусток уплотняется, и при входе в последний резонатор амплитуда переменной составляющей конвекционного тока составляет . Подбираяивыходного резонатора, можнообеспечить , т. е. реализовать почти полное торможение электронов. Полное торможение сгустка будет происходить и в случае отсутствия разброса скоростей электронов, образующих сгусток. Высвободившаяся энергия СВЧ при торможении электронов через элемент связи выходного резонатора передается в нагрузку.

Из изложенного следует, что явления, происходящие в промежуточных и выходном резонаторах, по своей сути одинаковы. Сопротивление в эквивалентной схеме (см. рис. 2.3) отражает потери энергии в резонаторе. Для промежуточных резонаторов это потери в стенках вследствие конечной их проводимости, а для выходного к этим потерям добавляется энергия, передаваемая в нагрузку.

При рассмотренной синхронной настройке в каждом резонаторе наводится максимально возможное напряжение при данном уровне входной мощности. В таком режиме клистрон обеспечивает максимальное усиление. Для получения максимальногоКПД необходимо изменить настройку предвыходного резонатора, чтобы симметрично сгруппировать сгусток в последней пролетной трубе. При этом обеспечивается малый разброс скоростейсгустка при входе в выходной резонатор. Такая подгруппировка происходит при расстройке предпоследнего резонатора в сторону более высоких частот, при этом происходит сдвиг напряжения на зазоре относительно наведенного тока согласно (2.3). Вводя расстройку, необходимо увеличить входную мощность, что приведет к снижению усиления.

На практике трудно обеспечить моноскоростной узкий сгусток в плоскости выходного резонатора. Поэтому часть электронов может быть выброшена в сторону катода, а часть, пройдя резонатор, будет обладать остаточной кинетической энергией, которая преобразуется в тепло на коллекторе. Однако нагрев коллектора в этом случае будет меньше, чем при отсутствии управляющего сигнала, так как часть энергии постоянного тока преобразуется в полезную СВЧ энергию.

Проведенный анализ работы клистрона основан на предположении малости времени пролета электронов в зазоре по сравнению о периодом СВЧ колебаний, что существенно упрощает рассмотрение. На практике для характеристики пролетных явлений вводится понятие угла пролета.

где – пройденное электроном расстояние,– частота возбуждающего сигнала,– скорость электронов, вычисляемая согласно (2.1). При учете угла пролета эффективность скоростной модуляциии соответственно торможения электронов падает, что обычно учитывается введением коэффициента взаимодействия. Для однозазорных резонаторов коэффициент определяется углом пролета электронов в зазоре :.При этом (2.3) перепишется.

Кроме того, конечное время пролета приводит к тому, что электроны группируются не только в пространстве дрейфа, но и в зазоре. Это приводит к существенному изменению. Для учета этого обстоятельства вводят понятие электронной нагрузки резонатора электронным потоком. При этом (2.3) переписывается следующим образом:

где – эквивалентное сопротивление резонаторас учетом электронной нагрузки . Величинав (2.5) определяется при условии . Введение понятийипозволяет применять описанный метод и для случая зазоров конечной длины.