2.5.4. Колебательная мощность и электронный кпд отражательного клистрона

Полная высокочастотная мощность Р, отдаваемая электронным потоком в резонатор и в нагрузку, в установившемся режиме может быть выражена через амплитуду напряжения U₁ и суммарную активную проводимость зазора G_полн, равную

. (2.76)

По обычному электротехническому соотношению можно написать

. (2.77)

Но в режиме установившихся колебаний всегда должно выполняться условие

. (2.78)

Используя уравнение (2.67), получаем

(2.79)

Выразим величину U₁ через параметр группировки Х. По уравнению (2.64) имеем

(2.80)

Мощность, подведенная к клистрону от источника ускоряющего напряжения, равна I₀U₀. Таким образом, из (2.80) может быть легко определен электронный КПД отражательного клистрона

(2.81)

В центрах зон генерации величины полной колебательной мощности P₁ и электронного КПД h_эл.1 при использовании условия (2.69), определяющего оптимальный угол пролета, и пренебрегая углом пролета q в высокочастотном зазоре, будут равны

(2.82)

(2.83)

Величины P₁ и h_эл.1 зависят от произведения XJ₁(X). График функции XJ₁(X) приведен пунктиром на рис. 2.23. Эта функция достигает максимума при X » 2,41. Таким образом, максимальный электронный КПД отражательного клистрона для зон с различными номерами n по (2.83) равен

. (2.84)

Рис. 2.24. Графики фунций F(X) и ХJ₁(X), определяющих электронную проводимость и электронный КПД отражательного клистрона

Из анализа выражения (2.84) следует, что при малых номерах зон генерации n = 0 и n = 1 электронный КПД отражательного клистрона может достигать нескольких десятков процентов. Однако реальные значения электронного КПД составляют несколько процентов.

_{2.5.5. Пусковой ток отражательного клистрона}

В случае отражательного клистрона пусковой ток должен обеспечивать самовозбуждение в центрах зон при наиболее благоприятной фазе прихода электронных сгустков в зазор, т. е. при условии . Таким образом, при Q >> q величина пускового тока I_пуск может быть найдена из соотношения

. (2.85)

Нарастание колебаний в клистроне происходит при условии I₀ >I_пуск. Уравнение (2.85) позволяет сделать важные выводы:

1) пусковой ток клистрона тем меньше, чем меньше активная проводимость резонатора и нагрузки;

2) величина пускового тока оказывается различной для разных зон; с увеличением номера n самовозбуждение клистрона облегчается;

3) ток, требующийся для самовозбуждения клистрона тем меньше, чем ниже ускоряющее напряжение U₀.

2.6. Особенности устройства и параметры пролетных и отражательных клистронов

Конструкция усилительных пролетных клистронов зависит от их назначения, уровня номинальной выходной мощности, типа резонаторов, способа фокусировки электронного потока, способов ввода и вывода энергии, перестройки частоты и типа охлаждения.

По роду работы клистроны подразделяют на импульсные и непрерывного действия. Импульсная работа обеспечивается подачей импульсов напряжения на резонаторы или управляющий электрод (модулятор). Частота повторения импульсов обычно порядка нескольких сотен или тысяч герц, а длительность составляет от долей микросекунды до нескольких микросекунд и даже миллисекунд 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 клистронов 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 мощность соответственно меньше 10 Вт, от 10 Вт до 1 кВт, от 1 до 100 кВт, более 100 кВт.

В клистронах применяется электромагнитная и электростатическая фокусировка и фокусировка полем постоянных магнитов. Для ввода и вывода СВЧ энергии используют коаксиальные, волноводные и коаксиально-волноводные системы.

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

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

В табл. 2.2 приведены параметры мощных усилительных клистронов импульсного и непрерывного действия.

Таблица 2.2

Характеристика	Тип клистрона
	КУ304	КУ310А	КИУ12
Рабочая частота или диапазон частот, ГГц	0,84-0,86	0,47-0,55	2,8
Режим работы	Непрерывный	Непрерывный	Импульсный
Выходная мощность, кВт	10	15	20000
Усиление, дБ	40	35	40
Ширина полосы, МГц	6	8	14
КПД, %	35	27	40
Напряжение, кВ	16	15	280

Известны конструкции многолучевых пролетных клистронов, в которых обеспечивается одновременное взаимодействие нескольких параллельных электронных потоков с СВЧ полем резонаторов. Это увеличивает выходную мощность, а при той же мощности – уменьшает напряжение источника питания, общего для всех лучей.

Конвекционный ток пролетного клистрона содержит много гармоник, которые можно использовать для умножения частоты сигнала. В двухрезонаторном умножительном клистроне выходной резонатор настроен на частоту гармоники, а параметр группирования подобран для получения максимума амплитуды конвекционного тока гармоники. По значению КПД клистронные умножители существенно уступают умножителям частоты на полупроводниковых диодах, КПД которых может достигать 80 %. Однако так как значение КПД двухрезонаторного клистрона мало изменяется с ростом номера гармоники, в клистронном умножителе можно реализовать двадцатикратное умножение частоты с длиной волны выходного сигнала около 0,4 мм.

Основными параметрами отражательных клистронов считают выходную мощность, рабочий диапазон частот генерируемых колебаний, диапазон и крутизну электронной перестройки частоты.

Выходная мощность отражательных клистронов обычно меньше 1 Вт, поэтому они применяются в маломощных схемах СВЧ.

Рабочим диапазоном частот называют диапазон частот, внутри которого выходная мощность в рабочей зоне не выходит за пределы, установленные технической документацией. Частоту в пределах рабочего диапазона устанавливают механическим изменением емкости или индуктивности основного или дополнительного резонаторов. Емкостную перестройку частоты на 5–10 % производят изменением расстояния между сетками резонатора с помощью специального механизма. Индуктивную перестройку обычно применяют в клистронах с резонатором, расположенным снаружи баллона. Собственная частота внешнего резонатора изменяется перемещением металлического поршня в объеме резонатора. Этим способом удается изменить частоту генерируемых колебаний в широком диапазоне (до ±20 %). Недостаток механической перестройки – это сравнительно низкая стабильность частоты при изменении внешних условий. При механической перестройке с помощью высокодобротного резонатора, сильно связанного с основным резонатором клистрона, стабильность частоты повышается, но диапазон перестройки становится малым. Кроме того, появляется опасность возбуждения колебаний на двух частотах системы связанных резонаторов.

Диапазон электронной перестройки df составляет 10–50 МГц, т. е. менее 1 %, однако в специальных клистронах может достигать 10–15 %. Крутизна электронной перестройки обычно порядка 1–2 МГц/В.

КПД отражательных клистронов практически не превышает нескольких процентов, однако при небольшой выходной мощности это не имеет существенного значения.

Ускоряющее напряжение низковольтных клистронов 250–450 В, а высоковольтных – 750–2500 В. Ток пучка составляет несколько десятков миллиампер.

Зависимость выходной мощности и частоты от напряжения на отражателе позволяет осуществить амплитудную, импульсную и частотную модуляции.

Преимущество модуляции с помощью отражателя состоит в том, что потребление мощности этим электродом очень мало, так как на него практически не попадают электроны.

В настоящее время отражательные клистроны получили широкое распространение в дециметровом, сантиметровом и даже миллиметровом диапазонах длин волн. Однако в последнее время отражательный клистрон начинают заменять полупроводниковыми приборами.