Разновидности приборов клистронного типа

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 15Следующая ⇒

Главным недостатком ПК является узкая полоса усиливаемых частот. Для её расширения находят применение ПК с распределенным взаимодействием (ПК РВ), где используются многозазорные связанные резонаторы, настроенные на разные частоты относительно средней частоты (полоса до 10 %), а также ПК с вы-ходным устройством в виде кольцевой замедляющей системы с центральным отверстием для пролета электронного потока (так называемые твистроны). Отно-сительная полоса пропускания твистронов достигает 15 %, а мощность до 10 МВт в импульсе при К_ус= 30–50 дБ и η _э≈ 30 %. Обозначение твистрона по ГОСТу изображено на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема питания твистрона

Другой комбинированный прибор на основе ПК и вакуумного триода СВЧ был создан для достижения более линейной амплитудной характеристики. Его назвали клистродом (истроном). Он широко применяется в дециметровом диапа-зоне (470–810 МГц) для усиления телевизионного АМ-сигнала. Эскиз конструк-ции этого ЭП приведен на рис. 2.7. Электронный поток от многолучевого катода периодически прерывается или возобновляется сеткой, на которой действует отрицательное напряжение смещения и периодическое переменное напряжение СВЧ, создаваемое на сетке входным резонатором. На него подается усиливаемый сигнал. Ускоренные анодным напряжением сгустки электронов (импульсы кон-векционного тока) пролетают далее в зазор выходного резонатора, где и наводят в нем импульсы тока.

Рис. 2.7. Эскиз устройства клистрода (истрона)

Изменение напряжения смещения U_см и входной мощности СВЧ позволяет в широких пределах в режиме класса В или АВ варьировать углом отсечки. Наибольшая мощность достигается при Р_{вх опт}, что должно соответствовать максимуму АМ-сигнала. При анодных напряжениях 20–30 кВ выходная мощность клистродов в непрерывном режиме достигает 25–60 кВт и более при электронном КПД η _эл≈ 60 % и коэффициенте усиления К_ус≈ 22÷ 24 дБ.

Зарубежный аналог клистрода называется IOT– Inductive Output Tube (лампа с индуктивным выходом). Добротность резонаторов клистрода подбирается та-кой, чтобы полоса пропускания ∆ f соответствовала одному из телевизионных каналов в дециметровом диапазоне (∆ f ≈ 7–10 МГц).

ПК в режиме генерации

Если организовать цепь положительной обратной связи с выхода ПК на его вход с использованием направленного ответвителя, аттенюатора и фазовращателя (рис. 1.8, а), то ПК из усилителя превратится в автогенератор. Изготавливаются также и генераторные ПК, у которых входной и выходной резонаторы связаны через отверстие связи или отрезок линии. В генераторных ПК при изменении ускоряющего напряжения U₀ будет варьироваться скорость электронов υ ₀, созда-вая условия баланса фаз на разных частотах. Это дает возможность перестраивать частоту генерации ПК (рис. 2.8), при этом могут образоваться не одна зона генерации при разных U₀.

Рис. 2.8. Зоны генерации генераторного ПК

«Провал» в центре зон генерации по мощности обусловлен попаданием на входной резонатор мощности больше оптимальной на частоте резонанса и возникновением перемодуляции электронного потока (оптимальная группировка происходит до выходного зазора). Очевидно, что мощность генерации будет больше при большем U₀₁, чем при U₀₂, а крутизна электронной перестройки наоборот (S₂> S₁, ). Величина относительной перестройки генераторного ПК составляет ≈ 1 %, при этом она сопровождается потреблением мощности от источника питания.

Специально изготавливаемые двухрезонаторные генераторные ПК в сантиметровом и миллиметровом диапазонах имеют выходную мощность до 10 Вт при η _э≈ 10 %. Мощные усилительные ПК можно ввести в режим генерации на номинальной мощности в единицы МВт в импульсе. Двухрезонаторные ПК используются так же, как умножители частоты, с небольшой кратностью (выходной резонатор настроен на гармонику n = 2 или n = 3), при этом можно получить превышение выходной мощности над входной.

Отражательные клистроны

В отличие от двухрезонаторных ПК в отражательных клистронах (ОК) режим генерации создается за счет одного резонатора, возврат электронных сгуст-ков в который в нужной (тормозящей) фазе осуществляется за счет поля отрица-тельного электрода – отражателя, не потребляющего тока. Отражательный клист-рон также представляет собой вакуумный баллон, состоящий из горячего катода с подогревателем, фокусирующего электрода, ускоряющего анода, резонатора с выводом энергии СВЧ-колебаний и отражателя. Схема подключения источников питания показана на рис. 2.9. Отражательные клистроны не требует фокусировки продольным магнитным полем или электростатической фокусировки, так как длина электронного пучка в ОК весьма мала. У ОК всегда заземлен резонатор, чтобы исключить попадание высокого напряжения на вывод энергии СВЧ.

Рис. 2.9. Электрическая схема включения ОК

Электронный поток, ускоренный до скорости υ ₀ напряжением U₀, пролетает через зазор резонатора в виде двух сеточек и за счет флюктуаций тока в широком спектре частот возбуждает в резонаторе очень слабые колебания на частоте резонатора f_рез. СВЧ-поле в зазоре начинает модулировать электроны по скорости, что приводит к небольшой модуляции по плотности. Если отрицательное напря-жение на отражателе подобрать таким, чтобы возврат сгустков электронов проис-ходил в моменты тормозящего переменного поля в зазоре («+» на верхней сетке, «–» на нижней), то за счет отдачи кинетической энергии электронами амплитуда колебаний в резонаторе будет возрастать до установления стационарного режима. Возврат сгустков электронов в тормозящую фазу может происходить за разные промежутки времени, кратные периоду колебаний Т. Из пространственно-времен-ной диаграммы (рис. 2.10) видно, что это оптимальное время τ _опт= 3/4Т + nТ, где n = 0, 1, 2… Поэтому в ОК возможно несколько зон генерации при разных значениях –U_отр. Оптимальный угол пролета в зонах генерации будет равен

Θ _опт=2π (n+3/4), (2.9)

где n = 0, 1, 2, 3….

При Θ = Θ _опт возникает баланс фаз (положительная обратная связь по пе-ременному току). Баланс амплитуд может быть выражен условием равенства нулю проводимостей потерь в резонаторе G_р, в нагрузке G_н (пересчитанной в резонатор) и отрицательной проводимости G_эл, вносимой в резонатор электрон-ным потоком:

G_р+G_н+(– G_эл) = 0. (2.10)

Рис. 2.10. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в ОК

Изменение –U_отрвнутри зон генерации выше или ниже оптимального значения приводит к изменению мощности вплоть до срыва генерируемых коле-баний (потери превышают вносимую энергию). Изменяется и частота генерации, поскольку при вариациях –U_отризменяется момент (фаза) прихода сгустка в зазор по отношению к максимуму тормозящего поля: чем больше |–U_отр|, тем быстрее возвращаются электроны и выше частота колебаний. Зависимость f _г= f (|–U_отр|) близка к тангенциальной. Крутизна перестройки частоты S [ ] увеличивается с ростом номера зоны, поскольку при более протяженных траекториях одно и тоже приращение их длины будет происходить при меньших изменениях напря-жения на отражателе. Виды характеристик ОК приведены на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Зоны генерации ОК по частоте и мощности

С увеличением номера зоны генерации мощность в зоне уменьшается, поскольку из-за двойной функции резонатора (модуляция электронов по скорости и отбор от них энергии для поддержания колебаний) более протяженные траекто-рии (большие углы пролета) требуют меньшего модулирующего напряжения, т.е. мощность генерации уменьшается. Даже в зонах n = 0 и n = 1 из-за двойного назначения резонатора обычно не удается получить мощность более 1 Вт в непрерывном режиме. Однако в импульсном режиме генерации возможна форси-рованная работа ОК за счет одновременного повышения отрицательного напря-жения на отражателе и импульсного ускоряющего напряжения U_она катоде. При таком включении ОК возможна генерация мощности более 1 Вт в импульсе у ОК с паспортным значением мощности генерации порядка 0, 2 Вт.

Разработан миниатюрный вариант ОК – минитрон с рабочими напряжениями всего в десятки вольт и малой массой, что даёт возможность такому генератору СВЧ конкурировать с полупроводниковыми генераторами, особенно в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒