Что такое клистрон и как он работает

Создать клистрон пришло в голову Д. А. Рожанскому. Он разработал принципиальную схему пролетного клистрона, который был необходим для усиления сигналов, проходящих через него. Поток электронов между двумя электродами, анодом и катодом, проходит через специальные сетки, которые представляют собой объемные резонаторы. Один из резонаторов является входным контуром. Коаксиальной линией и витков к нему подводятся колебания, которые позже усиливаются им.

В статье будет рассказано все о клистронах, какую они имеют структуру, как используются и в каких сферах современной электрики и электроники они применяются и как именно. Статья содержит два видеоролика, где рассказывается об этих электронных устройствах, а также одна скачиваемая статья про структуру клистрона.

Общие сведения

Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) занимает полосу частот от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн  от 1 м до 1 мм.

Клистрон [от греч. klýzo — ударять, окатывать (волной) и (элек) трон], электровакуумный прибор СВЧ, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путём модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролёте их сквозь зазор объёмного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от поля СВЧ. Распространены 2 класса К. — пролётные и отражательные.

Пролетный двухрезонаторный прибор

Двухрезонаторный клистрон схематически изображен на рисунке. В клистроне имеются два объемных резонатора с емкостными зазорами. Первый резонатор 3 называется входным, или модулятором, а второй 5 – выходным. Пространство 4 между ними называется пространством, дрейфа или группирования, Электроны эмитируемые катодом 1, ускоряются постоянным напряжением U электрода 2 и попадают в узкий зазор между сетками первого резонатора. Между ними имеется продольное высокочастотное электрическое поле, которое периодически ускоряет и замедляет электроны, т. е. модулирует скорость электронов.

Принцип работы

В пространстве дрейфа быстрые электроны догоняют медленные, обеспечивая группирование электронов, т. е. преобразование модуляции электронного потока по скорости в модуляцию по плотности. Модулированный электронный поток поступает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток, протекающий по внутренней поверхности его стенок. В резонаторе возникают колебания, а между его сетками появляется электрическое высокочастотное поле, которое должно вызывать торможение сгруппированных электронов. В выходном резонаторе кинетическая энергия тормозящихся электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний. Электроны, прошедшие через второй резонатор и отдавшие СВЧ полю часть своей кинетической энергии, попадают на коллектор 6, где рассеивают оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла. Проанализируем подробнее процессы в пролетном клистроне.

[stextbox id=’info’]Скоростная модуляция электронов. К сетке резонатора все электроны подлетают с одинаковой скоростью, определяемой ускоряющим напряжением[/stextbox]

 (3.1)

где е и т — заряд и масса электрона.

Пусть между сетками входного резонатора приложено переменное напряжение U₁sinωt Скорость электрона после прохождения зазора между сетками может быть определена решением уравнения движения

 (3.2)

где напряженность переменного поля в зазоре с расстоянием между сетками d равна Е=[U₁ sin(ut)]/d. Будем считать, что амплитуда напряжения U₁ мала (U₁/U₂<<1), т. е. мало изменение скорости электронов. В этом случае время пролета всех электронов через зазор практически одинаково и составляет . Обозначим t₁ момент прохождения электроном середины зазора. Тогда t₁ – τ₁/2 – момент входа в зазор; t₁ + τ₁/2 —момент выхода. Скорости электрона в эти моменты времени равны V_e и V соответственно. Решая при указанных граничных условиях, дифференциальное уравнение (3.2), получим скорость электрона при выходе из резонатора

Используя условие U₁/U₂<<1, можно преобразовать эту формулу:

 (3.3)

где М₁=(sin0,5θ₁)/0,5θ₁ – коэффициент эффективности электронного взаимодействия или коэффициента связи электронного пучка с полем зазора; θ₁=ωτ₁ – угол пролета электронов в зазоре.

Зависимость коэффициента М₁ от угла пролета показана на рис. 3.2. Уменьшениеθ₁ путем сближения сеток нецелесообразно из-за роста емкости резонатора и снижения благодаря этому его эквивалентного сопротивления. Типичные значения угла пролета лежат в пределах π/2 – π. Физический смысл коэффициента М₁ заключается в том, что он учитывает уменьшение глубины модуляции скорости при конечном угле пролета по сравнению с идеальным случаем бесконечного малого угла.

Рис. 3.2

 рис. 3.3

Группирование электронов. Рассмотрим пространственно-временную диаграмму электронов в двухрезонаторном клистроне. По вертикальной оси отложено расстояние г в пространстве дрейфа, а по горизонтальной — время. В нижней части рисунка изображено переменное высокочастотное напряжение u₁(t) на сетках входного резонатора. Будем считать движение электронов в пространстве дрейфа равномерным со скоростью, определяемой.

Такой “кинематический” анализ группировки дает наглядное представление о механизме процессов и объясняет его основные закономерности. График движения каждого электрона определяется скоростью электрона. [Пространственно-временные диаграммы для электронов на пути от катода до резонатора (z<0) на рис. 3.3 не показаны.] Точки пересечения прямых с осью времени определяют входную фазу электронов в пространстве дрейфа относительно напряжения на зазоре первого резонатора. Считаем, что электроны скачкообразно изменяют свою скорость в момент прохождения центра зазора.

Диаграмма наглядно показывает, что в потоке электронов образуются сгустки и разрежения. Для тех электронов, которые проходят высокочастотное поле, когда оно тормозящее, наклон прямых уменьшается, для других – увеличивается. В результате прямые расходятся или сходятся, чем объясняются группирование или фазовая фокусировка электронов. Последнее название объясняется аналогией с геометрической фокусировкой пучка света в оптике. В каждом периоде колебаний образуется один сгусток, в центре которого находится электрон, прошедший через зазор без изменения скорости, т. е. в момент перехода поля через нуль от тормозящего к ускоряющему полупериоду.

Группирование было бы идеальным, если бы все электроны, прошедшие через первый резонатор за полупериод, приходили ко второму резонатору одновременно. В этом случае конвекционный ток в сечении второго резонатора представлял бы периодическую последовательность δ-импульсов. Однако при синусоидальной скоростной модуляции группирование отличается от идеального. Рассмотрим, какая существует связь при синусоидальной скоростной модуляции между моментами прихода электронов t₂ во второй резонатор и моментом t₁ прохождения их через первый. Очевидно, что

 (3.4)

где l—длина пространства дрейфа (см. рис. 3.1).

Подставляя (3.3) в (3.4), получим

.

В усилительных клистронах амплитуда входного напряжения U₁ много меньше U(U₁<<U), поэтому, раскладывая в ряд по малому параметру MU₁/2U и оставляя в нем два первых члена, получим

.

Умножая обе части уравнения на со, получим

 (3.5)

Введем обозначение

 (3.6)

— параметр группирования; θ=ω/V_e — средний угол пролета в пространстве дрейфа, равный углу пролета электрона, не изменившего своей скорости при прохождении первого резонатора (невозмущенный электрон). Угол пролета 6о называют также невозмущенным углом пролета.

Соотношение (3.5) можно с учетом (3.6) записать

(3.7)

Это уравнение определяет фазу прибытия ωt₂ электрона ко второму зазору. Если отсутствует модулирующее напряжение (U₁=0), то X=0. В этом случае ωt₂-θ=ωt₁ и фаза прибытия электрона во второй зазор линейно связана с фазой прохождения его через первый зазор. Электроны не группируются, и имеет место только одинаковое запаздывание всех электронов по фазе. Зависимость величины (ωt₂-θ ω), характеризующей фазу появления электрона в зазоре второго резонатора, от фазы прохождения через зазор первого резонатора приведена на рис. 3.4.Чем больше параметр группирования, тем сильнее кривые отклоняются от прямой линии, соответствующей значению Х=0.

Идеальному группированию, т. е. одновременному приходу электронов на рис. 3.4 соответствует ступенчатая функция. Следовательно, группирование электронов в двухрезонаторном клистроне сильно отличается от идеального. Рассмотрим способ определения формы импульсов конвекционного тока.

Конвекционный ток. Пусть через входное сечение трубки дрейфа проходит группа электронов с зарядом Δq₁ за время Δt₁. В этом сечении конвекционный ток

i₁= Δq₁/ Δt₁ (3.8)

Аналогично в выходном сечении трубки дрейфа конвекционный ток

i₂= Δq₂/ Δt₂ (3.9)

где Δq₂ – заряд группы электронов, пролетающих выходной резонатор за время Δt₂.

Если рассматривается одна и та же группа электронов, а перехват электронов в трубке дрейфа отсутствует, то

Δq₁=Δq₂ (3.10)

Используя (3.8), (3.9) и (3.10), получим

 (3.11)

или

 (3.12)

Ток i₁ равен постоянному току I, так как в первом резонаторе еще не происходит группирования электронов. Производную в. (3.12) можно определить из (3.7):

dt₂/dt₁=1 – X cos ωt₁ (3.13)

Зависимости конвекционного тока от времени t₂ при нескольких значениях параметра группирования Х показаны на рис. 3.5. Ток i₂ обращается в бесконечность при значениях t₂, для которых производная (3.13) dt₂/dt₁=0. На рис. 3.4 при Х=1 нулевая производная имеется только в одной точке ωt₁=0, а при Х >1 – в двух. С увеличением Х интервал времени и провал между бесконечными пиками тока увеличиваются.

Ток i₂ является периодической несинусоидальной функцией времени и может быть представлен рядом Фурье [3]:

(3.14)

где амплитуда гармоники тока с номером m

 (3.15)

выражается через функции Бесселя первого рода т-го порядка. Выражения (3.14) и (3.15) справедливы при любых значениях параметра группирования.

Через зазор выходного резонатора проходит сгруппированный поток электронов и наводит в нем ток. Если выходной резонатор настроен на частоту модулирующего напряжения ц”, то мощность в нем будут создавать только колебания этой частоты и напряжение между его сетками будет практически синусоидальным. Следовательно, из членов ряда (3.14) можно взять только первую гармонику электронного тока, амплитуда которой

 (3.16)

Максимальное значение амплитуды первой гармоники соответствует максимуму функции Бесселя J₁(X), т. е. получается при Х=1,84:

 (3.17)

Так как в клистроне длина пространства дрейфа l фиксирована, а напряжение питания U определено паспортными данными, то параметр группирования (3.6) можно регулировать изменением амплитуды входного сигнала U₁.

Наведенный ток и электронная мощность. Вычисление амплитуды первой гармоники наведенного тока по

приводит к следующему результату:

I_нав(1)=M₂I₍₁₎ (3.18)

где M₂ — коэффициент электронного взаимодействия во втором резонаторе, аналогичный коэффициенту M₁ в (3.3). В выходном резонаторе, настроенном на частоту сигнала, с учетом (3.18) и (3.16) электронная мощность

P= I_нав(1)U₂/2=M₂U₂IJ₁(X) (3.19)

Потребляемая клистроном мощность P=IU, поэтому электронный КПД

η_э=P/P=M₂J₁(X)U₂/U (3.20)

Электронная мощность (3.19) растет при увеличении тока I и напряжения на выходном резонаторе U₂. Обычно для оценки максимальной мощности и электронного КПД принимают . Ограничение напряжения объясняется следующим образом.

Средняя кинетическая энергия электронов, входящих в резонатор, определяется ускоряющим напряжением и равна eU. Если предположить, что амплитуда напряжения U₂>U, то кинетическая энергия некоторых электронов будет недостаточна для преодоления тормозящего действия поля в зазоре резонатора. Эти электроны вернутся обратно в пространство дрейфа, что приведет к уменьшению мощности колебаний в резонаторе.

Определяемый из (3.20) при максимальный электронный КПД

η_{э max}=J₁(X) (3.21)

Самое большое теоретическое значение η_э будет при X=1,84:

η_{э пред}=0,58.

Полный КПД клистрона, учитывающий потери в колебательной системе, потерю электронов на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и составляет 15—20%.

Оптимальное значение параметра группирования X, обеспечивающее максимальный КПД клистрона, оказывается больше единицы, и оптимальная форма импульса конвекционного тока в двухрезонаторном клистроне при синусоидальной модуляции должна содержать два пика (рис. 3.5, снизу).

Рис. 3.6

Рассмотрим амплитудную (рис. З.6а) и амплитудно-частотную (рис. 3.6 б) характеристики пролетного клистрона. Выходная мощность вначале линейно растет с увеличением Р_вх, а затем наступает насыщение. Максимальное значение выходной мощности достигается при X=1,84. Коэффициент усиления К_у максимален на линейном участке характеристики (при X<<1) и при увеличении P_вх уменьшается.

Увеличению коэффициента усиления в двухрезонаторном клистроне препятствует влияние пространственного заряда, мешающего группированию электронов. Расталкивание одноименно заряженных электронов в сгустке приводит к увеличению скорости электронов, летящих перед центральным электроном, и к уменьшению ее у остальных. Группирование в пролетном клистроне возможно, если спереди летят медленные, а сзади быстрые электроны.

Продольные силы расталкивания приводят на некотором расстоянии к выравниванию скоростей электронов сгустка, что эквивалентно уменьшению глубины скоростной модуляции и значения параметра группирования. Это ограничивает коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона. При заданном режиме работы существует определенная длина трубки дрейфа, соответствующая максимальному коэффициенту усиления.

Его значение мало и обычно составляет 10—15 дБ. Кроме того, двухрезонаторный клистрон — это узкополосный усилитель, так как в нем используются высокодобротные резонаторы. Относительная полоса пропускания обычно несколько десятых процента. По этим причинам двухрезонаторные усилительные клистроны практически не используются. Значительное расширение полосы пропускания, увеличение коэффициента усиления и КПД достигнуты в многорезонаторных клистронах, которые будут рассмотрены ниже.

Двухрезонаторные генераторы

Рассмотрим схему двухрезонаторного клистронного генератора

Между входным и выходным резонаторами клистронного генератора есть цепь обратной связи. Для самовозбуждения клистрона и поддержания стационарных колебаний необходимо выполнить баланс фаз и баланс амплитуд.

Рассмотрим кривые напряжений на зазоре входного (рис, 3.8а) и выходного (рис. 3.8б) резонаторов клистронного генератора. Сдвиг фазы в цепи обратной связи. Для отдачи максимальной энергии сгустки электронов должны проходить выходной резонатор в момент максимального тормозящего поля.

Центром сгустка будет электрон, который проходит первый зазор в момент перехода от тормозящего поля к ускоряющему. Из рис. 3.8 видно, что в этом случае оптимальный угол пролета в пространстве дрейфа при наличии запаздывания на угол φ_о.с в линии обратной связи θ_{0 опт}+φ_о.с=2π(n+3/4).

Так как угол пролета между резонаторами

,

то, считая 6о=0оопт, получим

(3.22)

Существует множество дискретных областей значений U, в которых возможны автоколебания. Эти области называются зонами генераций.

[stextbox id=’info’]При вариациях ускоряющего напряжения U в пределах зоны для выполнения баланса фаз автоматически должна изменяться частота колебаний. Это явление называется электронной перестройкой частоты.[/stextbox]

Вторым необходимым условием самовозбуждения двухрезонаторного клистрона является баланс амплитуд. Клистрон может генерировать колебания только в том случае, если ток электронного луча /о превосходит некоторое определенное значение, называемое пусковым током. При токе, меньшем пускового, электронный луч передает в выходной резонатор энергию, не достаточную для покрытия потерь во входном и выходном резонаторах.

Максимальная выходная мощность и КПД клистронных генераторов такие же, как в двухрезонаторных пролетных усилителях. В настоящее время они находят сравнительно узкое применение как генераторы средней мощности самой коротковолновой части сантиметрового диапазона и в миллиметровом диапазоне, где создание полупроводниковых генераторов соответствующей мощности затруднено.

Основное назначение клистронных генераторов—получение колебаний высокой стабильности. Для повышения стабильности частоты в цепь обратной связи включают высокодобротную колебательную систему (один или несколько резонаторов). Клистронные генераторы используются в диапазоне частот 5,5—44 ГГц. Их выходная мощность лежит в пределах 0,2—200 Вт. Они применяются в системах связи, доплеровской радиолокации, радиомаяках, а также для накачки параметрических усилителей.

Многорезонаторные устройства

Двухрезонаторные клистроны не обеспечивают больших коэффициентов усиления и КПД. Для достижения большого усиления можно применять последовательное соединение нескольких клистронов, однако гораздо выгоднее использовать многорезонаторные клистроны, которые имеют большой коэффициент усиления и высокий КПД.

Рассмотрим особенности работы многорезонаторных клистронов на примере трехрезонаторного. Между входным 1 и выходным 3 резонаторами располагается еще один промежуточный ненагруженный резонатор:

Схема выгоднее, чем усилитель из двух двухрезонаторных клистронов, так как в ней необходим только один электронный пучок, что позволяет сократить мощность источников питания. Кроме того, из-за уменьшения числа резонаторов упрощается их настройка и снижаются потери. Возможность увеличения коэффициента усиления удобно пояснить на пространственно-временной диаграмме

Рассмотрим случай, когда все резонаторы настроены на частоту сигнала (синхронная настройка). Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе многорезонаторного клистрона электроны модулируются по скорости. В пространстве дрейфа между входным и промежуточным резонаторами происходит группирование электронного потока, однако при слабом входном сигнале оно незначительно: электроны 1 и 2 лишь немного смещаются по направлению к невозмущенному электрону О.

Из-за малого параметра группирования амплитуда первой гармоники конвекционного тока i₍₁₎, Изображенного штрихпунктирной кривой, в сечении z₂ промежуточного резонатора будет также небольшой. Так как промежуточный резонатор не нагружен и является высокодобротным, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение U₂, создаваемое наведенным током, будет большим.

Это напряжение вызывает сильную модуляцию скорости электронов, пролетающих через промежуточный резонатор. Следовательно, во втором пространстве дрейфа (между вторым и третьим резонаторами) произойдет основное группирование электронов. При синхронной настройке напряжение во втором резонаторе U₂(t) противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока i₍₁₎.

Для второго резонатора электрон О’, приходящий позже электрона О, будет невозмущенным, около него должно происходить основное группирование. Поэтому распределение электронов в сгустке при слабом входном сигнале практически будет определяться этим резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе от времени будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резонаторами, но при модуляции скорости напряжением U₂.

[stextbox id=’alert’]Однако коэффициент усиления в трехрезонаторном клистроне сильно увеличивается, так как группирование электронов получается при существенно меньшей мощности сигнала, подводимой к входному резонатору.[/stextbox]

Проведенное рассмотрение объясняет возможность получения большого коэффициента усиления в трехрезонаторном клистроне. Однако максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока, а следовательно, максимальные выходная мощность и электронный КПД, получаемые в оптимальном режиме при синхронной настройке, остаются практически такими же, как в двухрезонаторном клистроне, и предельное теоретическое значение КПД составляет 58%.

Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка тех промежуточных резонаторов, на которых велико переменное напряжение, создаваемое наведенным током. Поясним это с помощью пространственно-временной диаграммы.

Входной сигнал u₁(t) взят достаточно большим, чтобы обеспечить при синхронной настройке резонаторов хорошее группирование электронов. Первая гармоника конвекционного тока в сечении второго резонатора i₍₁₎(t) проходит через амплитудное значение в момент прихода центрального электрона сгустка О.

Существенно, что во втором резонаторе этот электрон перестает быть невозмущенным, так как таким становится электрон О’, приходящий на четверть периода позже, когда u₂(t)=0. Значительное смещение центра сгустка на рис. 3.10б относительно нового центра группирования О’ не позволяет электронам сгустка эффективно сгруппироваться около электрона О’, а следовательно, не позволяет получить возможные максимальные значения амплитуды первой гармоники тока и электронного КПД.

Если же центральный электрон сгустка О придет во второй резонатор в момент нулевого напряжения u₂(t), то он останется невозмущенным. Тогда к пришедшему сгустку будут симметрично догруппировываться другие электроны, что вызовет увеличение числа сгруппированных электронов и амплитуды первой гармоники тока. Такое “совмещение” электронов О и О’ можно получить, создавая между напряжением и током i₍₁₎(t) сдвиг фазы 90°.

Напряжение u₂(t) соответствует синхронной настройке, когда U₂{t) и i₍₁₎(t) противоположны по фазе, a u’₂{t) соответствует сдвигу фазы 90°. Такой сдвиг фазы возможен при очень большой расстройке второго резонатора относительно частоты сигнала в сторону более высоких частот.

Однако при этом из-за уменьшения эквивалентного сопротивления резонатора напряжение между сетками станет настолько малым, что даже приведет к ухудшению группирования. Поэтому приходится создавать сдвиг фазы меньше 90°, а уменьшение напряжения компенсировать соответствующим увеличением амплитуды входного сигнала или введением дополнительных промежуточных резонаторов.

Теоретические расчеты показывают, что в трехрезонаторном клистроне по сравнению с двухрезонаторным можно увеличить амплитуду первой гармоники конвекционного тока до значения, при котором электронный КПД достигает 75%. Дальнейшее увеличение числа резонаторов не приводит к значительному росту электронного КПД, но увеличивает коэффициент усиления и изменяет амплитудно-частотную характеристику. Наиболее распространены четырех — шестирезонаторные клистроны.

Параметры и характеристики. Максимальный коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона достигает примерно 35 дБ вместо 15 дБ в двухрезонаторном клистроне. Теоретически можно создать клистронный усилитель с любым коэффициентом усиления.

Однако по мере возрастания числа резонаторов, т. е. увеличения числа каскадов усиления, труднее исключить самовозбуждение усилителя из-за наличия паразитной обратной связи. Коэффициент усиления N-резонаторного клистрона можно ориентировочно определить с помощью следующего эмпирического соотношения, в децибелах

K_{у (P)}=15+20(N-2). (3.23)

Вид характеристик изменяется в зависимости от настройки промежуточных резонаторов. Кривая 1 соответствует режиму синхронной настройки резонаторов, а кривая 2 режиму получения максимальных мощности и КПД. Начальный участок характеристики 1 имеет большую крутизну, и она достигает максимума при малой входной мощности P_вх. Затем при увеличении Р_вх выходная мощность резко падает.

Эта характеристика соответствует режиму максимального коэффициента усиления. Кривая 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Она имеет более пологий начальный участок, что свидетельствует о малом коэффициенте усиления клистрона. Область насыщения—более широкая. Благодаря лучшим условиям группирования в этом режиме достигается большая выходная мощность и выше значение электронного КПД.

Ширина полосы пропускания многорезонаторного клистрона в режиме синхронной настройки в основном определяется добротностью резонаторов. При расстройке резонаторов полоса пропускания увеличивается. Путем расстройки резонаторов относительно средней частоты полосы пропускания и подбора их добротностей удается синтезировать амплитудно-частотную характеристику и расширить полосу усиливаемых частот до нескольких процентов при уменьшении коэффициента усиления и выходной мощности.

Для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых клистроном, необходимо знать также фазовые характеристики, определяющие зависимость разности фаз между колебаниями на входе и выходе от различных факторов, например от ускоряющего напряжения и амплитуды входного сигнала. Ускоряющее напряжение влияет на угол пролета электронов, а увеличение сигнала приводит к асимметрии формы сгустка и, следовательно, к изменению фазового сдвига первой гармоники тока, возбуждающей выходной резонатор.

Применение многорезонаторных устройств

Многорезонаторные клистроны можно разделить на клистроны непрерывного действия и импульсные. Многорезонаторные клистроны широко применяются в выходных каскадах мощных передатчиков дециметровых и сантиметровых волн. Большое усиление, свойственное таким клистронам, позволяет использовать маломощные входные каскады, энергетические показатели которых незначительно влияют на общий КПД передатчика. Характеристики передатчика в основном определяются характеристиками оконечного каскада на клистроне.

Обычно клистроны в непрерывном режиме применяются в качестве передатчиков тропосферной связи с уровнями мощности 1—20 кВт и систем связи “Земля—спутник” с уровнями мощности до 50 кВт. Клистроны непрерывного режима работы мощностью от 50 до 500 кВт (сверхмощные) применяются для передатчиков радиолокационных станций и станций управления на межпланетных расстояниях. Клистроны для телевизионных передатчиков работают на уровнях мощности до 50 кВт*. В установках промышленного нагрева используются мощности от 1 до 50 кВт.

Многорезонаторные усилительные клистроны получили широкое распространение в качестве оконечных импульсных усилителей в передатчиках радиолокационных станций с мощностью в импульсе до 200 кВт. Сверхмощные импульсные клистроны (от 200 кВт до 30 МВт) применяются в ускорителях заряженных частиц и в системах сверхдальней локации. Коэффициент полезного действия мощных клистронов уже достигает 70 – 80% в дециметровом диапазоне. Поэтому все больший интерес приобретает проблема передачи энергии в свободном пространстве с помощью колебаний СВЧ диапазона.

В клистронных передатчиках практически возможны все виды модуляции. В многоканальных передатчиках для тропосферной связи используются как частотная, так и амплитудная модуляции. При передаче телевизионного сигнала по тропосферным радиорелейным линиям применяется частотная модуляция.

В вещательных телевизионных передатчиках на клистроне используется амплитудная модуляция, а в радиолокационных — импульсная. В клистронных передатчиках модуляция может осуществляться либо в возбудителе до клистрона и тогда клистрон является только усилителем модулированных колебаний, либо непосредственно в самом клистроне. В последнем случае на вход клистрона подаются немодулированные колебания.

Для фокусировки электронного потока чаще всего используют постоянное магнитное поле соленоида. Однако фокусирующие системы такого типа громоздки и имеют большую массу. Например, клистрон непрерывного действия мощностью 50 кВт для телевизионного передатчика имеет длину примерно 1,8 м я массу 90 кг. Масса фокусирующей системы 270 кг.

Перспективнее применять периодическую фокусировку с использованием как электростатических, так и магнитных линз, это позволяет уменьшить массу приборов. В настоящее время стали широко применяться для фокусировки постоянные магниты из высококоэрцитивных самарий- кобальтовых сплавов, что позволило существенно уменьшить массу и габариты клистронов.

Для снижения ускоряющего напряжения были разработаны многолучевые клистроны (рис. 3.13). Каждый электронный поток взаимодействует с СВЧ полем общих резонаторов. Многолучевой клистрон может быть предназначен также для получения большой мощности при заданном рабочем напряжении.

В оконечных каскадах усилителей мощности в современном телевизионном передатчике ИЛЬМЕНЬ, работающем в дециметровом диапазоне с выходной мощностью 20 кВт, использованы мощные четырех резонаторные клистроны [II].

Большой интерес представляют клистроны с распределенным взаимодействием, конструкция которых отличается тем, что выходной резонатор многорезонаторного клистрона (а иногда и промежуточные резонаторы) заменен системой из двух или нескольких связанных резонаторов. Получается многозазорный резонатор, с полей которого взаимодействует электронный поток. Клистроны с распределенным взаимодействием имеют более высокий КПД, а также более высокое произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот.

Развитие клистронов в ближайшие годы будет иметь некоторые особенности. Так, клистроны начинают оценивать не по выходным параметрам и характеристикам, а в совокупности с устройствами, необходимыми для эксплуатации. В связи с этим проводятся исследования по уменьшению массы магнитной фокусирующей системы, которая во многих случаях на порядок тяжелее клистрона – ведутся работы по снижению напряжения и тока управляющей сетки, вводимой в импульсный клистрон, так как это снижает габариты, массу и мощность модулятора, без которого не может работать импульсный клистрон.

Большое внимание уделяется повышению надежности и долговечности. Разрабатываются устройства, предохраняющие мощные клистроны от случайного и преждевременного выхода из строя во время эксплуатации. Для систем тропосферной и космической связи создаются клистроны с программированной механической перестройкой резонаторов на ряд фиксированных частот при относительно узкой ширине полосы пропускания, но с большой выходной мощностью и КПД.

Отражательный вид устройства

Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.

Клистрон имеет только один объемный резонатор 3, который должен выполнять две функции: модулировать скорость электронов и отбирать СВЧ энергию от модулированного по плотности электронного потока. За резонатором расположен отражатель 4 — электрод, на который относительно катода 1 подано отрицательное напряжение U_отр. Мощность колебаний, генерируемых клистроном, выводится из резонатора с помощью петли связи 5, переходящей в коаксиальную линию 6. Скорость электронов перед резонатором определяется напряжением U ускоряющего электрода 2.

Рассмотрим движение электронов с помощью пространственно-временной диаграммы

 Рис. 3.15

Пусть в режиме стационарных колебаний между сетками резонатора существует напряжение u₁(t). Электроны, ускоренные напряжением U, входят в зазор резонатора, модулируются по скорости электрическим полем этих колебаний и поступают в пространство между резонатором и отражателем.

Так как на отражатель подано отрицательное постоянное напряжение, электроны попадают в тормозящее электростатическое поле. Когда скорость электронов уменьшится до нуля, они начнут обратное движение к резонатору под действи того же электростатического поля, которое для них теперь является ускоряющим.

В результате движения электронов от резонатора к отражателю и обратно происходит их группирование. Электронные сгyстки образуются относительно невозмущенных электронов 2, выходящих из резонатора в момент времени, когда u₁=0 при переходе от ускоряющего к тормозящему полупериоду СВЧ напряжения.

Электрон 1, вышедший раньше и имеющий большую скорость, проникает в тормозящее поле на большее расстояние z, т. е. летит большее время, чем электрон 2, и может вернуться в зазор почти одновременно с ним. Электрон 3, выйдя из зазора позже электрона 2 и с меньшей скоростью, проникает в тормозящее поле на меньшее расстояние. Из-за уменьшения времени пролета он может вернуться в резонатор почти одновременно с электроном 2. На этом различии времен пролета ускоренных и замедленных электрон основано группирование электронного потока в отражательно клистроне.

Сгруппированный электронный поток должен возвращаться в резонатор в пределах того полупериода СВЧ напряжения на зазоре, который оказывает тормозящее действие. Тогда он отдаст часть своей кинетической энергии высокочастотному полю резонатора и поддерживает колебания в резонаторе (положительная обратная связь). Следует заметить, что полупериод, названный ускоряющим для электронов, идущих от катода, одновременно будет тормозящим для электронов, возвращающихся в резонатор под действием напряжения на отражателе.

Если электрон возвращается в резонатор при амплитудном значении тормозящего поля, то отдаваемая им кинетическая энергия максимальна. Очевидно, что сгусток отдаст наибольшую энергию СВЧ полю, если центральный его электрон (невозмущенный) приходит в момент максимума поля. Следовательно, как видно из рис. 3.15, для обеспечения этого требования для невозмущенного электрода угол пролета

О_{о опт}=2πn+3/4), (3.24)

где n=0, 1, 2, …— целое число, называемое номером зоны генерации, О_{о опт} — оптимальный угол пролета невозмущенного электрона в пространстве группирования.

Скорость электрона на выходе из зазора резонатора определяется уравнением скоростной модуляции:

 (3.25)

где v₁=M₁U₁v_e/2U; t₁ — момент прохождения электрона через центр зазора в “прямом” направлении; U₁ — амплитуда синусоидального напряжения между сетками резонатора.

Электрон со скоростью и попадает в пространство между резонатором и отражателем, где на него действует электрическое поле напряженностью Е. Считая поле между сеткой резонатора и отражателем однородным, находим напряженность электрического поля

E=(U-U_отр)/S (3.26)

где U — постоянное напряжение между катодом и резонатором; U_отр<0 — напряжение на отражателе; s — расстояние между второй сеткой резонатора и отражателем.

Под действием поля напряженностью Е электрон двигается равнозамедленно до определенной точки z=z’, в которой скорость его станет равной нулю и начнется движение в обратном направлении. Уравнение движения электрона для данного случая (электрон движется вдоль силовых линий электрического поля по оси z) можно записать

m(d²z/dt²) = -eE. (3.27)

Поместим начало координат z=0 в плоскости второй сетки. Интегрируя (3.27) и используя начальные условия: t=t₁, dz/dt=v, получим

Z = 0.5(eE/m)(t – t₁)²+v(t – t₁), (3.28)

где v — скорость электрона в плоскости второй сетки, которая определяется (3.25). Время пролета электрона в пространстве группирования от второй сетки до точки поворота и обратно можно найти из условий z=0, t=t₂. Через t₂, обозначим время возвращения электрона в плоскость рассматриваемой сетки. Применяя эти условия к (3.28), получаем два решения:

t₂ – t₁ = 0; (eE/2m)(t₂ – t₁) – v = 0

первое решение тривиально, а второе позволяет определить время пролета электронов

τ = (t2 – t1) = 2mv/eE (3.29)

Подставив в (3.29) значение Е из (3.26), получаем

τ = (2m/e)[sv/(U-U_отр)] (3.30)

Так как скорость невозмущенного электрона, находящегося в центре сгустка, не изменяется при первом прохождении высокочастотного зазора, то вместо v можно в (3.30) подставить v_e. Подставляя затем (3.30) в (3.24), получаем

 (3.31)

где f — частота генерируемых колебаний.

Формула (3.31) позволяет при данных f, s и U определить ряд значений U_отр, необходимых для получения оптимальных углов пролета, соответствующих различным номерам n. С ростом номера n необходимое абсолютное значение напряжения |U_отр| уменьшается. Этот вывод очевиден, так как, чем больше номер n, т.е. больше угол пролета θ, тем слабее должно быть тормозят поле (3.26), создаваемое отражателем. На рис. 3.16, а показаны пространственно-временные диаграммы, соответствующие оптимальным углам пролета при n=3, 2 и 1.

Передача энергии от электронного сгустка СВЧ полю резонатора должна ухудшаться, если угол пролета отличается от оптимального, и полностью прекратится, если невозмущенный электрон, являющийся центром сгустка, возвращается в резонатор в моменты нулевого поля, т. е. при θ_{0 опт} —π/2 θ или θ_{0 опт}+π/2. Β этих случаях половина электронов попадает в ускоряющее поле резонатора, а вторая половина — в тормозящее: в среднем, сколько энергии отбирается от поля, столько же передается ему потоком электронов.

Таким образом, вблизи каждого оптимального угла пролета имеется область значений ±π/2, в пределах которой возможна передача энергии от электронного тока СВЧ полю и генерация колебаний. Следовательно имеется ряд областей значений U_отр, соответствующих различным номерам n, в которых в возможна генерация колебаний. Поэтому зависимость мощности колебаний напряжения отражателя имеет зонный характер (рис. 3.16б), а номер n называется номером зоны генерации.

Параметры и характеристики. На рис. 3.16, б представлена зависимой генерируемой клистроном мощности от напряжения на отражателе. В центре каждой зоны мощность колебаний максимальна и соответствует прохождению сгустка электронов в момент максимального тормозящего поля между сутками резонатора. Из (3.31) можно получить выражение для напряжения отражателя, при котором выходная мощность максимальна (центры зон).

Вычислим разность фаз вылета электрона и его возвращения в центр зазора, воспользовавшись (3.29) и (3.26):

 (3.32)

Подставляя в (3.32) значение v из (3.25), имеем

 (3.33)

Первый член в правой части (3.33) — невозмущенный угод пролета θ, соответствующий движению от второй сетки к отражателю и обратно. Тогда (3.33) можно представить в виде

 (3.34)

где параметр группирования с учетом v₁ из (3.25)

 (3.35)

Соотношение (3.34) аналогично по форме (3.7), полученному для двухрезонаторного клистрона, но отличается от него знаком перед последним слагаемым.

Отличие в знаке объясняется тем, что группирование идет около невозмущенного электрона, смещенного на полпериода по сравнению с пролетным клистроном (см. рис. 3.3 и 3.15). Конвекционный ток отражательного клистрона рассчитывается, как в пролетном клистроне, и изменяется во времени так же, как показано на рис. 3.5. Спектр конвекционного тока аналогичен (3.14):

 (3.36)

Как и в теории пролетного клистрона, получаем выражение для амплитуды первой гармоники конвекционного тока

 (3.37)

амплитуда первой гармоники наведенного тока в выходном резонаторе

 (3.38)

где M₁ — коэффициент электронного взаимодействия.

При оптимальном угле пролета (в центре зоны) максимальная мощность электронного взаимодействия

 (3.39)

Подставляя в (3.39) амплитуду (3.38), получим

 (3.40)

Используя (3.6), выразим U₁ через параметр группирования:

 (3.41)

Подставляя в (3.40) величину (3.41) и принимая θ= θ_{0 опт}=2π(n+3/4), получим

 (3.42)

Соответственно в центре зоны максимальный электронный КПД

 (3.43)

Однако (3.42) и (3.43) дают большую ошибку при малых номеpax зон (n=0; 1), так как принятое в теории предположение U₁<<U в этом случае не выполняется.

Электронный КПД отражательных клистронов в различны зонах оказывается неодинаковым и уменьшается с ростом номера зоны n. Максимальный электронный КПД отражательны клистронов оказывается ниже, чем у пролетных клистронов. Реально достижимые значения полного коэффициента полезного действия отражательного клистрона не превышают нескольких процентов.

Одно из замечательных свойств отражательного клистрона, определивших широкое использование его в различных радиотехнических устройствах, — электронная перестройка частоты — явление изменения частоты генерируемых колебаний при изменения напряжения на отражателе или ускоряющего напряжения (рис 3.16 б).

Изменение напряжения на отражателе приводит к изменению угла пролета невозмущенного электрона и фазового сдвига между первой гармоникой конвекционного тока и напряжением на резонаторе, т.е. к изменению сдвига фазы между гармоникой, наведенного тока и напряжением. Последнее эквивалентно изменению активной и реактивной проводимостей, вносимых в резонатор электронным потоком.

Выше был рассмотрен случай, когда угол пролета был равен θ=2πn+3/4). При этом первая гармоника наведенного тока совпадает по фазе с напряжением между сетками резонатора, реактивная составляющая электронной проводимости равна нулю и частота совпадает с собственной частотой резонатора. Таким образом в центре зон частота равна собственной частоте резонатора ω

Очевидно, что изменение частоты ∆ω от значения в центре зоны ω₀ определяется фазо-частотной характеристикой резонатора, который должен скомпенсировать фазовый сдвиг, вносимый электронным потоком; ФЧХ определяется нагруженной добротностью Q_н. Чем больше Q_н, тем при меньшем изменении ∆ω можно получить то же значение реактивной проводимости, вызванное изменением напряжения на отражателе. Расчет показывает, что зависимость ∆ω от добротности и изменения напряжения отражателя, а также от значения напряжения в центре зоны U_отр для различных номеров зоны n представляется формулой,

 (3.44)

На практике используется только электронная перестройка частоты путем изменения напряжения на отражателе. Это объясняется тем, что ток в цепи отражателя равен нулю, и поэтому частотой клистрона можно управлять без затраты мощности.

Электронная перестройка характеризуется крутизной — отношением изменения частоты генерируемых колебаний к изменению напряжения на отражателе.

Из рис. 3.16 видно, что с увеличением номера зоны снижается максимальная электронная мощность в ней и возрастает крутизна кривой электронной перестройки. Электронная перестройка практически безынерционна, скорость изменения частоты ограничивается лишь переходными процессами в резонаторе и электронном потоке.

Важным параметром электронной перестройки является ее диапазон ∆f (т. е. область частот), в пределах которого электронная мощность изменяется на 3 дБ относительно максимального значения мощности в данной зоне (рис. З.16 б, в). Диапазон электронной перестройки отражательных клистронов обычно составляет около 0,5% средней частоты. Увеличить линейный участок характеристики электронной перестройки частоты около центра зоны можно путем введения дополнительного резонатора, связанного с основным.

Применение отражательных клистронов. Отражательные клистроны широко используются в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Основные преимущества их в сравнении с другими маломощными генераторами СВЧ заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют также высокую надежность и не требуют применения фокусирующих систем.

Вследствие низкого КПД отражательные клистроны не используются для получения больших мощностей. Они применяются в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре, в маломощных передатчиках, в радиорелейной, радионавигационной и телевизионной аппаратуре. В настоящее время отражательные клистроны вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ, Для генераторов радиорелейных станций они имеют повышенную выходную мощность (1—10 Вт). Для диапазона волн от 60 до 4 см изготавливаются стеклянные клистроны с внешним резонатором с широким диапазоном перестройки частоты.

Для сантиметровых и миллиметровых волн выпускаются металлические клистроны с внутренним резонатором, диапазон перестройки которых не превышает ±10%. Некоторые металлические клистроны имеют устройство для быстрой механической перестройки частоты в виде кулачкового механизма, меняющего конфигурацию стенок резонатора. Внешний вид клистрона К-108 с внутренним резонатором и волноводным выводом энергии показан на рис. 3.17. Используется в передвижных маломощных телевизионных передатчиках.

Отражательные клистроны часто используются в режимах амплитудной или частотной модуляции. Наиболее распространенным и удобным способом модуляции в отражательных клистронах является изменение напряжения на отражателе, поскольку его цепь практически не потребляет мощности. При этом ускоряющее напряжение и ток пучка могут оставаться неизменными. Переменное модулирующее напряжение подается да отражатель клистрона.

Получение только ЧМ при изменении напряжения на отражателе, как видно из рис. 3.16 — затруднительно. При изменении напряжения на отражателе наряду с частотой изменяется также и выходная мощность. Только при весьма неглубокой ЧМ в середине зоны, вблизи максимального значения выходной мощности, изменения амплитуд колебаний оказываются сравнительно небольшими. В противном случае необходим амплитудный ограничитель.

Указанных трудностей можно избежать, если для управления амплитудой и частой колебаний одновременно использовать изменение напряжений на отражателе и резонаторе. Так как частота генерируемых, колебаний зависит не только от напряжения на отражателе U_отр, но и от ускоряющего напряжения на резонаторе U, то представляется возможным при AM путем одновременного изменения по соответствующему закону напряжений резонатора и отражателя существенно снизить или даже практически устранить нежелательные изменения частоты. Однако это требует применения достаточно сложных схем.

[stextbox id=’alert’]Для повышения стабильности частоты отражательных клистронов используются стабилизирующие резонаторы с очень высокой добротностью, в том числе сверхпроводящие.[/stextbox]

В настоящее время клистронов малой мощности коснулась тенденция миниатюризации. Реализация этого направления связана не только с решение конструктивно-технологических задач, но и с освоением новых режимов работы приборов. Миниатюризация — это не только уменьшение размеров прибора, но и снижение питающих напряжений, что позволяет уменьшить габариты и массу источников питания.

Как показали исследования, для каждого значения подводимой к клистрону мощности питания Р существует низковольтная граница питающего напряжения U_{0 гр}, за которой принципиально меняется характер процессов в электронных потоках клистронов. Величина U_{0 гр} определяется формулой

U_{0 гр} = 65,9 P^2/5.

Физически это объясняется тем, что при заданной мощности снижение напряжения надо компенсировать увеличением тока, которое приведет к росту плотности пространственного заряда. При этом если не принять специальных мер, возникают специфические явления, связанные с недопустимо большим провисанием статического потенциала в потоке, нарушающим нормальную работу приборов.

Исследование природы этих ограничений позволило ученым разработать более совершенные конструкции миниатюрных пролетных и отражательных клистронов (последние получили название минитронов). Эти приборы имеют более высокие электрические параметры, чем их неминиатюрные аналоги, отличаются существенно меньшими габаритами и массой (единицы кубических сантиметров и грамм) и работают при существенно более низких напряжениях питания (десятки вольт при уровне выходной мощности в десятки милливатт).

Это интересно! Что такое диод Шоттки.

Рассмотрение этих особенностей показывает важность и необходимость освоения диапазонов СВЧ и оптического для целей многих областей науки и техники и, в частности, для целей связи. Для освоения какого-либо диапазона необходимо уметь:

• генерировать монохроматические колебания достаточной мощности;
• улавливать и усиливать радиоволны очень малой мощности, несущие полезную информацию;
• преобразовывать электромагнитные колебания одной частоты в колебания другой частоты;
• модулировать генерируемые колебания данного диапазона волн колебаниями, несущими полезную информацию;
• демодулировать принятые и усиленные радиоволны с целью выделения из них модулирующих колебаний, несущих полезную информацию.

В диапазоне СВЧ эти функции выполняют электронные и квантовые приборы СВЧ, изучение которых и является задачей данного курса. Электронными приборами СВЧ называются приборы для генерации усиления или преобразования электромагнитных колебаний СВЧ диапазона посредством взаимодействия электромагнитного поля с потоками электронов, движущимися в вакууме или твердом теле. В основе электронных приборов СВЧ лежит тот же принцип взаимодействия движущихся электронов с электромагнитным полем, что и у электронных приборов низких частот.

Но устройства этих приборов существенно различны (показать) параметры обычных электронных радиоламп с повышением частоты становятся все более неудовлетворительными из-за роста потерь мощность в проводниках и диэлектриках, из-за воздействия паразитных емкостей и индуктивностей, а также из-за возрастающего влияния электронов. Этим объясняется вынесение изучения электронных приборов СВЧ совместно с квантовыми приборами и в отдельный курс.

[stextbox id=’info’]Квантовыми приборами называются приборы для генерации усиления или преобразования электромагнитных колебаний СВЧ и оптического диапазона посредством взаимодействия электромагнитного поля с атомами, молекулами или ионами вещества. В квантовых приборах происходит передача СВЧ полю внутренней энергии атомов, молекул или ионов.[/stextbox]

Электронные и квантовые приборы СВЧ несмотря на свою молодость – история развития насчитывает соответственно около 50 и 35 лет – нашли широкое применений в радиолокационной технике и технике связи. Эти приборы работают в телевизионных передатчиках, в передатчиках и приемниках радиорелейных линий связи, в спутниковых системах связи и телевидения.

Уже сейчас сеть приемных станций “Орбита” довольно широка, широкое распространение получили спутниковые системы связи, позволяющие избирательно устанавливать двусторонние связи между любыми пунктами нашей планеты. Многим из вас как будущим инженерам радиосвязи и радиовещания придется разрабатывать, строить и обслуживать технику СВЧ. Отсюда вытекает важность изучения курса “Электронные и квантовые приборы СВЧ” в стенах нашего института.

Особенности работы СВЧ приборов

Период колебаний в СВЧ диапазон мал, и имеет порядок 10^-9 сек. Время движения носителей зарядов между рабочими электродами приборов t, и имеет такой же порядок 10^-9 сек. Таким образом, время пролета сравнимо с периодом колебаний – электронный прибор становится инерционным (причем, если t³T, то прибор становится неуправляемый).

Таким образом, время пролета необходимо делать меньше, но есть предел: уменьшение расстояния между электродами увеличивает емкость: во избежании увеличения С необходимо уменьшать площадь электронов, но это приведет к уменьшению тока и выходной мощности. Необходимо разрабатывать приборы в которых время пролета не играло вредной роли.

Любой ЭП имеет межэлектродные емкости, а любой проводник обладает индуктивностью (1 см = 10^-7 Гн). Поэтому с ростом f растут паразитные реактивные составляющие, которые приводят:

• к уменьшению входного сопротивления;
• образованию паразитных каналов (путей) прохождения сигналов по прибору, нарушающих его нормальную работу.
• специальные виды керамики с малыми диэлектрическими потерями;
• серебрение и золочение электродов.

В СВЧ диапазоне в качестве резонансных колебательных систем используют отрезки линий или полые резонаторы, которые нужно соединять с ЭП. При соединении возникают проблемы, как сделать прибор, чтобы он легко соединялся с колебательной системой? Многие приборы изготавливают с внутренней колебательной системой.

Материал по теме: Как подключить конденсатор

Устаревший клистрон советского производства.[stextbox id=’info’]Наведенный ток возникает, как только электронный слои появляется в промежутке между электродами, и исчезает, когда электронный слой достигает второго электрода. Длительность импульса наведенного тока равна времени пролета электронов. При постоянной скорости электронов (υ = const) импульс i_нав был бы прямоугольным, при линейной зависимости скорости от времени – треугольным.[/stextbox]

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

Каждая кривая строится по результатам решения уравнения движения электронов в лампе. Тангенс угла наклона касательной в любой точке пространственно-временной диаграммы определяет скорость электрона, необходимую для расчета наведенного тока.

Будем считать, что управляющая сетка настолько густа, что анод с потенциалом U_a не вызывает появления электрического поля в пространстве сетка – катод. Тогда движение электронов в этом пространстве будет определяться только напряжением на сетке Суммарное напряжение на сетке u_c(t) проходит через нулевое значение (рис. 2.2, б) в моменты t и t₃.

Предположим, что лампа отпирается при суммарном напряжении U_c1>0, т. е. ток эмиссии существует в интервале времени t₃ — t₀ . Электрон, вылетевший из катода в момент времени t , будет двигаться к сетке в ускоряющем электрическом поле (u_c > 0). И его скорость по мере приближения к сетке будет возрастать. В некоторый момент времени t₁ первый электрон достигает сетки и входит в пространство сетка – анод, где имеется ускоряющее поле, так как напряжение на аноде U_a положительно и велико. Первый электрон попадает на анод в момент времени t₂ .

На анод будут попадать также те из последующих электронов, вылетевшие из катода при положительном напряжении на сетке, которые подлетают к сетке с некоторой скоростью. Уменьшение скорости происходит вследствие уменьшения напряжения на сетке и изменения его знака после момента времени t₃. Электрон, подошедший к сетке в момент времени t₄ с нулевой скоростью (υ=dz/dt=0), начнет обратное движение к катоду, потенциал которого теперь выше потенциала сетки.

В момент времени t₅ на анод пришел последний электрон. Этот электрон прошел сетку в момент времени t₄, позже которого электроны возвращаются к катоду. Таким образом, не все электроны, начавшие движение при положительном напряжении на сетке (u_c>0), долетают до анода, часть их возвращается на катод. Чем больше время пролета электронов от катода до сетки (больше расстояние сетка – катод), тем больше электронов возвращается на катод.

[stextbox id=’info’]С помощью пространственно-временной диаграммы, рассчитанной для большого числа электронов, отличающихся моментом вылета из катода, можно в любом- сечении лампы в любой момент времени определить число и скорость электронов, а следовательно, и конвекционный ток. Затем можно вычислить наведенный ток во внешней цепи электрода.[/stextbox]

Как только первый электрон начинает в момент времени t движение от катода к сетке, во внешней цепи промежутка катод – сетка появляется наведенный ток i_к.с.нав, текущий в этой цепи от катода к сетке. Ток i_к.с.нав возрастает по мере .увеличения числа электронов в промежутке и достигает максимального значения.

Последующее убывание тока связано с уменьшением скорости электронов, а затем с изменением ее направления. Электроны, начинающие движение к катоду, создают наведенный ток другого направления (от сетки к катоду во внешней цепи). В некоторый момент времени результирующий наведенный” ток равен нулю, а затем меняет направление из-за возвращения электронов к катоду.

Аналогично наведенный ток i_к.с.нав во внешней цепи промежутка сетка – анод появляется, когда электроны начинают поступать в этот промежуток через сетку. Этот ток растет, достигает максимального значения, убывает и обращается в нуль, когда последний электрон промежутка сетка – анод достигает анода в момент времени t₅.

Проведенное приближенное рассмотрение показывает, что, если время пролета электронов сравнимо с периодом переменного напряжения, наведенный ток становится несимметричным по форме и имеет отрицательный выброс. Импульс наведенного тока в цепи анода не повторяет формы сеточного напряжения, а “затягивается” на значительную часть периода переменного напряжения, что вызывает уменьшение амплитуды первой гармоники анодного тока.

Последнее приводит к снижению полезной мощности в нагрузке на частоте приложенного сигнала или на частоте генерируемых колебаний, если лампа используется в схеме генератора. В тетроде на экранирующую сетку, расположенную между управляющей сеткой и анодом, подается положительное напряжение, сравнимое с анодным.

Поэтому электроны, прошедшие через управляющую сетку, ускоряются в промежутке между сетками, и полное время пролета от управляющей сетки до анода уменьшается. Импульс анодного тока при этом менее растянут, а электронный КПД выше, чем в триоде.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Металлические выводы ламп изготавливаются также из титана. Такие лампы называются титанокерамическими. Применение титана позволило улучшить характеристики приборов, так как при высоких температурах, развивающихся при их работе, титан обладает хорошими абсорбционными свойствами, т. е. поглощает выделяемые в лампе газы и в приборе поддерживается все время рабочий вакуум. Титанокерамические триоды имеют меньшие размеры, чем металлокерамические, при равных значениях выходной мощности.

Современные пролетные клистроны

Различаются по режиму работы (импульсный или непрерывный), выходной мощности, типу и числу резонаторов, способам фокусировки электронного потока, ввода и вывода энергии СВЧ, перестройки частоты, охлаждения и по другим особенностям. При импульсной работе частота следования импульсов обычно бывает от десятков до тысяч герц, а длительность импульса — от долей микросекунды до миллисекунд.

Пролетные клистроны разделяются на маломощные, средней мощности, мощные и сверхмощные. Мощность в импульсе у них соответственно менее 10 кВт, от 10 кВт до 1 МВт, от 1 до 100 МВт и свыше 100 МВт. Для режима непрерывной работы мощности в 1000 раз меньше. Приведенные значения мощности относятся к пролетным клистронам дециметрового диапазона волн.

На сантиметровом диапазоне они снижаются. Фокусировка электронного потока может быть электростатическая, электромагнитная (фокусирующей катушкой) или с помощью постоянных магнитов. Ввод и вывод энергии СВЧ делают коаксиальным, волноводным или комбинированным (коаксиально-волноводным). Резонаторы бывают внутренние, смонтированные в самом клистроне, и внешние.

Наиболее распространены пролетные клистроны на фиксированную частоту, но изготовляются также и перестраиваемые клистроны с механической настройкой резонаторов на различные частоты. Однако такая перестройка сложна и позволяет изменять частоту не более чем на 15%. Охлаждение мощных пролетных клистронов бывает естественным или принудительным (воздухом или водой).

Коэффициент полезного действия многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50%, но у многих типов он заметно меньше. А коэффициент усиления мощности у таких клистронов составляет иногда несколько десятков тысяч. Практически трудно получить усиление более чем в 10⁶ раз. Для мощных клистронов, особенно импульсных, требуется напряжение питания в десятки и даже сотни киловольт.

Пролетные клистроны имеют очень узкую полосу частот пропускаемых колебаний, что объясняется наличием нескольких настроенных резонаторов. Обычно полоса частот не превышает нескольких мегагерц. Путем расстройки резонаторов возможно расширение полосы частот, но с неизбежным снижением усиления. Для увеличения выходной мощности делают многолучевые клистроны, в которых через поле одних и тех же резонаторов проходят параллельно несколько электронных потоков.

Пролетный клистрон можно превратить в генератор с самовозбуждением, если установить обратную связь между выходным и входным резонаторами, соединив их коаксиальной линией. Длина линии подбирается такой, чтобы получилась нужная фаза колебаний, подводимых обратно к входному резонатору.

При этом электронные сгустки проходят через выходной резонатор за полупериоды, соответствующие тормозящему полю, и поддерживают колебания. А при противоположной фазе электронный поток будет отбирать энергию от выходного резонатора и колебания быстро затухнут.

Иногда в двухрезонаторных клистронах с общей стенкой у резонаторов Р₁ и Р₂ создают дифракционную обратную связь с пймощью отверстия в этой стенке. Однако пролетные клистроны сравнительно редко используются в качестве генераторов с самовозбуждением. А для маломощных генераторов (гетеродинов) более удобны отражательные клистроны, имеющие только один резонатор.

Заключение

Более подробную информацию о клистронах можно прочитать в скачиваемом файле Клистроны – эволюция развития. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.siblec.ru

www.tubeamplifier.narod.ru