Расчет и оптимизация электронно-оптической системы мощного широкополосного клистрона

Введение

В качестве мощных выходных усилителей в СВЧ диапазоне, несмотря на растущую конкуренцию твердотельных устройств (ТТУ), широко применяются электровакуумные приборы (ЭВП), которые особенно в коротковолновой части СВЧ диапазона не имеют серьёзной альтернативы со стороны ТТУ. В длинноволновой части диапазона: в области больших мощностей  ЭВП так же не имеют конкурентов. В ряде случаев, где существуют альтернативные варианты, связанные с применением ТТУ электровакуумные приборы являются более предпочтительными  по сочетанию таких параметров, как тепловая и радиационная устойчивость, коэффициент полезного действия (КПД) и массогабаритные характеристики.

Усилительные клистроны (УК) являются одним из основных типов мощных электровакуумных усилителей, используемых в СВЧ технике. Они могут быть использованы в диапазоне от дециметровых до миллиметровых длин волн в непрерывном или импульсном режимах с реальным КПД порядка 30÷50% и коэффициентом усиления 30÷50 дБ. Мощность клистронов может быть от единиц Вт до ГВТ в дециметровом и до единиц кВт в миллиметровом диапазонах длин волн.

Клистроны применяются как оконечные усилители в радиолокационных станциях (РЛС), тропосферной связи, телевидении, в научных и медицинских ускорителях и т.п.

Существенный вклад в теорию и практическое применение усилительных клистронов внесли сотрудники СПБГУТ им. профессора М. А. Бонч-Бруевича д.т.н А.З. Хайнов, д.т.н. Ю.Л. Бобровский и др.

В настоящей работе проведено исследование возможности создания импульсного усилительного клистрона десяти сантиметрового диапазона длин волн, с выходной импульсной мощностью не менее 5 кВт, полосой усиливаемых частот не менее 180 МГЦ(6%), фокусировка электронного потока в котором осуществляется постоянными магнитами.

1.Принцип работы усилительного клистрона.

Усилительный клистрон относится к ЭВП с линейным лучом. Эти приборы (клистроны, лампы бегущей и обратной волны) содержат электронную пушку и систему фокусировки для получения длинного, обычно, цилиндрического электронного потока. Скорости электронов в потоке определяются напряжением, существующим между катодом и анодом (высокочастотная колебательная система) и напряжением на подогревателе.

Электронный поток проходит через высокочастотную колебательную систему. В случае клистрона она состоит из нескольких резонаторов, имеющих зазоры (области взаимодействия) с сосредоточенным электрическим полем. Первый резонатор клистрона возбуждается внешним источником СВЧ сигнала.

Проходя через зазор первого резонатора электронный поток  модулируется по скорости. В пространстве между резонаторами (пролётной трубе) происходит процесс группирования электронов в сгустки за счёт разных дополнительных скоростей, приобретенных в зазоре.

Электронные сгустки наводят напряжение и модулируются этим напряжением в последующих резонаторах, по мере прохождения которых происходит уплотнение сгустков. На входе в последний(выходной) резонатор амплитуда I гармоники сгруппированного тока может достигать величины (1,4÷1,8) I₀ , где I₀ – ток луча. В выходном резонаторе происходит торможение электронного потока и передача СВЧ энергии через систему связи в нагрузку

Источники питания УК более простые, чем у других типов ЭВП СВЧ (например, ЛБВ) на рис.1 приведена схема включения УК.

2. Основные направления совершенствования

Недостатками УК являются:

- сравнительно узкая полоса усиливаемых частот;

- высокое ускоряющее напряжение;

- наличие фокусирующей системы, которая в некоторых случаях определяет вес и габариты всего устройства.

До настоящего времени проводились и проводится работы по расширению эксплуатационных возможностей УК, в частности по уменьшению влияния приведенных выше недостатков.

Идея применения в УК нескольких лучей, с целью снижения напряжения, была предложена В.Ф. Коваленко в 1940г. однако, широкое распространение она получила после создания С.В. Королёвым в НИИ «Исток» первого многолучевого УК с блоком резонаторов, работающих на основном виде колебаний [1]. Применение многолучевой оптики позволило снизить напряжение, расширить полосу усиливаемых частот, уменьшить габариты и вес приборов.