Усилительные клистроны. Двухрезонаторный усилительный клистрон, страница 5

Зона генерации - это область изменения потенциала  отражателя, в которой наблюдается автогенерация.  Максимальный номер реализуемой зоны генерации будет ограничиваться  попаданием электронов на отражатель.                                                                                                                                                            

Угол пролета электронов - угол пролета невозмущенного (непромодулированного по скорости) электрона:

Q₀ = w t₀= 2p( n+ 3/4),   t₀ = Т(n+3/4),                                                    

где  t₀ - время пролета, n = 0,1,2,3,¼ - целое число, соответствующее номеру зоны генерации.

Рис. 11. Пространственно - временная диаграмма группирования электронов

На рис. 11 на оси ординат верхнего графика отложено  расстояние от резонатора в направлении отражателя, по оси абсцисс - фаза колебаний. На нижнем  графике  представлено  высокочастотное переменное напряжение в зазоре между сетками резонатора. Кривые представляют собой линии движения: 1 - максимально  ускоренных электронов; 2 - электронов, не получивших изменения скорости; 3 - наиболее замедленных  электронов. Максимальный номер зоны генерации определяется нулевым потенциалом отражателя, он ограничивается попаданием электронов на отражатель.

Для всех зон разные углы пролета (рис. 12).  Чем больше номер зоны, тем меньше генерируемая мощность. Для n=0  либо нет генерации, либо мощность меньше, чем мощность в первой зоне. Если сгусток приходит в максимум тормозящего поля, то к генерируется максимальная мощность для данной зоны. Частота генерации в центре любой зоны строго  равна частоте настройки резонатора.

Для самовозбуждения клистрона необходимо, кроме соблюдения фазового условия генерации, иметь определенную плотность  электронных сгустков. Нужно,  чтобы  энергия,  передаваемая  электронными сгустками полю СВЧ резонатора, превышала потери в резонаторе. Типичная зависимость генерируемой клистроном мощности  от  напряжения отражателя имеет вид, представленный на рис. 12.

Рис. 12

Колебания в зоне с нулевым номером обычно не возникают. Ширина зон генерации зависит от особенностей процесса группирования и  нагрузки  клистрона.

Cдвиг фазы между током и напряжением в резонаторе.

 j_рез = q₃ -  q₀,                                                  где  q₃ - реальный угол пролета сгустка электронов.

Если сгусток попадает в центр резонатора то  j_рез равен нулю.

Самовозбуждение отражательного клистрона (ОК) возникает за  счет флуктуации электронного потока. Процесс непрерывно возрастает до установившегося. Для того чтобы автогенерация возникла, нужно: I₀ ³ I_{0 пуск} . Плотность электронного потока должна быть достаточна высока. Чем больше n, тем меньше нужен пусковой ток. Для высших зон генерации условия самовозбуждения облегчается. Для n = 0   у большинства ОК автогенерация не возникает.

Оптимальный параметр группирования реализуется при определенной нагрузке. И он выполняется только для одной конкретной оптимальной зоны. Для других зон оптимальность нарушается. Поэтому максимальная зона генерации не обязательно является нулевой и первой. Может быть, что первая зона имеет меньшую мощность.

Мощность, отдаваемая электронным потоком с увеличением n падает, так как ухудшаются условия группирования электронов (электроны летят более длительное время). Рассмотрим уменьшение амплитуды генерируемого сигнала при изменении номера зоны генерации .

Генерируемая мощность . Ток катода I_{0 кат} = const. Если считать, что во всех зонах достигается оптимальный параметр группирования, то  I_~=const (конвекционный ток электронов).      Но ОК - это прибор, имеющий внутреннюю ПОС. Если амплитуда тока остается одинаковой для всех зон, тогда для формирования сгустков при разных углах пролета должны быть различные амплитуды переменной  составляющей напряжения, т.е. U_~ падает с ростом n.