ФОМЭ: Лекция 5 . усилительные КЛИСТРОНЫ
Клистронами называют СВЧ электронные приборы, использующие принцип скоростной модуляции электронного потока и содержащие один или несколько объемных резонаторов. Клистроны применяются для усиления, генерирования и умножения частоты СВЧ колебаний. Их колебательные системы узкополосные, и перестройка в широком диапазоне частот производится механически, изменением геометрических размеров резонаторов.
Уcтройство и принцип действия
Схема двухрезонаторного пролетного клистрона приведена на рис.1.:
1 - нить накала; 2 - катод; 3 - изоляторы; 4 - труба дрейфа; 5 - входной резонатор;6 - выходной резонатор; 7 - коллектор; 8 - вход СВЧ сигнала; 9 - выход СВЧ сигнала; 10-поток электронов.
Рис. 1
В первом резонаторе поток модулируется по скорости. Его называют модулятором. В трубе дрейфа происходит группирование электронов и модуляция по скорости преобразуется в модуляцию по плотности. Металлическая труба дрейфа экранирует поток электронов от внешних электрических полей. На рабочей частоте труба дрейфа обладает свойствами запредельного волновода, т.е. СВЧ поле в трубе дрейфа распространяется с большим затуханием, спадая экспоненциальному закону. Это исключает возможность самовозбуждения, т.е. отсутствует внутренняя связь между входом и выходом.
В выходном резонаторе кинетическая энергия сгустков преобразуется в энергию СВЧ поля. Его называют улавливателем. Если необходимо пролетный клистрон использовать в качестве генератора, следует применить внешнюю цепь ОС, которая представляет собой последовательное соединение фазовращателя и аттенюатора. Процесс группирования электронов удобно представить пространственно - временной диаграммой (рис. 2).
|
Рис. 2 |
В нижней части изображено изменение напряжения между сетками первого резонатора. Верхняя часть диаграммы иллюстрирует движение электронов в пространстве дрейфа. Линии движения ускоренных электронов наклонены к оси абсцисс под большим углом. Линии движения электронов, прошедших зазор резонатора во время тормозящего поля, образуют с осью абсцисс меньший угол. Не получили ускорения электроны 1, 5, 9. Соответствующие им линии движения параллельны. Параллельны и линии соответствующие замедленным электронам 2 и 4. Но более всего получил торможение электрон 3 (его характеристика самая пологая). Линии движения электронов 6 и 8 также параллельны. Они ускорены, но самый скоростной электрон - 7.
Можно заметить, что электроны группируются в некотором объеме и группирование не идеальное (нет такой плоскости, где, все электроны сошлись бы в одной точке). В плоскостьb электроны приходят с некоторым запозданием относительно плоскости a. Во-первых, это говорит о том, что место расположения второго резонатора имеет некоторую протяженность. Во-вторых, раз группирование не идеальное, то это значит, что получить максимальную энергию от потока невозможно.
Вместе с тем, теоретический анализ позволяет найти такой вид входного напряжения, который мог бы сделать группирование 100%. Наибольшую мощность в выходном резонаторе дает d-импульс тока, из сигнала которого можно выделить первую гармонику основной частоты. Но возникает проблемы получения входного напряжения сложной формы на практике. Теоретически можно взять нелинейные элементы и обогатить спектр сигнала (добавить высшие составляющие). Однако в приборах с кратковременным взаимодействием обязательно использование высокодобротных резонаторов, так как только они могут обеспечить эффективное взаимодействие достаточно большого по амплитуде электромагнитного поля и электронного потока.
На расстоянииz=a ... z=b происходит группирование одних электронов в сгусток, в то время, как другая часть электронов разгруппировывается. В дальнейшем, в результате сохраняющегося различия скоростей начинается разгруппирование сгустков электронов.
Мощность колебаний, установившихся во втором резонаторе, превышает мощность колебаний, подводимых к модулятору: происходит усиление СВЧ сигнала за счет энергии источника постоянного напряжения. Электронный поток служит для передачи этой энергии переменному полю второго резонатора, а процесс модуляции электронов по скорости и группирования их в сгустки необходим для рациональной передачи этой энергии .
Электроны, входящие в зазор модулятора
двухрезонаторного клистрона со скоростью V0 = Ö2eU0/m, ускоряются или замедляются в соответствии с
мгновенным значением переменного напряжения u=U1msin(wt). Поэтому для скорости электрона, прошедшего сетки
модулятора, можно записать выражение:
V1 = Ö2e( U0 + U1m sin wt)/m = V0 Ö1 + (U1m sin wt)/U0 . (1)
Так как U1m << U0, то (U1msin(wt))/U0 << 1. Конечное время пролета электронов между сетками модулятора влияет на процесс модуляции электронного потока.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
