Исследование генератора на отражательном клистроне

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЧ

2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА НА ОТРАЖАТЕЛЬНОМ КЛИСТРОНЕ

1. Цель работы

Изучить особенности работы отражательного клистрона  в  режиме генерации и исследовать его основные параметры.

2. Измеряемые параметры

Отражательные клистроны являются маломощными генераторами  СВЧ

и широко применяются в различных областях  радиотехники.  Принципиальное устройство отражательного клистрона показано на  рис. 8.

Основными его частями являются: 1 - электронная пушка,  состоящая из катода и фокусирующего электрода; 2 - объемный резонатор; 3  - отражатель.

Рис. 8. Устройство и распределение потенциала

между электродами отражательного клистрона

На резонатор относительно катода подается положительное  ускоряющее напряжение Uo, на  отражатель  -  тормозящее  Ur. "Заземляться" могут как резонатор, так и катод прибора в зависимости от конкретной конструкции клистрона. Если резонатор имеет  гальванический контакт с трактом, то он должен быть  обязательно  "заземлен". На рис.8 приведено  примерное  распределение  потенциала  в пространстве между электродами клистрона. На расстоянии Lo от резонатора имеется плоскость нулевого  потенциала.  Когда  клистрон возбужден, в плоскости нулевого потенциала будут изменять направление своего движения электроны, которые не  взаимодействовали  сполем резонатора.

Принцип действия  отражательного  клистрона  следующий.  Поток электронов, ускоренный положительным напряжением резонатора Uо ,проходит через резонатор. При этом принимается, что между  сетками резонатора имеется установившееся напряжение  колебаний  высокой частоты ( слабые колебания всегда  существуют  из-за  наличия шумовых флуктуаций ). Высокочастотное электрическое поле  резонатора модулирует электронный поток по скорости. Двигаясь по  инерции дальше, электроны поступают в пространство  резонатор-отражатель ( пространство группирования ), где  испытывают  торможение, поскольку на отражателе имеется  отрицательный  потенциал.  После полной остановки электроны изменяют направление своего движения и возвращаются обратно, проходят второй раз между сетками резонатора. Так как ускоренные полем СВЧ электроны находятся в  пространстве группирования более длительное время, то на обратном пути  к резонатору они сближаются с эамедленными  электронами,  вышедшими из резонатора позже. В результате в электронном  потоке,  возвращающемся в резонатор, образуются сгустки электронов. Таким  образом, модуляция по скорости переходит  в  модуляцию  по  плотности электронного потока. Для поддержания колебаний в резонаторе необходимо, чтобы сгустки электронов проходили через резонатор в  такие моменты времени, когда поле между сетками  является  для  них тормозящим. При этом кинетическая энергия движения  сгустков  будет переходить  в  энергию  электромагнитных  колебаний.  Процессгруппирования в отражательном клистроне  может  быть  представлен наглядно на пространственно-временной диаграмме движения электронов ( рис. 9 ).

На этом рисунке 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.

Рис. 9. Пространственно-временная диаграмма

группирования электронов

Кривые представляют собой линии движения: 1 - максимально  ускоренных электронов; 2 - электронов, не получивших изменения скорости; 3 - наиболее замедленных  электронов.  Приход  сгустков  в тормозящую фазу будет выполняться при

to = T( n + 3/4)  ;  Фo = wo to = 6.28 ( n + 3/4) [рад]  (1)

где T - период колебаний СВЧ; w - частота колебаний; to  -  время пролета электронов от резонатора к отражателю и обратно к резонатору; Фo - угол пролета; n =  0,1,2,3...-  целое  число,  которое соответствует номеру зоны генерации.

Зона генерации - это область изменения потенциала  отражателя,в которой наблюдается автогенерация. Записанные условия (1) относятся к центрам зон генерации, поскольку соответствуют  попаданию электронных сгустков в максимум  тормозящего  поля.  Максимальныйномер реализуемой зоны генерации будет ограничиваться  попаданием электронов на отражатель.

Для самовозбуждения клистрона необходимо, кроме соблюдения фазового условия генерации, иметь определенную плотность  электронных сгустков. Нужно,  чтобы  энергия,  передаваемая  электроннымисгустками полю СВЧ резонатора, превышала потери в резонаторе. Типичная зависимость генерируемой клистроном мощности  от  напряжения отражателя имеет вид, представленный на рис. 10.  Колебания в зоне с нулевым номером обычно не возникают. Ширина зон  генерации зависит от особенностей процесса группирования и  нагрузки  клистрона.

Рис. 10. Зависимость генерируемой мощности от напряжения отражателя

В пределах каждой зоны имеет место изменение  частоты  генерации