Многорезонаторные пролетные усилительные клистроны.

Одним из путей повышения коэффициента усиления является каскадное включение обычных двухрезонаторных клистронов.

Рис 4.15

При рассмотрении такого включения возникает мысль объединить второй резонатор первого каскада с первым резонатором второго каскада.

Такой объединенный клистрон должен обладать следующими преимуществами:

1. Повышение общего коэффициента за счет уменьшения числа резонаторов и потерь в промежуточном резонаторе.

2. Снижение мощности источника питания за счет использования одного и того же электронного потока.

3. Упрощение настройки за счет меньшего числа резонаторов.

В дальнейшем мы увидим, что многорезонаторные клистроны имеют и другие, еще более важные преимущества.

Процесс образования сгустков в промежутках дрейфа многорезонаторного клистрона принято называть каскадной группировкой, отличающейся от группировки в двухрезонаторном клистроне.

Рассмотрим для простоты трехрезонаторный клистрон: (рис 4.16).

Рис. 4.16

Предположим, что промежуточный резонатор точно настроен на частоту входного сигнала и прямая электромагнитная связь между всеми резонаторами отсутствует. Первый резонатор модулирует электронный поток по скорости. Если входной сигнал мал, то во второй резонатор поступает слабо сгруппированный электронный поток. При прохождении электронных сгустков через второй резонатор в поле появляется наведенный ток. Так как проводимость второго резонатора определяется только собственными потерями и электронной нагрузкой зазора даже при малом наведенном токе амплитуда переменного напряжения будет больше, чем в первом резонаторе. Так как резонатор настроен в резонанс для момента прохождения сгустков автоматически устанавливается максимум тормозящего поля. Рассмотрим пространственно-временную диаграмму: (рис 4.17)

Рис. 4.17

В двухрезонаторном клистроне сгусток образовался вокруг электрона «1». Напряжение па втором резонаторе в свою очередь проводит скоростную модуляцию электронного потока. Эта дополнительная модуляция во втором зазоре отстает по фазе на от модуляции, полученной в первом зазоре. После прохождения через второй зазор электрон типа «1» перестает быть центром сгустка. Электрон «4», который был наиболее неблагоприятным при группировке в первом пространстве дрейфа после прохождения второго зазора приближается к центру сгустка.

Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона. В общем случае все резонаторы, кроме последнего следует рассматривать как сложный многорезонаторный группирователь, определяющий конвекционный электронный ток в выходном зазоре.

Различают два режима работы многорезонаторных клистронов:

1. Режим максимального коэффициента усиления, когда все резонаторы настроены точно на усиливаемую частоту . При этом входной сигнал очень мал. При большом входном сигнале сгустки, приходящие в выходной резонатор оказываются перегруппированными.

2. Режим максимальной выходной мощности и максимального КПД. Соответствует случаю расстройки промежуточных резонаторов. Рассмотрим усиление слабого сигнала (первый режим синхронной настройки). В этом случае вместо параметра группирования для двухрезонаторного клистрона в формулу для коэффициента усиления можно подставить эффективный параметр группирования, определяемый соотношением

где - параметр группирования, если модуляция по скорости происходит в первом резонаторе, а промежуточный второй резонатор отсутствует;

- параметр группирования, если модуляция по скорости производится в промежуточном резонаторе; - углы пролета между первым и вторым и между вторым и третьим резонаторами соответственно.

При усилении слабого сигнала без промежуточного резонатора параметр мал и не может быть сделан большим при увеличении длины клистрона (угла пролета), так как при слабой модуляции по скорости наиболее резко проявляется ухудшение группирования из-за влияния сил расталкивания в пучке. Однако при наличии промежуточного резонатора с высокой добротностью вследствие большой величины , т.е. группирование практически происходит в пространстве между вторым и третьим резонаторами, т.е. . Максимальная выходная мощность в третьем резонаторе получается при оптимальном параметре группирования , как в двухрезонаторном клистроне используем ранее полученную формулу для коэффициента усиления по мощности.

,

в которой произведены замены:

В режиме линейного усиления: ;

имеет наибольшую возможную величину и равен:

.

Таким образом, коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона в - раз больше, чем у двухрезонаторного.

Коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона при слабом сигнале составляет 30-35 дБ. Дальнейшее увеличение числа резонаторов приводит к дополнительному возрастанию примерно на 20 дБ на каждый добавленный резонатор

Обычно из-за паразитных обратных связей, которые могут привести к самовозбуждению усилителя.

Рассмотрим режим максимальной выходной мощности в многорезонаторном клистроне. Гармоническая форма напряжения на первом резонаторе двухрезонаторного клистрона соответствует неполному группированию электронного потока в пространстве дрейфа. Для полного группирования форма напряжения должна быть пилообразной следующего вида (рис 4.18).

Рис. 4.18

Получение такой формы напряжения невозможно из-за фильтрующих свойств резонатора.

Вернемся к пространственно-временной диаграмме группирования в трехрезонаторном клистроне. При слабом входном сигнале электроны приходят ко второму резонатору очень слабо сгруппированными около невозмущенного электрона «1». Большому сигналу соответствует хорошая группировка относительно электрона «1» Однако относительно поля второго резонатора невозмущенным оказывается другой электрон, приходящий позже электрона «1» на четверть периода . Таким образом, центр приходящего ко второму резонатору сгустка сильно смещен относительно электрона, вокруг которого будет производить группировку второй резонатор. В результате этого смещения происходит разгруппировка ранее сгруппированных электронов около электрона «1». Чтобы сохранить электроны в уже имеющемся сгустке, необходимо каким то образом совместить сгусток с невозмущенным электроном для второго резонатора. Это совмещение можно обеспечить расстройкой второго резонатора, причем его резонансная частота должна быть выше частоты сигнала. Очень большой расстройке соответствует требуемый сдвиг фазы между током и напряжением резонатора. В этом случае центральный электрон прежнего сгустка «1» оказывается не возмущенным для второго резонатора. Однако сдвиг фазы невыгоден из-за сильного уменьшения и резко уменьшающегося взаимодействия электронного потока со вторым резонатором. Следовательно, необходимо установить меньший сдвиг фазы, при котором напряжение будет достаточным для эффективного группирования. Зависимость эффективного параметра группирования Х_эф от величины расстройки второго резонатора при большом сигнале имеет вид рис. 4.19

Рис. 4.19

Величина оптимальной расстройки составляет десятые доли процента. При малом сигнале и группировка определяется исключительно параметром Х₂₃.

Амплитудные характеристики многорезонаторного клистрона имеют различный вид для режима синхронной настройки резонаторов (кривая 1) и для режима получения максимальной мощности и КПД (кривая 2).

Рис 4.20

Крутизна начального участка характеристики 1 велика, так как наибольший коэффициент усиления получается при малом сигнале и синхронной настройке резонаторов. Участок с большим значением мощности невелик. Характеристика 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Начальный участок имеет меньшую крутизну (меньший коэффициент усиления), но область насыщения оказывается широкой. В режиме синхронной настройки ширина полосы пропускания определяется добротностями резонаторов и меньше, чем при расстройке резонаторов.

Дата добавления: 2015-07-12