Электронная настройка и электронный гестерезис

Электронная настройка – это изменение частоты колебаний, генерируемых ОК, при изменении напряжений на отражателе или резонаторе ( и ).

Связь между частотой автоколебаний и параметрами резонатора и пучка определяется общим уравнением:

Подставим в это уравнение величины активной и реактивной -ных проводимостей клистрона ( и ), получим:

(1)

В центре каждой зоны f колебаний не отличается от резонансной частоты , поскольку в этом режиме:

Рассмотрим теперь, как изменится частота колебаний, если угол пролета отклоняется от оптимальной величины в пределах зоны генерации клистрона.

Положим:

где: - приращение суммарного угла пролета, обусловленное изменением ускоряющего напряжения или напряжения на отражателе . Тогда уравнение (1) может быть переписано в виде:

(2)

Для практических целей более удобно выразить зависимость частоты генерации от одного из постоянных напряжений. Т.о. можно говорить об электронной перестройке ОК в зависимости от напряжения и :

при

при

Нагрузка клистрона и ток пучка при этом предполагаются неизменными.

Метод изменения за счет изменения имеет существенный недостаток – потребление значительной мощности от источника управляющего напряжения, (эта электронная перестройка не отличается от электронной перестройки в двухрезонаторных клистронных генераторах)

Управление частотой колебаний изменением более удобно, т.к. при достаточно высоком отрицательном напряжении , ток отражателя практически равен нулю. Благодаря этому отсутствует потребление мощности. Рассмотрим этот тип электронной перестройки.

Рассмотрим изменение угла пролета при изменении относительно центра зоны на величину . В центре каждой зоны:

.

Угол полета в зазоре резонатора не зависит от напряжения .

C учетом уравнения для пролета пространства: отражатель – 2-я сетка:

где: - постоянная скорость.

При можно записать:

или:

Пренебрегая малой величиной при получим окончательно из (2):

(3)

Уравнение (3) показывает, что колебаний изменяется в пределах зоны генерации по закону тангенсоиды. Увеличению абсолютной величины (т.е ) соответствует рост частоты как изображено на рис. 8(а).

Рис. 8(а).

С физической точки зрения такой ход зависимости легко понять, учитывая, что при повышении отрицательного напряжения сгустки e проходят через зазор несколько раньше момента max тормозящего поля.

Следовательно, увеличение абсолютной величины приводит к отставанию наведенного тока от напряжения. Это равноценно появлению индуктивной составляющей наведенного тока; частота колебаний должна повыситься.

Наглядной физической аналогией является режим колебаний маятника, который подталкивают при каждом колебании несколько раньше того момента, когда груз маятника должен оказаться в крайнем верхнем положении. Как известно, частота таких вынужденных колебаний выше собственной частоты колебаний маятника.

Важным параметром ОК является крутизна электронной перестройки на участке линейного изменения частоты вблизи центра зоны генерации.

Под крутизной e-й настройки понимают изменение частоты генерируемых колебаний при изменении на 1 В.

При малом изменении , () тангенс в уравнении (3) может быть заменен его аргументом. Обозначая через изменение частоты () в сравнении с частотой колебаний, генерируемых в центре зоны, имеем из (3):

(4)

Max крутизна e-перестройки достигается при наиболее высоких значениях n, возможных для данного клистрона.

С уменьшением номера зоны (n) крутизна e-перестройки падает, как показано на рис. 8(б).

Рис. 8(б).

Уравнение (4) позволяет также сделать вывод о том, что крутизна e-перестройки у «низковольтных» клистронов, работающих при малых и больше, чем у «высоковольтных» ОК. Далее, крутизна e-перестройки тем больше, чем выше рабочая частота ОК и чем меньше нагруженная добротность () его резонатора. Т.о. при усилении связи клистрона с нагрузкой, т.е. при увеличении активной проводимости нагрузки , кривая e-перестройки становится всё более крутой. Напоминаю, что одновременно изменяются генерируемая мощность и ширина зоны. Чем сильнее связь нагрузки с резонатором, тем более узкой является зона генерации .

Рис. 9. Генерируемая P и e-перестройка одной из зон генерации ОК.

Мощность в центре зоны с увеличением связи с нагрузкой сначала возрастает, а затем пройдя через max, постепенно падает до «0», как изображено на рис.9.

1 – слабая связь с нагрузкой (высокая ).

2 – сильная связь (низкая ).

3 – промежуточный случай, соответствующий max генерируемой мощности.

Для ряда практических применений большую роль играет max возможное изменение частоты в пределах одной зоны генерации ОК. Дело в том, что одновременно с изменением частоты при e-перестройке изменяется и генерируемая мощность. Обычно удается использовать лишь ту часть кривой , в пределах которой эта мощность изменяется не более чем в 2 раза, т.е. на 3 дБ от max мощности в центре зоны.

Под диапазоном e-й настройки подразумевается изменение частоты генерируемых колебаний между точками половинной мощности.

Расширение диапазона e-перестройки может быть достигнуто:

- использованием полых резонаторов или других, более сложных колебательных систем с возможно более низкой и с малой ёмкостью C.

- увеличение рабочего тока с снижением ускоряющего , т.е. использованием пушок с высокой величиной первеанса.

- работой в зонах генерации с большими номерами n.

Следует отметить, что некоторые из этих требований являются взаимно противоречивыми.

В частности, уменьшение сосредоточенной ёмкости полого резонатора потребовало бы увеличения величины зазора d, что повлекло бы снижение коэффициента связи M или потребовало бы увеличения ускоряющего напряжения . Третье требование явно противоречит условию достижения max и КПД. Поэтому, выбор N рабочей зоны приходится производить из компромисса между величинами и диапазона e-перестройки, в зависимости от того, какой из этих параметров является более важным для данного практического применения.

Выпускаемые в настоящее время ОК имеют диапазон e-перестройки в рабочей зоне порядка 15-20 МГц при см диапазон e-перестройки составляет обычно 30-60 Мгц.

Механическая перестройка самостоятельно!

В некоторых типах клистронов возникают явления, срывающие нормальные действия e-настройки. Они состоят в том, что при изменении напряжения на отражателе в одну сторону колебания срываются скачком, что показано на рис 10.

Рис 10.

При увеличении колебания возникают при более отрицательном напряжении на отражателе. Это явление называется электронным гистерезисом. Вызывается оно многократным пролетом электронов между сетками резонатора.

Рис.11.

В общем случае e-й поток может долго колебаться в пространстве резонатора. Может быть так, что e и не осядут на стенки резонатора, тогда они подойдут к катоду и повернут обратно (поток 3 на рис.11). Предположим, что работаем в центре зоны генерации, e поток проходит между стенками резонатора и группируется в сгустки. Возвращаясь обратно от отражателя они отдают энергию ВЧ-полю в промежутке . Часть электронов, пролетавшая и не осевшая на стенки, движется к катоду, продолжая группироваться, эта же часть e потока, двигаясь от катода к сеткам, также продолжает группироваться. Т.о. проходя через зазор в третий раз e-поток будет сильно перегруппирован и влияния на работу резонатора не окажет. Это будет, если мы работаем в центре зоны генерации. Если мы работаем на краю зоны генерации, то амплитуда ВЧ поля в зазоре невелика и поток проходя через зазор 2-й раз может быть недогруппирован. Но идя к катоду и обратно (К – сетка) он продолжает группироваться и может быть, что проходя через зазор 3-й раз e поток будет сгруппирован более оптимально, чем проходя 2-й раз. Исходя из вышесказанного может быть две ситуации:

1. Возвращающиеся от катода e-сгустки могут попасть в тормозящую фазу ВЧ-поля и отдадут резонатору дополнительную энергию, т.е. возрастает мощность, отдаваемая в нагрузку и КПД.

2. Возвращающиеся e сгустки попадают в ускоряющую фазу поля, тогда энергия поля будет тратиться на ускорение этих сгустков, и, если мощность затраченная на ускорение сгустков превысит мощность, полученную за счет торможения сгустков, идущих от отражателя 2-й раз, то наступит срыв генерации.

Т. о. электронный гистерезис сужает электронную настройку.

Способы борьбы с электронным гистерезисом:

- чтобы е, возвращающиеся от отражателя полностью оседали на стенках резонатора сетки делают разного диаметра, т. е. делается большего диаметра чем

- делают фонтанирующий е-поток, для этого в отражатель ставят штырь

- чтобы исключить центральные е, идущие по оси, на катоде ставят выступ, который не эмиттирует е.

Рис. 12.

Дата добавления: 2015-07-12