Устройство и принцип действия пролетного усилительного клистрона. Классификация клистронов.

Принцип динамического управления электронным потоком наиболее наглядно иллюстрируется работой усилительного клистрона.

Рис. 4.1

1. электронная пушка

2. входной резонатор

3. выходной резонатор

4. пространство группирования

5. коллектор

Ко входной сетке первого резонатора подходит поток электронов, имеющих одинаковые скорости

.

На первый резонатор подается СВЧ сигнал и между сетками резонатора имеется переменное СВЧ напряжение с амплитудой U1.

Пролетая первый резонатор, электроны приобретают модуляцию по скорости: электроны пролетевшие резонатор при положительной полуволне СВЧ напряжения увеличивают свою скорость, при отрицательной полуволне – уменьшают

Переменная составляющая скорости равна:

,

где – момент прохождения сетки , - угол пролета между сетками первого резонатора, - параметр скоростной модуляции

- коэффициент электронного взаимодействия.

Рис 4.2

В пространстве группирования в трубе дрейфа, экранирующей электронный поток от внешних полей ранее вылетевшие ускоренные электроны догоняют позже вылетевшие замедленные и модуляция по скорости преобразуется в модуляцию по плотности электронного потока, т.е. электроны группируются в сгустки через второй, выходной резонатор проходят уже сгруппированные электронные сгустки, которые наводят в нем ток и отдают свою энергию резонатору. В результате СВЧ сигнал усиливается.

Поясним группирование пространственно-временной диаграммой (рис.4.3).

Рис 4.3

Z – расстояние вдоль траектории группирования.

Сгустки образуются вокруг электронов не получивших приращения скорости, тех которые проходят зазор резонатора в момент перехода СВЧ поля от тормозящего к ускоряющему. Конвекционный ток в конце пространства дрейфа равен (разложенного в ряд Фурье)

,

где:

- - постоянная составляющая тока на выходе из первого резонатора;

- - коэффициенты токопрохождения сеток;

- - параметр группирования;

- - угол пролета в пространстве группирования для электронов, не получивших скоростной модуляции;

- – длина пространства группирования;

J_n(nX) – функция Бесселя первого рода n – ного порядка от аргумента nХ.

Амплитудное значение гармоники с номером n будет равно:

Функция для первой гармоники тока достигает максимального значения 0,58 при Х = 1,84. Этому параметру группирования соответствует максимальное значение амплитуды первой гармоники тока.

Если бы все электроны приходили в точку группирования одновременно (происходило бы полное группирование) I₁=2I₀₂. Амплитуды высших гармоник n>1 очень слабо уменьшаются с ростом номера гармоники, т.е. спектр тока богат гармониками:

Амплитуда тока, наведенного в зазоре второго резонатора, будет равна

,

где: .

Приведенные формулы получены в рамках кинетической теории, не учитывающей влияние объемного заряда электронного пучка.

Учет влияния объемного заряда на процессы группирования можно осуществить путем умножения параметра группирования Х на коэффициент электронно-волнового воздействия М_р

,

где:

- параметр группирования с учетом пространственного заряда;

- плазменная частота; ;

- плотность объемного заряда;

- невозмущенная скорость электронов.

Выражения для параметра группирования можно переписать в виде

,

из которого следует, что зависимость имеет вид синусоиды, максимум которой наблюдается при:

,

когда и .

Если , то максимальная амплитуда первой гармоники тока , а ,

если > 1.84, то значение, требуемое для оптимума первой гармоники тока значение по-прежнему определяется из условия .

Таким образом, силы объемного заряда ухудшают группирование. Пространственно-временная диаграмма с учетом электронно-волнового механизма группирования имеет вид рис 4.4.

Рис 4.4

Здесь электроны не сближаются в одну точку, т.е. проходят «друг сквозь друга», как это было в кинематической модели, а сблизившись на какое то расстояние начинают расталкиваться под влиянием кулоновских сил. При малых плотностях тока, когда мало и М_р = 1 при любых электронно-волновой механизм не проявляется и кинематическая модель близка к действительности.

Если выходной резонатор настроен на частоту следования электронных сгустков, то в нем возникнут интенсивные колебания. Между сетками возникает электрическое поле, фаза которого противоположна фазе следования сгустков. Происходит торможение сгустков и передача энергии в резонатор. В другой полупериод электронов мало и отбираемая ими у резонатора энергия меньше. Между сетками g₂ и g₄ отбирается только энергия переменного поля, а оставшаяся энергия постоянного поля выделяется на коллекторе.

Электронный поток вносит в резонатор комплексную проводимость аналогично тому, как это происходит в монотроне

,

где:

- проводимость электронного потока по постоянному току;

- используемый угол пролета в резонаторе.

Рис 4.5

Угол пролета через зазоры резонаторов выбирается обычно в пределах до . Поэтому величина G_ен является положительной и при большой величине определяет основную часть мощности, рассеиваемой во входном резонаторе. Электронная нагрузка второго резонатора может в общем случае отличаться от электронной нагрузки первого резонатора. Существенную роль в этом играют нелинейные эффекты, возникающие в режиме больших амплитуд.

Основные отличия клистрона от лампы с электростатическим управлением электронным потоком:

1. Инерционность электронов, являющаяся вредным фактором в лампах, положена в основу принципа действия клистрона.

2. Угол пролета между сетками относительно мал за счет большой величины U₀.

3. Входное сопротивление клистрона относительно велико.

4. В клистронах применяются высокодобротные резонаторы, поэтому они являются узкополосными усилителями.

5. Электронный поток не погружает сетки выходного резонатора, а идет на коллектор.

6. Перечисленные отличия позволяют клистронам работать на частотах на порядок более высоких, чем у ламп с электростатическим управлением.

Классификация усилительных клистронов.

По режиму работы: импульсные и непрерывного действия.

По мощности: маломощные, средней мощности, мощные, сверхмощные.

Для дециметрового диапазона

	Импульсные	Непрерывные
маломощные	< 10 кВт	<10 Вт
средней мощности	10 кВт – 1 МВт	10 Вт – 1 кВт
мощные	1 – 100 МВт	1 – 100 кВт
сверхмощные	> 100 МВт	>100 кВт

По конструктивному оформлению:

· с внутренними резонаторами,

· с внешними резонаторами.

По способу охлаждения:

· с естественным охлаждением,

· с принудительным охлаждением.

По выводу энергии:

· с коаксиальны выводом энергии (в длинноволновом диапазоне),

· с волноводным выводом (),

· с коаксиально-волноводным.

По назначению:

· усилительные,

· генераторные,

· умножительные (для умножения частоты).

По числу резонаторов:

· двухрезонаторные,

· многорезонаторные n > 2.

Дата добавления: 2015-07-12