Двухрезонаторные клистронные усилители.

4.2.1. Зависимость выходной мощности от мощности, поступающей на вход усилителя.

Эквивалентная схема усилителя изображена на рис. 4.6.

Рис 4.6

Резонаторы клистрона моделируются параллельными колебательными контурами.

Входной резонатор кроме активной проводимости G₁ содержит активную проводимость электронной нагрузки G_ен1, обусловленную прохождением через резонатор немодулированного электронного потока. Элемент связи первого резонатора с входной линией конструируется таким образом, чтобы обеспечить поступление максимальной мощности от источника колебаний. Этому соответствует режим критической связи при настройке в резонанс на рабочей частоте.

Таким образом, мощность входного сигнала, поступающего в первый резонатор, равна:

Для удобства расчета выразим величину через параметр группирования

Будем считать, что выходной резонатор настроен на частоту первой гармоники наведенного тока. Тогда

,

- активная проводимость нагрузки, трансформированная в сечении зазора резонатора.

Выходная мощность усилителя определяется мощностью, выделяемой в т.е.

.

Отсюда:

.

Максимум выходной мощности соответствует комплексно-сопряженному согласованию с нагрузкой, когда:

Последняя формула справедлива, когда . Амплитуда связана с наведенным током I_нав законом Ома. Поэтому на первый взгляд кажется, что уменьшение суммарной активной проводимости выходного резонатора. приводит к сколь угодно большому росту . Однако, чтобы электроны в выходном зазоре не отбрасывались назад при максимуме тормозящего поля должно выполняться условие .

Выражение для входной и выходной мощностей связаны с параметром группирования Х соотношениями:

График

,

описывает в относительных единицах зависимость для двухрезонаторного клистрона.

Рис 4.7

Зависимость называется амплитудной характеристикой. Начальный прямолинейный участок кривой, постепенно искривляющийся с ростом Х, соответствует режиму недогруппировки электронного потока Х<1.84. Дальнейший рост Х>1.84 вызывает перегруппировку пучка, что приводит к снижению выходной мощности.

Начальный участок характеристики следует использовать для получения максимального усиления. Это – область работы входных усилителей. Если желательно достижение максимальной выходной мощности и нелинейность характеристики не играет существенной роли, рабочая точка выбирается вблизи максимальной кривой . Такой режим желателен для усилителей мощности.

Оценим предельную величину выходной мощности и КПД двухрезонаторного клистрона.

Амплитуда наведенного тока

Считая , при настройке выходного резонатора в резонансе полная электронная мощность, переносимая электронным потоком

,

где: – мощность, отбираемая от источника постоянного тока.

Электронный КПД:

Максимальное значение электронного КПД:

Полное значение КПД

,

где: ,

- КПД резонаторной системы.

Коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона.

Коэффициент усиления по мощности при согласовании на входе и выходе на резонансной частоте равен:

,

где для учета разгруппировки под действием объемного заряда в аргументе использован вместо Х параметр:

.

В режиме линейного усиления при малом сигнале

имеет наибольшую возможную величину и равен:

.

Уравнение указывает, казалось бы, на возможность достижения сколь угодно высокого коэффициента усиления при увеличении угла пролета , т.е. увеличении длины трубы дрейфа. Однако величина имеет максимум при равный , поэтому

Коэффициент усиления часто выражается в децибелах:

На практике ограничение предельного коэффициента усиления двухрезонаторного клистрона проявляется очень резко и К₀ дБ обычно не превышает 10-15 дБ.

Дата добавления: 2015-07-12