Клистроны

Реферат по дисциплине

Радиопередающие устройства

На тему

Генераторы и усилители СВЧ сигналов

Выполнил студентка группы 11РА1

Морозова Светлана

Генераторы и усилители СВЧ сигналов

Генераторы СВЧ сигналов подразделяются на магнетроны, клистроны и лампы бегущей волны.

Клистроны

Клистроны относятся к классу электронно-лучевых приборов СВЧ с динамическим управлением электронным потоком.

Рис. 2. Схема двухрезонаторного пролетного клистрона: 1 – катод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – коллектор; 4 – входной резонатор; 5 – выходной резонатор; 6 – труба дрейфа; 7 – вход усилителя; 8 – выход усилителя; 9 – электронный поток

Схема устройства двухрезонаторного пролетного усилительного клистрона, изображена на рис 1.

Первый резонатор клистрона служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется группирователем. Второй резонатор служит для отбора высокочастотной энергии пучка, имеющего модуляцию по плотности.

Металлическая труба, находящаяся между двумя резонаторами, экранирует пространство дрейфа (пространство группировки) от внешних постоянных и переменных электрических полей. На рабочей частоте труба дрейфа обладает свойствами запредельного волновода. Именно в этой трубе происходит преобразование скоростной модуляции в модуляцию электронного потока по плотности. От действия магнитных полей при рассмотрении клистронов можно отвлечься, за исключением продольного постоянного магнитного поля, применяемого для фокусировки электронного потока.

Принцип действия пролетного двухрезонаторного клистрона можно описать следующим образом. Немодулированный электронный поток, выходящий из катода, поступает в первый резонатор, между сетками которого имеется продольное электрическое поле сверхвысокой частоты. Это поле производит скоростную модуляцию электронного потока. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки. Эти сгустки поступают во второй резонатор с частотой, равной частоте входного сигнала, и наводят ток, протекающий по внутренней поверхности стенок второго резонатора. Появляющееся между сетками резонатора электрическое поле тормозит электроны, полученная ими от источника ускоряющего напряжения , преобразуется в энергию СВЧ колебаний и поступает в выходную нагрузку. Что касается электронов, прошедших через второй зазор, то они оседают на коллекторе и рассеивают на нем в виде тепла оставшуюся кинетическую энергию.

Как и всякий усилитель, этот клистрон может быть преобразован в автогенератор путем введения положительной обратной связи между выходным и входным резонаторами. А также, если выходной резонатор усилительного клистрона настроить на частоту, кратную частоте входного сигнала, то усилитель преобразуется в умножитель частоты.

Для повышения коэффициента усиления и выходной мощности путем улучшения группировки электронного потока в сгустки в клистроне используются один или несколько промежуточных резонаторов, следующих друг за другом.

Рис. 2. Схема однорезонаторного отражательного клистрона: 1 – катод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – электронный поток; 4 – отражатель; 5 – резонатор; 6 – вывод энергии генератора.

Другим вариантом клистронов, является отражательный клистрон, схематически изображенный на рис. 2. Возбуждение колебаний в отражательном клистроне можно объяснить следующим образом. Ускоренный поток электронов, попадает в высокочастотный зазор, где модулируется по скорости полем резонатора. Высокочастотное поле резонатора в течение одного полупериода ускоряет электроны, в течение другого – тормозит, а когда высокочастотное поле меняет знак, электроны практически не меняют скорости. Промоду-лированный по скорости электронный поток попадает в область между резонатором и отражателем, где модуляция электронного потока по скорости приводит к модуляции его по плотности; образуются сгустки электронов.

Попадая в зазор резонатора, сгустки электронов или отдают свою энергию полю резонатора, или получают ее от поля резонатора. Генерация в клистроне будет поддерживаться, если сгустки электронов попадают в поле резонатора в момент времени, когда высокочастотное поле является для них тормозящим, и генерация срывается, когда поле в момент попадания сгустков ускоряющее. Изменяя время пролета электронов в области отражателя, можно либо настроить клистрон в режим генерации, либо сорвать генерацию. Это осуществляется изменением напряжения на отражателе.

Электронный КПД отражательного клистрона не более нескольких процентов, поэтому такие клистроны на большие мощности не конструируются.

В таблице 1 для примера приведены основные параметры, характеризующие пролетный клистрон 5045 (SLAC, США), использующийся в ускорительной технике.

Такие клистроны применяются в ИЯФе для питания линейного ускорителя на инжекционном комплексе ВЭПП-5.

Таблица 1. Основные характеристики клистрона 5045

Рабочая частота, Диапазон стабильной работы, Импульсная входная СВЧ мощность, Импульсная выходная СВЧ мощность, Длительность СВЧ импульса, Рабочая частота повторения (F), Допустимая максимальная частота повторения, Средняя СВЧ мощность (при F = 50 Гц), Коэффициент усиления, КПД, Импульсное напряжение на катоде, Импульсный ток клистрона, Коэффициент трансформации импульсного трансформатора, Напряжение накала, Ток накала, Тип катода, Плотность тока катода (пиковая), Микропервеанс, Питание фокусирующего соленоида, Чувствительность на 1% отклонения анодного напряжения: Фазовая, амплитудная, Максимальный КСВН нагрузки, Расход воды на охлаждение, Температура охлаждающей воды на входе, Емкость масляного бака, Полный вес, Габариты в упаковке: основание, высота.

МГц МГц Вт МВт Мкс Гц Гц КВт ДБ % кВ А   В А   А/см^2   В×А   ° %   л/мин °С л кг м×м м

2852÷2860 3.5 до 180 53÷57 43÷47 1:15 9.7 диспенсерный 1.98 215×14.5   1.5 <1.5 0.9×0.9 2.2

Клистрон 5045 состоит из пушки с высоковольтным изолятором, шести резонаторов с трубками дрейфа и коллектора. Ввод усиливаемого СВЧ сигнала осуществляется через коаксиальный разъем. Вывод мощности производится через волновод с двумя СВЧ окнами. В волновод (до СВЧ окон) встроен магниторазрядный насос для вакуумной откачки клистрона. Клистрон также включает в себя импульсный трансформатор с масляным баком и фокусирующий соленоид. Клистрон с фокусирующим соленоидом монтируются на баке импульсного трансформатора. Предусмотрено общее для всех систем клистрона водяное охлаждение.

Рис. 3. Блок-схема подключения клистрона

Блок-схема подключения клистрона изображена на рис. 3. Для успешной эксплуатации клистрона необходима система защиты, обеспечивающая работоспособность клистрона. В виду этого предусмотрен ряд блокировок, определяющих разрешение на подачу высоковольтного импульса: отсутствие тока накала катода, низкий вакуум в системе, отсутствие питания фокусирующего соленоида, пониженное давление охлаждающей воды и др.

Дата добавления: 2015-07-15