Внешние характеристики и параметры усилительных пролетных клистронов

Усилительные клистроны характери­зуются выходной мощностью, коэффициентом полезного действия, коэффициентом усиления, полосой частот усиливаемых колебаний, а также амплитудными и фазовыми характеристиками.

Выходная мощность клистрона и его электронный КПД могут быть определены через электронную мощность взаимодействия, от­даваемую электронным потоком при настройке выходного резонато­ра в резонанс. Эта мощность определяется соотношением

где I_m - амплитуда первой гармоники наведенного тока в выход­ном резонаторе; U_m - амплитуда напряжения на сетках выходно­го резонатора.

Амплитуда наведенного тока равна

I_m =2MkI₀J₁(X).

Таким образом, средняя за период мощность, отдаваемая элект­ронным потоком,

P_e=MkI₀J₁(X)U_m ,

а электронный коэффициент полезного действия Из формулы следует, что мак-

симально возможное значение электронного КПД двухрезонаторного клистрона, если по­ложить k=1,M=1,U_m=U₀ и X = 1,84, равно 0,58. Макси­мальный электронный КПД многорезонаторных клистронов оказыва­ется значительно выше за счет последовательного взаимодействия одного и того же электронного луча с несколькими резонаторами. Так, максимальный КПД трехрезонаторного клистрона равен 0,74. Однако практически несоблюдение многих ограничений, принятых при выводе теоретических соотношений, приводит к тому, что КПД реальных клистронов обычно не превышает 0,4, причем двухрезонаторные клистроны имеют еще более низкий КПД, не превосходя­щий 0,2.Электронная мощность Р_е пропорциональна мощности P_о, поэ­тому повышение мощности Р может быть достигнуто за счет уве­личения как тока луча I₀ , так и ускоряющего напряжения U₀ . Однако следует учитывать то обстоятельство, что увеличение то­ка I₀ при определенном напряжении U₀ возможно только до не­которого предела, так как с увеличением тока возрастает плот­ность луча, а, следовательно, возрастают и расталкивающие силы пространственного заряда электронов, ухудшающие фокусировку луча и группирование электронов в сгустки, что приводит к ухуд­шению свойств клистрона. Кроме того, повышение мощности связа­но с необходимостью увеличения напряжения U_m , величина кото­рого ограничена значением U₀ , так как при U_m > U₀ электроны будут выталкиваться обратно из резонатора. Эти причины, а так­же ограниченная плотность тока эмиссии с катода обусловливают высокие значения используемых ускоряющих напряжений у мощных клистронов (до нескольких десятков, а иногда и сотен киловольт). Эти же причины привели к созданию многолучевых клистронов - приборов, в которых с целью увеличения мощности при заданной плотности тока электронный поток разделен на несколько лучей, взаимодействующих с одними и теми же резонаторами.

Коэффициент усиления клистрона определяется отношением мощности на выходе клистрона к мощности на его входе

K_p=P_вых/P_вх

На рис.1 показаны кривые, характеризующие зависимость выходной мощности и коэффициента усиления клистрона от входной мощности.

Замедление роста мощности и соответственно уменьшение коэффициента усиления объясняется ухудшением условий группирования электронов при увеличении входной мощности.

Сгруппированные сгустки электронов при этом из-за большой ам­плитуды переменного входного напряжения начинают разгруппиро­вываться при подходе к выходному резонатору, поэтому рост мощности на выходе замедляется, а затем прекращается и мощность начи­нает даже уменьшаться

При увеличении ускоряющего напряжения выходная мощность и коэффициент усиления клистрона в линейном режиме (т.е. при Х<Х_ОПТ) возрастают.

Выходная мощность пролетных клистронов может иметь значения от нескольких милливатт до нескольких десятков и даже сотен киловатт в непрерывном режиме и нескольких десятков мегаватт в импульсном режиме.

Коэффициент усиления двухрезонаторного клистрона обычно не превышает 20 дБ. Многорезонаторные клистроны позволяют по­лучить коэффициенты усиления 50-70 дБ.

Важную роль в оценке свойств усилительного клистрона игра­ет частотная характеристика, которая обычно определяется ис­пользуемыми колебательными системами - резонаторами. На рис.2а и 2b показан примерный вид частотной характерис­тики двухрезонаторного и трехрезонаторного клистронов соответ­ственно.

Частотные свойства клистрона характеризуются полосой про­пускания частот Δf , которая, как правило, не превышает 1-2% рабочей частоты f₀. При расширении резонансной характеристики коэффициент усиления К_р уменьшается.

Многорезонаторные клистроны позволяют получить большую полосу частот (до 15%) за счет расстройки промежуточных ре­зонаторов при достаточно высоком коэффициенте усиления. Однако настройка резонаторов в этих случаях бывает довольно сложной.

В ряде случаев значительный интерес представляют так на­зываемые фазовые характеристики клистрона, выражающие зависи­мость фазы колебаний на выходе клистрона от различных факторов. Наибольшее значение имеет фазовая характеристика клистро­на по ускоряющему напряжению. Если ускоряющее напряжение изме­няется, то изменяется и угол пролета θ₀, а, следовательно, изменяется фаза колебаний на выходе клистрона.

На рис.3 показана зависимость угла пролета (фазы на

выходе клистрона) от ускоряющего напряжения. При малых изменениях U₀ изменение фазы может быть найдено путем дифференцирования угла пролета по ускоряющему напряжению и по­следующего перехода к конечным прираще­ниям Полученная таким образом зависи­мость имеет вид.

Типовые клистроны имеют обычно крутизну фазовой характеристики S_Ф=dφ/dU₀ порядка десятых долей градуса на вольт. Фаза колебаний на выходе клистрона может изменяться также при изменении тока луча, входной мощности и др. Однако эти из­менения значительно меньше.

2.Умножительные и автогенераторные клистроны

Умножительные клистроны По своим свойствам и принципу ра­боты умножительные клистроны мало чем отличаются от усилитель­ных. Конструктивное отличие их состоит в том, что выходной ре­зонатор умножительного клистрона настраивается на частоту n - ой гармоники входных колебаний.

Теоретический коэффициент усиления умножительного клистро­на близок к коэффициенту усиления усилительного клистрона, од­нако реальный коэффициент передачи составляет величину порядка десятых долей единицы, т.е. выходная мощность на частоте n -ой гармоники меньше входной. Это объясняется тем, что изложенная теория не учитывает многих факторов, приводящих к искажению формы сгустков, а следовательно, к уменьшению амплитуд высших гармоник. К этим факторам относятся расталкивание электронов, неодинаковые их скорости вдоль оси и др.

Умножительные клистроны обычно имеют выходную мощность по­рядка десятков и сотен милливатт, а их коэффициент умножения частоты может достигать 10 и более. При этом удается получить колебания весьма высоких частот.

Автогенераторные клистроны. Автогенераторный пролетный клистрон характеризуется мощностью на выходе и электронным КПД, порядок численных значений которых такой же, как и у соответствующих усилительных клистронов, а также электронной перестройкой час­тоты и стабильностью частоты.

Под электронной перестройкой час­тоты понимается зависимость частоты клистрона от ускоряющего напряжения.

Для автогенераторного пролетного клистрона характерно наличие ряда зон генерации (областей возбуждения) при изменении уско­ряющего напряжения. Как видно на рис.4, в каждой зоне час­тота колебаний изменяется относительно частоты настройки резо­натора. При этом изменяет­ся также и мощность на вы­ходе клистрона. Для объяс­нения этих зависимостей следует обратиться к физи­ческой сущности рассматриваемых явлений.

Процесс генерирования электрических колебаний в клистроне возможен только при вполне определенных фазовых и амплитудных соотношениях между выходным и входным напряжением. Фазовый угол φ между входным

U₁ и выходным U₂ напряжением зависит от длины внешней линии обратной связи и угла пролета электронов в пространстве дрейфа. При изменении ускоряющего напряжения угол пролета изменяется, а поэтому изменяется и угол φ. Максимум выходной мощности наблюдается при угле φ=2πn.Увеличение максимальной мощности в зонах при уменьшении номера зоны связано с ростом ускоряющего напряжения U₀, а изменение выходной мощности и частоты в пределах одной зоны – с амплитудной и фазочастотной характеристиками резонатора соответственно.

Таким образом, путем изменения ускоряющего напряжения можно управлять частотой колебаний, генерируемых клистроном, т.е. осуществлять электронную перестройку частоты. Эта возможность характеризуется крутизной электронной перестройки частоты, ко­торая определяется в соответствии с выражением S=df/dU₀ и обычно не превышает десятых долей мегагерц на вольт.

Диапазон элект­ронной перестройки частоты ограничивается изменением мощности в пределах одной зоны генерации. Он определяется, как правило, при тех значениях частот, при которых мощность уменьшается в два раза по сравнению с ее

максимальной величиной. Диапазон электронной перестройки обычно не превышает 1% рабочей частоты.

Возбуждение колебаний в клистроне возможно, как отмечалось ранее, при соблюдении не только фазовых, но и амплитудных со­отношений. В выходном резонаторе (а также частично и во вход­ном) электронным лучом затрачивается энергия, необходимая для поддержания в резонаторе колебаний. Поэтому электронный поток должен быть достаточно мощным. Иными словами, ток луча должен превышать некоторое вполне определенное значение, называемое пусковым током. При токе луча, меньшем пускового тока, клистрон не возбуждается.

Важным параметром автогенераторного клистрона является стабиль­ность частоты, выражаемая обычно в относительных единицах и оп­ределяемая как отношение абсолютного изменения частоты Δf к ее номинальному значению f₀ .

На стабильность частоты большое влияние оказывают напряже­ние резонаторов и их добротность, так как при изменении напря­жения U₀ частота изменяется, и тем больше, чем меньше доброт­ность. На стабильность частоты, кроме того, влияет изменение нагрузки клистрона, изменение размеров резонаторов при нагре­вании, изменение напряжения накала и изменение параметров цепи обратной связи. Эти влияния всегда стремятся свести к минимуму тщательным конструированием элементов и стабилизацией напряже­ния. Влияние изменения нагрузки в значительной степени умень­шается у многорезонаторных клистронов, когда отвод цепи обрат­ной связи производится от промежуточного резонатора. В этом случае влияние выходного резонатора, связанного с нагрузкой, на промежуточные резонаторы практически отсутствует, так как связь между резонаторами осуществляется в основном только электронным лучом, имеющим большое эквивалентное сопротивление.

В современных автогенераторных многорезонаторных клистронах относительная стабильность частоты может принимать значение 10^-5 и выше (т. е. меньше10^-5).

3.Отражательный клистрон

Устройство и принцип действия Отражательный клистрон - однорезонаторный электронный прибор, предназначенный для гене­рирования колебаний диапазона СВЧ. Свое название отражательный клистрон получил по назначению специального электрода - отра­жателя, потенциал которого ниже потенциала катода, вследствие чего электроны не попадают на этот электрод, а отражаются от него.

Устройство отражательного клистрона схематически изображе­но на рис.5а, где обозначено:I - баллон, 2 - катод с подо­гревателем, 3 - резонатор, 4 - вывод энергии СВЧ, 5 - отража­тель, 6 - подвижная стенка резонатора (для механической пере­стройки частоты). Здесь же (рис.5б) показано распределение потенциала в клистроне.

Принцип действия отража­тельного клистрона заключается в следующем. Электронный поток, сформированный в электронной пушке, поступает со средней скоростью v₀ , обусловленной постоянным напряжением резона­тора U₀ , в зазор резонатора, где модулируется по скорости так же, как и в пролетном клистроне. Модулированный по скорос­ти поток выходит из резонатора и попадает в постоянное тормозящее поле, с одинаковой силой воздействующее на все электроны. Электроны, вышедшие из резо­натора с большей скоростью, подходят к отражателю более близко, чем электроны, вылетевшие с меньшей скоростью. На обратном пу­ти к резонатору происходит группирование электронов в плотные сгустки, так как ранее вылетевшие с большей скоростью электро­ны догоняют позже вылетевших с меньшей скоростью. Если сгруп­пированный поток попадает в резонатор при действии тормозящего напряжения, то он отдает энергию полю резонатора, усиливая его.

Для того чтобы работа происходила именно так, как описано, не­обходимо обеспечить определенные условия. На рис.6 показа­на пространственно-временная диаграмма

движения электронов, из которой видно, что группи­рующим полупериодом напряжения на резонаторе является полупе­риод перехода от максимального ускоряющего напряжения к мак­симальному тормозящему. Сгустки электронов должны возвращаться в резонатор через время (n + 3/4)Т, где n = 0,1,2,..., так как для возвращающихся сгустков (т.е. для электронов, двигающихся в обратном направ­лении) тормозящим является тот полупериод переменного напряжения, во время которого при модуляции постоянного потока электроны ускоряются. Таким образом, возбуждение клистрона возможно в том случае, когда время нахождения центрального электрона сгустка в прост­ранстве между резонатором и отражателем (время пролета)

(1)

Соответствующий угол пролета получается умножением обеих частей равенства (1) на ω:

θ_0М=2π(n+3/4) (2)

Возбуждение клистрона возможно и при небольшом изменении угла пролета относительно определяемого выражением (2), так как сгустки в этом случае будут попадать в зазор во время тормозящего полупериода напряжения. Однако мощность взаимодействия при этом будет меньше. Условия (1) и (2) определяют максимальную мощность. Выполнение этих условий периоди­чески повторяется, т.е. при изменении напряжения либо отражателя, либо резонатора в отражательном клистроне возникают зоны генерации, подобные зонам генерации пролетного автогенератор­ного клистрона (рис.7).Отличие заключается в toм, что в отражательном клист­роне используется один ре­зонатор,

в котором произ­водится и модуляция пото­ка по скорости, и отбор энергии от сгруппирован­ного потока. Соблюдение условия (2) соответствует максимуму выходной мощности в каждой зоне. При изменении напряжения отражателя изменяется угол пролета θ_0. Это означает, что изменяется не только мощность, но и период колебаний (а значит, и частота) в клистроне. В результате, как и в генераторном пролетном клистроне, наблюдается электронная перестройка частоты в пределах каждой зоны (см. рис.7).

Если потери в резонаторе, мощность, потребляемая нагрузкой, и мощность, расходуемая на модуляцию электронного потока, превы­шают мощность, поставляемую сгруппированным электронным пото­ком, то самовозбуждения клистрона не произойдет даже при вы­полнении условия (2). Иными словами, существует вполне определенное минимальное значение тока, при котором возможны колебания, - пусковой ток.

Характеристики и параметры отражательного клистрона. Выходная мощность клистрона зависит от напряжения отражателя так, как показано на рис,7. При увеличении напряжения резонатора ток луча увеличивается, и соответственно растет мощность в каждой зоне. Однако величина выходной мощности отражательных клистронов невелика и обычно не превышает 1 Вт, что обусловлено, главным образом, низким значением КПД, не превышающем, как правило, 1%. Последнее обстоятельство связано в основном с необходимостью совмещения в одном и том же резонаторе функций модуляции электронного потока по скорости и отбора энергии от сгруппированного потока, требующих различной величины переменного напряжения на зазоре резонатора, а также с затратами энергии из-за многократного поступления в зазор электронов, возвращающихся в околокатодное пространство и поступающих снова в зазор, но уже в неблагоприятной фазе.

Частота колебаний переменного напряжения отражательного клистрона зависит от напряжения отражателя так, как показано на рис. 7. Возможность электронной перестройки частоты колебаний является важным свойствомотражательного клистрона.

Крутизна и диапазон электронной перестройки частоты в от­ражательном клистроне определяются так же и имеют такой же порядок величины, как и в пролет­ном генераторном клистроне. Электронная перестройка частоты возможна и при изменении напряжения резонатора (выполняющему функцию анода), но при такой перестройке затрачивается мощность на управление частотой, в то время как при перестройке по отражателю (электроду, в котором ток отсутствует) мощность практически не затрачивается.

Частота колебаний может изменяться и механическим способом – путем перестройки по частоте резонатора клистрона. Диапазон механической перестройки частоты обычно составляет десятки процентов от номинальной рабочей частоты.

Стабильность частоты отражательного клистрона может быть получена достаточно высокой при обеспечении стабилизированного питания и соответствующего температурного режима. Однако она, как правил, ниже стабильности частоты генераторного пролетного клистрона, что связано, в частности, с более сильным влиянием нагрузки на частоту в отражательном клистроне, где один и тот же резонатор выполняет функции модуляции электронного потока и отбора от потока энергии.