Пролетные усилительные клистроны

Пролетные клистроны (ПК) – электронные приборы СВЧ с кратковременным взаимодействием электронного потока в зазорах резонаторов СВЧ с электри-ческой составляющей электромагнитного поля. Это взаимодействие происходит в вакууме при наличии фокусировки продольным магнитным полем (тип «О») или полем электростатическим (тип «Е»). Простейший ПК состоит из двух резонаторов, входного и выходного, помещенных в вакуумный баллон (Б), содер-жащий также подогреватель (П), катод (К), фокусирующий электрод (Ф), управ-ляющий электронным потоком электрод (Уп. эл.) (первый анод), ускоряющий электрод (Уск. эл.) (второй анод), коллектор (Кол) для сбора электронов, прошед-ших резонаторы (рис. 2.1). На этом же рисунке показана электрическая схема подключения источников питания.

Рис. 2.1. Электрическая схема питания двухрезонаторного ПК

Для фокусировки электронного потока в современных клистронах используется магнитопериодическая система (М). Конструктивно каждый из резонаторов представляет собой резонатор тороидального типа с парой сеток для создания зазора (см. рис. 1.3). При подаче СВЧ-колебаний на входной резонатор в зазоре между сетками возникает переменное поле с преобладающей составляю-щей _~, которая начинает модулировать электроны по скорости в равномерном потоке, движущимся от катода к коллектору со скоростью υ₀= (см. фор-мулы (1.8, 1.9)). Модуляция электронов по скорости переходит в модуляцию пучка по плотности с периодом следования сгустков Т, соответствующему входной частоте, на которую настроен первый резонатор. Если параметр групп-пировки Х подобран оптимальным для данного расстояния S между центрами сеток входного и выходного резонаторов, то в последнем будет наводиться ток (формула (1.5), рис.1.6). Максимум СВЧ-мощности будет сниматься с резонатора при точной настройки его на частоту входного колебания.

Форма импульсов наведённого тока i₂определяется соотношением

i₂(ωt) . (2.1)

Очевидно, что при Х→1 ток i₂(ωt) в некоторые моменты устремляется к бесконечности. Реально из-за взаимного отталкивания электронов такого не происходит. Более того, функция Бесселя в выражении для тока (1.10) достигает максимума не при Х→1, а при немного больших значениях Х, зависящих от номера гармоники тока n (рис. 2.2, а).

а) б)

Рис. 2.2. Зависимость функций Бесселя от параметра группировки (а) и амплитудная характеристика усилительного ПК (б)

Поскольку выходная мощность пропорциональна переменной составляющей тока пучка, зависящей от J_n (nХ), а параметр группировки Х зависит от входной мощности, то зависимость на рис. 2.2, б будет соответствовать амплитудной характеристике двухрезонаторного ПК. Максимум выходной мощности будет соответствовать Р_вх.опт, при котором достигается оптимальная группировка сгуст-ков по центру зазора выходного резонатора. В этом случае будет максимальным и электронный КПД:

η_э= , (2.2)

где Р₀=U₀I₀.

Теоретически η_{э max} ≈ 0,58.

В режиме умножения частоты значения Р_вх.опт будут другие (меньше), меньше будут и значения Р_вых и η_э.

Из графика (рис. 2.2, б) для n = 1 видно, что коэффициент усиления К_ус= =const на участке линейной зависимости Р_вых=ƒ(Р_вх). Этот участок целесообразно использовать для усиления амплитудно-модулированных (АМ) сигналов. Участок Р_вх ≈ Р_вх.опт целесообразен для усиления частотно- или фазомодулированных колебаний (ЧМ, ФМ).

При подаче на входной резонатор мощности меньше или больше оптималь-ной происходит соответственно недогруппировка или перегруппировка электрон-ного потока: оптимальная группировка наступает после прохождения зазора электронами, или не доходя до него, и выходная мощность уменьшается. При Р_вх =const оптимальную группировку можно регулировать напряжением U₀, меняя среднюю скорость электронов υ₀, например, при оптимальной группировке до зазора необходимо увеличить U₀ до смещения максимума плотности пучка в центр зазора.

Максимальный коэффициент усиления двухрезонаторного ПК определяется соотношением (в децибелах):

К_ус = 20 lg , (2.3)

где М₁ и М₂ – коэффициенты взаимодействия в первом и втором резонаторах, G_экв – эквивалентная активная проводимость нагрузки, пересчитанная в выходной резонатор, = G₀ – активная проводимость, вносимая в выходной резонатор за счет электронного пучка.

Из соотношения (2.3) можно сделать вывод, что возможно получение сколь угодно большого К_ус за счет увеличения Θ (длины клистрона). Однако в электрон-ном пучке, представляющем из себя электронную плазму, возникают плазменные колебания с частотой ω_п, что приводит к разгруппировке пучка. Эта разгруп-пировка учитывается с помощью параметра группировки:

X´= (2.4)

где h = – параметр пространственного заряда.

Очевидно, что Х'= Х'_max при sin hS→1, т.е. при hS→π/2, что достигается при S=S_опт= λ_п/4, где λ_п=υ₀T_п= υ₀ .

Другой важной характеристикой ПК является амплитудно-частотная харак-теристика (АЧХ). Её форма зависит от выбора Р_вх по отношению к Р_вх.опт (рис. 2.3). При Р_вх < Р_вх.опт выходная мощность меньше максимальной, минимальна и полоса усиления ∆f₁, зависящая от нагруженной добротности Q_н выходного резонатора на резонансной частоте (∆f= ). При синхронной настройке всех резонаторов отно-сительная полоса пропускания не превышает 0,5 %, а при настройке на отличающиеся частоты ≈ 2 %.

Рис. 2.3. Виды АЧХ ПК при различных Р_вх

При Р_вх = Р_{вх. опт} выходная мощность и полоса пропускания ∆f₂ (на уровне 0,5 Р_max) увеличиваются. При Р_вх > Р_{вх. опт} полоса ∆f₃становится ещё шире за счет неравномерности АЧХ: на f_вх = f_рез происходит уменьшение Р_вых, но при расстройке f_вх относительно f_рез ниже и выше её модулирующее напряжение уменьшается, приближаясь к оптимальному, и наблюдается увеличение Р_вых с последующим спадом при уменьшении или увеличении частоты.

Главный недостаток двухрезонаторного ПК – низкий К_ус, не превышающий 15 дБ. Для повышения К_ус были предложены трехрезонаторные (многорезо-наторные) ПК, в которых промежуточные резонаторы (между входным и выход-ным), не соединенные с нагрузкой и имеющие повышенную добротность, исполь-зуются для дополнительной модуляции электронного пучка по скорости. Это даёт возможность существенно уменьшить Р_вх на первом резонаторе и тем самым повысить К_ус. Максимальное усиление многорезонаторного ПК можно вычислить по эмпирической формуле:

К_ус ≈ 15 + 20(N − 2), дБ, (2.5)

где N – общее число резонаторов в ПК.

На электрической схеме ПК, выполненной по ГОСТу, число промежуточных резонаторов обозначается цифрой на среднем резонаторе (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема питания многорезонаторного ПК

Выходная мощность таких ПК в импульсном режиме достигает десятков МВт, в непрерывном режиме – десятков и сотен кВт. Диапазоны их применения – дециметровый и сантиметровый, а область использования – радиолокация, радио-управление ракетами по лучу, усиление телевизионных АМ- и ЧМ-сигналов. При больших мощностях ПК необходимо охлаждение элементов его конструкции (воздушный обдув или прокачка воды через внутренние полости электродов). При напряжениях питания более 25 кВ в ПК возникает рентгеновское излучение, поэтому необходима экранировка ПК от воздействия на персонал.

Большое значение при работе ПК имеет хорошее согласование с нагрузкой – антенной, с которой ПК соединяется через «длинную» линию (ДЛ) – волновод или коаксиал. Степень согласования ПК со входом ДЛ определяется комплекс-ным коэффициентом отражения по напряжению:

, (2.6)

где _пад и _отр – падающая и отраженная комплексные амплитуды волн, φ_отр – фаза отраженной волны.

Эти когерентные волны при взаимодействии создают в линии стоячую волну, образующую максимумы (U_max =U_пад + U_отр) и минимумы (U_min = U_пад – U_отр). Соотношения этих величин также определяют степень согласования через коэф-фициент стоячей волны КСВ = , где КБВ = – коэффициент бегу-щей волны. Значения КСВ и связаны соотношениями

= (2.7, а)

КСВ= (2.7, б)

При изменении параметров нагрузки (антенны) будут изменяться входные активная и реактивная проводимости (сопротивления) длинной линии, а значит, и выходная мощность ПК.

Из практики известно, что все ЭП СВЧ, включая и ПК, имеют малое выходное сопротивление R_i (или высокую проводимость G_i) по сравнению с волновым сопротивлением длинной линии (а также и нагрузки R_нагр), потому они работают в режиме эквивалентных генераторов напряжения. Поэтому выходная мощность ЭП СВЧ в нагрузке находится по формуле

P_нагр= 0,5 G_вх , (2.8)

где G_вх – входная активная проводимость ДЛ.

Очевидно, что G_вх будет зависеть от и φ_отр. Эти зависимости можно снять за счет вариации R_н, а также φ_отр путем изменения электрической или физической длины линии (с помощью фазовращателя СВЧ или использованием раздвижной линии). Тогда

φ_вх=2βl+φ_отр,

где β= – постоянная распространения волны длиной λ= в линии с фазовой скоростью υ_ф на частоте f = .

Зависимость P_нагр= f(φ_вх) представлена для разных КСВ на рис.2.5.

Рис. 2.5. Нагрузочная характеристика ПК в прямоугольных координатах

При идеальном согласовании (КСВ = 1) изменение фазы нагрузки не влияет на Р_вых = P_нагр. При КСВ₁>1 наблюдается рост мощности при фазах π, 3π, 5π из-за увеличения входной проводимости линии, пропорционально которой растет и мощность выше номинальной Р_ном (см. формулу (2.8)). При четных фазах картина получается обратной. При КСВ₂ > КСВ₁ настолько, что активная проводимость нагрузки ПК (входная проводимость линии) становится больше оптимальной, ПК переходит в режим генератора тока, и на кривой P_нагр при φ = π, 3π, 5π и т.д. появляется провал мощности. В целом при КСВ > 1 и изменении φ_нагр ≡ φ_отр выходная мощность ПК будет изменяться. Часто нагрузочные характеристики ПК строят и в полярной системе координат.

Конструкцию ПК можно сделать более компактной при использовании электростатической фокусировки в виде трубчатых электродов, расположенных между резонаторами и находящимися под отрицательным напряжением катода. Однако выходные мощности таких ПК типа «Е» существенно меньше. Реальный электронный КПД ПК достигает 30–35%.