Отражательные клистроны

В отличие от двухрезонаторных ПК в отражательных клистронах (ОК) режим генерации создается за счет одного резонатора, возврат электронных сгуст-ков в который в нужной (тормозящей) фазе осуществляется за счет поля отрица-тельного электрода – отражателя, не потребляющего тока. Отражательный клист-рон также представляет собой вакуумный баллон, состоящий из горячего катода с подогревателем, фокусирующего электрода, ускоряющего анода, резонатора с выводом энергии СВЧ-колебаний и отражателя. Схема подключения источников питания показана на рис. 2.9. Отражательные клистроны не требует фокусировки продольным магнитным полем или электростатической фокусировки, так как длина электронного пучка в ОК весьма мала. У ОК всегда заземлен резонатор, чтобы исключить попадание высокого напряжения на вывод энергии СВЧ.

Рис. 2.9. Электрическая схема включения ОК

Электронный поток, ускоренный до скорости υ₀ напряжением U₀, пролетает через зазор резонатора в виде двух сеточек и за счет флюктуаций тока в широком спектре частот возбуждает в резонаторе очень слабые колебания на частоте резонатора f_рез. СВЧ-поле в зазоре начинает модулировать электроны по скорости, что приводит к небольшой модуляции по плотности. Если отрицательное напря-жение на отражателе подобрать таким, чтобы возврат сгустков электронов проис-ходил в моменты тормозящего переменного поля в зазоре («+» на верхней сетке, «–» на нижней), то за счет отдачи кинетической энергии электронами амплитуда колебаний в резонаторе будет возрастать до установления стационарного режима. Возврат сгустков электронов в тормозящую фазу может происходить за разные промежутки времени, кратные периоду колебаний Т. Из пространственно-времен-ной диаграммы (рис. 2.10) видно, что это оптимальное время τ_опт= 3/4Т + nТ, где n = 0,1,2… Поэтому в ОК возможно несколько зон генерации при разных значениях –U_отр. Оптимальный угол пролета в зонах генерации будет равен

Θ_опт=2π(n+3/4), (2.9)

где n = 0,1,2,3… .

При Θ = Θ_опт возникает баланс фаз (положительная обратная связь по пе-ременному току). Баланс амплитуд может быть выражен условием равенства нулю проводимостей потерь в резонаторе G_р, в нагрузке G_н (пересчитанной в резонатор) и отрицательной проводимости G_эл, вносимой в резонатор электрон-ным потоком:

G_р +G_н +(– G_эл) = 0. (2.10)

Рис. 2.10. Пространственно-временная диаграмма движения электронов в ОК

Изменение –U_отр внутри зон генерации выше или ниже оптимального значения приводит к изменению мощности вплоть до срыва генерируемых коле-баний (потери превышают вносимую энергию). Изменяется и частота генерации, поскольку при вариациях –U_отр изменяется момент (фаза) прихода сгустка в зазор по отношению к максимуму тормозящего поля: чем больше |–U_отр|, тем быстрее возвращаются электроны и выше частота колебаний. Зависимость f _г= f (|–U_отр|) близка к тангенциальной. Крутизна перестройки частоты S [ ] увеличивается с ростом номера зоны, поскольку при более протяженных траекториях одно и тоже приращение их длины будет происходить при меньших изменениях напря-жения на отражателе. Виды характеристик ОК приведены на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Зоны генерации ОК по частоте и мощности

С увеличением номера зоны генерации мощность в зоне уменьшается, поскольку из-за двойной функции резонатора (модуляция электронов по скорости и отбор от них энергии для поддержания колебаний) более протяженные траекто-рии (большие углы пролета) требуют меньшего модулирующего напряжения, т.е. мощность генерации уменьшается. Даже в зонах n = 0 и n = 1 из-за двойного назначения резонатора обычно не удается получить мощность более 1 Вт в непрерывном режиме. Однако в импульсном режиме генерации возможна форси-рованная работа ОК за счет одновременного повышения отрицательного напря-жения на отражателе и импульсного ускоряющего напряжения U_о на катоде. При таком включении ОК возможна генерация мощности более 1 Вт в импульсе у ОК с паспортным значением мощности генерации порядка 0,2 Вт.

Разработан миниатюрный вариант ОК – минитрон с рабочими напряжениями всего в десятки вольт и малой массой, что даёт возможность такому генератору СВЧ конкурировать с полупроводниковыми генераторами, особенно в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн.