Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство и принцип действия пролетного клистрона

Введение

Специальные электронные приборы СВЧ делятся на две группы: 0-типа и М-типа. В приборах 0-типа постоянное магнитное поле отсутствует или применяется только для фокусировки электронного потока, а для приборов М-типа характерно наличие так называемых скрещенных, т.е. взаимно перпендикулярных, постоянных электрического и магнитного полей. Именно совместное действие этих полей в значительной мере определяет траекторию движения электронов, и механизм передачи их энергии полю СВЧ.

Исторически первыми представителями приборов 0-типа стали клистроны, широко используемые в качестве СВЧ-генераторов и в настоящее время.

Принцип действия клистронного генератора основан на взаимодействии электронного потока с переменным полем в резонаторе. В результате взаимодействия кинетическая энергия электронов, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию высокочастотных колебаний. В клистронах чаще всего используются резонаторы тороидального типа, имеющие в центральной части емкостной зазор, ограниченный почти прозрачными для электронов сетками (рис. 1) В емкостном зазоре резонатора локализуется интенсивное электрическое поле, с которым взаимодействует электронный поток. В течение одного полупериода поле ускоряет электроны, и энергия СВЧ колебаний расходуется на увеличение кинетической энергии электронов, в течение следующего полупериода ВЧ электрическое поле тормозит электроны, и кинетическая энергия электронов превращается в энергию высокочастотных колебаний.

Рис. 1. Тороидальный резонатор

Если зазор пересекает поток, плотность которого постоянна во времени, то число ускоренных полем электронов в среднем равно числу замедленных и энергия, отбираемая электронами в ускоряющем полупериоде напряжения, равна энергии, отдаваемой в тормозящем полупериоде. Средняя за период энергия поля и потока не меняется, а, следовательно, мощность взаимодействия переменного поля с потоком постоянной плотности равна нулю.

Для преобразования кинетической энергии электронного потока в энергию поля нужно создать поток, модулированной по плотности, т.е. имеющий в одних местах сгустки электронов, а в других разрежения, и обеспечить прохождение этих сгустков сквозь зазор резонатора в тормозящие полупериоды напряжения. При этом плотность потока должна быть промодулирована с частотой, равной или кратной частоте переменного напряженна.

В клистронах используется так называемый динамический принцип управления электронным потоком, реализация которого требует длительного движения электронов. Суть его в том, что управляющее напряжение создает периодическое изменение скорости электронов в потоке таким образом, что одни электроны оказываются ускоренными, а другие - замедленными. В процессе движения быстрые электроны догоняют медленные и в потоке образуются электронные уплотнения (сгустки). Этот процесс получил название группировки потока. Сгруппированный поток затем приводится во взаимодействие с переменным полем.

В клистронах функции модулятора потока и отбора мощности от потока могут выполняться либо разными резонаторами, либо они могут быть совмещены в одном резонаторе. В последнем случае электронный поток проходит через этот резонатор дважды. В первом случае клистрон называется пролетным или многорезонаторным, а во втором - отражательным.

Устройство и принцип действия пролетного клистрона подробнее

Пролетный клистрон состоит из электронного прожектора, входного и выходного резонаторов, пространства группировки (трубки дрейфа) и коллектора (рис.2).

Рис. 2.

Электронный поток фокусируется и ускоряется в электронном прожекторе, состоящем из подогревного катода, фокусирующего электрода и ускоряющей сетки (анода электронного прожектора, напряжение на котором и определяет в основном рабочий ток клистрона).

Резонаторы пролетного клистрона представляют собой объемные СВЧ контуры. В центральной их части, расположенной по оси симметрии клистрона, стенки резонаторов сближаются, образуя своего рода конденсаторы - входной и выходной зазоры. В зазорах концентрируются электрические поля колебаний, существующих в резонаторах, и осуществляется взаимодействие этих полей с электронным потоком.

Для прохода электронов сквозь резонатор в области зазора делают либо отверстие в стенках (безсеточный зазор - обычно во входном резонаторе), либо выполняют стенки из металлической сетки (сетчатый зазор, обычно - в выходном резонаторе).

Ускоренный и сфокусированный прожектором электронный поток попадает в зазор входного резонатора, настроенного на частоту усиливаемого сигнала щ. Источник сигнала создает во входном резонаторе колебания, электрическое поле которых в зазоре можно считать направленным вдоль оси электронного потока. В зазоре происходит модуляция скорости электронов в зависимости от фазы поля. Ввиду малости времени пролета электронов в зазоре можно считать плотность потока на выходе из зазора постоянной.

Рис. 3.

Промодулированный по скорости и имеющий постоянную плотность поток поступает в пространство группировки (трубку дрейфа). Так как это пространство свободно от постоянных и переменных электрических полей, электроны здесь движутся по инерции, причем те, что были ускорены, но вышли из зазора позднее, догоняют вышедшие ранее, но с меньшей скоростью, т.е. происходит группировка потока. Этот процесс проиллюстрирован на рис. За показано напряжение на входном зазоре, причем положительным его значениям соответствует ускорение, а отрицательным - замедление электронов, проходящих через зазор. Рис. Зб дает картину мгновенных значений тока в различных сечениях пространства группировки. На выходе из него электронный поток представляет собой последовательность разрежении и сгустков электронов. Таким образом, образуемый электронами конвекционный ток содержит значительную переменную составляющую. Проходя зазор выходного резонатора, этот конвекционный ток возбудит в нем колебания с частотой щ, амплитуда которых может значительно превосходить амплитуду входного колебания.

Основные сведения из теории пролетного клистрона

Электронный поток поступает во входной зазор с постоянной плотностью и средней скоростью

Входной сигнал создает во входном резонаторе колебания с напряжением на зазоре U_xx(t) =U₁sinщt, так что уравнение движения электрона в зазоре

(1.1)

где d -ширина зазора, аm = 9,11*10^-91кг ие = 1,6*10^-19кул. - масса и абсолютная величина заряда электрона.

Поместив начало координат в середину зазора и полагая, что U₁<<U₀, проинтегрируем (1.1). Тогда найдем, что скорость электронов на выходе из зазора

(1.2)

где t₁- момент прохождения электроном середины зазора,

- коэффициент электронного взаимодействия, показывающий уменьшение (усреднение) влияния поля зазора на электрон за счет конечности среднего времени пролета ф_d= d/v₀;

(M > 1 при ф_d> 0). Со скоростьюv₁ электроны поступают в пространство группировки (трубку дрейфа).

Угол пролета электронов в трубке дрейфа длиной

где и₀ = щl / v₀ = щф₀- угол пролета в трубке дрейфа невозмущенного электрона;

- параметр группировки электронного потока.

Выражение (1.3) получено в допущении, что U₁ << U₀.(1.5)

Как видно из (1.2) и (1.3) при выполнении условия (1.5) скорость электронов v и угол пролета их в трубке дрейфа и испытывают малые синусоидальные колебания около средних значенийv₀и и₀соответственно. Параметр группировкиХ₀представляет амплитуду колебания угла пролета электронов в трубке дрейфа.

Время t₂прибытия электронов в выходной зазор связано со временем вылета его из входного зазораt₁соотношениемt₂ =t₁ + ф, так что

щt₂ = щt₁ + и₀ - Х₀ sin щt₁.(1.6)

Эта зависимость для разных значений x₀показана на рис. 4.

Рис. 4.

Как видно, при Х₀ <1 фаза щt₂ прибытия электрона в выходной зазор однозначно определяет фазу щt₁ выхода его из входного зазора.

Электроны, последовательно проходящие входной зазор, приходят в выходной зазор в той же последовательности. При Х₀ = 1 электроны, прошедшие входной зазор в течение интервала щДt₁, приходят в выходной зазор практически одновременно в момент щt₂ - и₀ = 0. ПриХ₀ > 1 фаза щt₁ становится неоднозначной функцией щt₂,так как в течение интервала щДt₂ в выходной зазор приходят электроны, прошедшие входной зазор в интервалы щДt₁^/, щДt₁^//, щДt₁^///. Отметим, что при этом появляется обгон одних электронов другими: электроны, прошедшие входной зазор во время интервала щДt₁^//, в пути меняются местами, так что вышедшие раньше приходят в выходной зазор позже.

Выражение (1.6) и график на рис.4 используются дня определения формы конвекционного тока в выходном зазоре. Если считать, что потери тока из-за оседания электронов на трубке дрейфа отсутствуют, то в соответствии с законом сохранения зарядов

I₀dt₁ = I(t₂)dt₂.

Это значит, что все заряды, перенесенные током I₀через входной зазор за времяdt₁, должны пройти через выходной зазор в составе токаi(t₂) за интервалdt₂, соответствующий интервалуdt₁. При наличии группировки интервалdt₂ может быть больше или меньшеdt₁.

При Х₀ > 1t₁ становится неоднозначной функциейt₂и за интервал Дt₂через выходной зазор проходят заряды, прошедшие входной зазор за интервалы Дt₁^/, Дt₁^//, Дt₁^///. С учетом этого последнее выражение примет вид, где суммирование проводится по всем значениям t₁, соответствующим данномуt₂. Отсюда конвекционный ток в выходном зазоре

Знак производной под символом суммирования определяет взаимный порядок прихода электронов в выходной зазор; при отсутствии обгона производная положительна, а при обгоне - отрицательна. Но ток в выходном зазоре определяется лишь числом прошедших через него электронов, а не порядком их следования. Поэтому под знаком суммы стоит модуль производной. Расчет конвекционного тока проводится по формуле (1.7), причем производная определяется по графикам рис.4.

Приведенное выше описание работы пролетного клистрона относится к случаю, когда, во-первых, U₁ <<U₀ и, во-вторых, электростатическим взаимодействием электронов можно пренебречь (кинематическая группировка при малом входном сигнале).

В действительности объемный заряд электронного потока заметно меняет картину группировки. Особенно велико его влияние в сгустках, где оно приводит к продольному и поперечному расталкиванию сгустка.

Продольное расталкивание замедляет образование сгустка электронов и уменьшает группировку. Поперечное расталкивание вызывает т.н. динамическую расфокусировку потока, состоящую в увеличении диаметра пучка с ростом группировки. При этом часть электронов с периферии пучка оседает на трубке дрейфа, так что ток в выходном зазоре, а, следовательно, и выходная мощность уменьшаются.

Учет сил продольного расталкивания приводит к ограничению допустимой длины трубки дрейфа, однако, существуют и другие причины, требующие ограничения ее длины. Одной из них является неоднородность поля во входном зазоре. Она приводит к тому, что электронный поток как бы распадается на отдельные группы в виде коаксиальных трубок, в пределах которых коэффициент электронного взаимодействия можно считать постоянным. В сечении выходного зазора каждая трубка будет иметь собственное значение параметра группировки, отличающееся от оптимального, а токи , наводимые ими в выходном резонаторе, оказываются несинфазными. Это приводит к падению выходной мощности тем большему, чем длиннее трубка дрейфа.

При больших значениях входного сигнапа (U₁ ?U₀) вышеизложенная теория уже неприменима так как колебания электронов на выходе из входного зазора становятся несинусоидальными. Относительное замедление электронов превосходит их относительное ускорение. Искажается и форма импульса сгруппированного тока.

Основные характеристики пролетного клистрона

Амплитудная характеристика Р_вых=f(Р_вх) устанавливает связь мощностей входного и выходного сигналов в различных режимах группирования электронов.

Р_вх ~ U₁² ~ Х², Р_вых ~ J₁²(X),

где J₁- функция Бесселя первого порядка. Следовательно,

амплитудная характеристика клистрона адекватна зависимости J₁²(X) =f ²(Х), вид которой приведен на рис. 5. Максимальная мощность на выходе клистрона получается при Х=Х_опт (Р_вх =Р_опт). Линейный участок зависимости при Х <Х_опт соответствует режиму малых колебаний, который называют также "линейным" режимом или “режимом линейного группирования”.

Рис.5.

Режим, при котором Х >Х_оптназывается "насыщенным".

В большинстве практических случаев усилительные клистроны используют именно в этом режиме. Режим, соответствующийХ = Х_оптназывается "оптимальным " его используют только для усиления амплитудно-модулированных колебаний.

Амплитудно-частотная характеристика

Коэффициент усиления клистрона по напряжению определим следующим образом:

где |U_вх |, |U_вых| - модули комплексных амплитуд входного и выходного сигналов.

В режиме слабых колебаний при синхронной настройке резонаторов на частоту щ₀выражение для коэффициента усиления имеет вид для малых Х

где К_u(щ₀) - резонансный коэффициент усиления, Q_Э1,Q_Э1- эквивалентные добротности резонаторов, учитывающие потери, вносимые через элементы связи. Таким образом, при изменении частоты входного сигнала усиление клистрона меняется по закону произведения резонансных характеристик его контуров. Примерный вид частотной характеристики пролетного клистрона в режиме слабых сигналов (Х < Х_опт) показан на рис.6 (зависимость 1). При увеличении входного сигнала из-за влияния нелинейной зависимости амплитуды выходного конвекционного тока от напряжения на входном зазоре форма полосы пропускания двухрезонаторного клистрона изменяется, приближаясь к прямоугольной (Х = Х_опт- зависимость 2) или даже становясь двугорбой (Х >Х_опт зависимость 3).

Рис.5.

пролетный клистрон электронный поток

Рекомендуется самостоятельно разобрать причины изменения частотной характеристики и связать их с рис. 5.

Размещено на Allbest.ru