Содержание

Отражательный клистрон

Схема включения отражательного (однорезонаторного) клистрона, изобретенного советским ученым В. Ф. Коваленко, показана на рис. 25.3, а. В нем один объемный резонатор служит одновременно модулятором и уловителем. На резонатор подано высокое постоянное напряжение U_p для ускорения электронов. За резонатором находится отражатель — электрод, имеющий отрицательное напряжение U₀ относительно катода. Для лучшей фокусировки электронного потока катод окружен цилиндром, который называют фокусирующим электродом и обычно соединяют с катодом. Энергия от резонатора отбирается с помощью витка связи и коаксиальной линии.

Поток электронов под действием ускоряющего поля влетает в резонатор и возбуждает в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создающие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости. Таким образом, электроны вылетают с различной скоростью из резонатора в пространство дрейфа (между резонатором и отражателем), в котором действует постоянное тормозящее поле. Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются и ускоренно возвращаются в резонатор. Чем больше скорость электрона, тем дальше углубляется он в тормозящее поле и больше времени находится в этом поле. В результате электроны, пролетевшие через резонатор во время положительного полупериода и получившие от переменного электрического поля добавочную скорость, могут вернуться обратно в тот же момент, когда возвратятся электроны, пролетевшие через резонатор позднее, во время отрицательного полупериода, и получившие торможение от переменного поля.

Рис. 25.3. Принцип устройства и работы отражательного клистрона

Это наглядно иллюстрируется следующим примером. Если бросить вверх друг за другом три одинаковых предмета, но первый с наибольшей скоростью, а третий — с наименьшей, то все они могут упасть обратно одновременно. Первый из них поднимется выше всех и будет в движении наибольшее время, а последний поднимется ниже всех и возвратится через наименьший промежуток времени.

Хотя модуляция скорости в отражательном клистроне происходит так же, как и в пролетном, но процесс группирования иной. На рис. 25.3, б показаны графики движения электронов в отражательном клистроне, поясняющие принцип группирования. Графики эти представляют собой не прямые, а кривые линии (параболы), так как движение каждого электрона неравномерно. Сначала электрон движется замедленно (до точки остановки), а затем ускоренно возвращается обратно. Электроны, вылетевшие в моменты времени t₁, t₂ и t₃, возвращаются в один и тот же момент, т. е. группируются в один плотный сгусток. Это же относится и к электронам, пролетающим через резонатор в промежуточные моменты времени от t₁ до t₃.

Электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные моменты времени в зависимости от постоянных напряжений U_p и U₀. При возврате в резонатор электронные сгустки отдают ему энергию только тогда, когда они попадают в тормозящее поле, т. е. когда на сетке 1 отрицательный потенциал, а на сетке 2 — положительный (такое поле для прямого потока электронов будет ускоряющим). Больше всего энергии электроны отдают в том случае, если они возвращаются в момент, когда напряженность тормозящего поля в резонаторе максимальна. Когда же электронные сгустки возвращаются в резонатор в другие моменты времени, они отдают меньше энергии и мощность колебаний снижается. Если отдаваемая электронами энергия слишком мала, то колебания вообще не будут поддерживаться и затухнут. При возврате электронного сгустка в резонатор во время отрицательного полупериода колебаний, когда поле в резонаторе ускоряющее, электроны отбирают энергию от резонатора и колебания затухают еще быстрее.

Время пролета электронов в пространстве дрейфа t_пр, т.е. промежуток времени от момента вылета электронов из резонатора в прямом направлении до момента их возврата в резонатор, принято указывать для среднего электрона (вылетевшего в момент t₂), вокруг которого группируются остальные электроны. На рис. 25.3, б это время равно 1³/₄Т. Увеличив по абсолютному значению отрицательное напряжение на отражателе, можно заставить электронный сгусток возвращаться в резонатор в момент t₄, т. е. через промежуток времени, равный ³/₄Т. И наоборот, если уменьшить по абсолютному значению напряжение отражателя, то электроны пройдут дальше в тормозящее поле и вернутся в резонатор позднее, например через промежуток времени 2³/₄Т. Во всех этих случаях электронные сгустки отдают резонатору наибольшую энергию, так как они попадают в наиболее сильное тормозящее поле. Таким образом, для получения в клистроне незатухающих колебаний наибольшей мощнбсти необходимо выполнить условие

t_пр = (п + ³/₄) Т или t_пр = (n + ³/₄)/f, (25.1)

где п — любое целое число, включая нуль.

Различают несколько зон (или областей) генерации клистрона. Если п = 0 и t_пр = ³/₄Т, то зона генерации нулевая. При п = 1 и t_пр =1³/₄Т клистрон работает в первой зоне генерации. Второй зоне соответствует п = 2 и t_np = 2³/₄Т и т. д. На рис. 25.4 показаны графики движения группирующихся электронов для первых трех зон генерации.

На время пролета электронов влияют следующие величины. Чем больше расстояние d между резонатором и отражателем, тем меньше напряженность тормозящего поля при одной и той же разности потенциалов U_p — U₀. Но при более слабом поле электроны слабее тормозятся, пройдут дальше в глубь поля и вернутся позднее. Следовательно, при большем значении d работа может происходить в зоне генерации с более высоким номером.

Рис. 25.4. Движение электронов при работе отражательного клистрона в нулевой (а), первой (б) и второй (в) зоне генерации

Рис. 25.5. Зависимость мощности колебаний клистрона от напряжения отражателя

Сильное влияние на время пролета оказывает напряжение отражателя, что также показано на рис. 25.4. С увеличением U₀ по абсолютному значению растет напряженность тормозящего поля Е = (U_p—U₀)/d и клистрон будет работать в зоне генерации с более низким номером. Изменение мощности колебаний в резонаторе в зависимости от значения U₀ показано на рис. 25.5. Мощность колебаний обычно бывает наибольшей для какой-то одной зоны, где группирование электронов оказывается наилучшим (плотным). Для зон генерации с меньшими и большими номерами мощность меньше вследствие явлений, ухудшающих группирование. К ним относятся: взаимное отталкивание электронов, неодинаковость их начальных скоростей, неоднородность поля в пространстве дрейфа и около сеток, а также ряд других причин.

Постоянное напряжение на резонаторе U_p гораздо слабее влияет на время пролета. Его изменение оказывает два противоположных действия, которые в известной степени компенсируют друг друга. Если, например, увеличить напряжение U_p, то скорость электронов возрастет и они должны глубже проникать в пространство дрейфа, т. е. время пролета должно увеличиться. Но при увеличении напряжения U_p возрастает напряженность тормозящего поля в пространстве дрейфа, электроны сильнее тормозятся и должны быстрее вернуться, т. е. время пролета должно уменьшиться.

Переход к зоне генерации с более высоким номером путем уменьшения по абсолютному значению отрицательного напряжения на отражателе в конце концов приводит к тому, что при U₀ > 0 электроны попадают на отражатель и не возвращаются в резонатор.

У отражательных клистронов КПД не превышает 5%, а иногда бывает даже меньше 1%. Поэтому такие клистроны не делают для мощностей более одного ватта. Наибольшее распространение получили маломощные отражательные клистроны для гетеродинов приемников и измерительной аппаратуры. Полезная мощность у них обычно составляет сотые или десятые доли ватта.

Изменение частоты колебаний, генерируемых отражательным клистроном, осуществляют разными способами. Емкостная перестройка состоит в том, что с помощью специальных механических приспособлений изменяют расстояние, а следовательно, и емкость между сетками резонатора. Такой способ обычно применяют для клистронов с внутренним резонатором. При этом возможна перестройка по частоте на 5 — 10%. Путем перемещения металлического плунжера внутри внешнего резонатора частоту можно увеличить на 20%. Одновременно с перестройкой собственной частоты резонатора следует также изменить и режим питания, например напряжение отражателя, чтобы получить наивыгоднейшие условия самовозбуждения.

В небольших пределах частоту можно изменить также изменением напряжения отражателя. Такой способ называют электронной настройкой. Если увеличить по абсолютному значению отрицательное напряжение отражателя, то электронные сгустки возвращаются в резонатор несколько быстрее и частота колебаний возрастает. А при уменьшении напряжения U₀ по абсолютному значению электроны с запаздыванием возвращаются в резонатор и частота колебаний уменьшается. Можно привести следующую механическую аналогию электронной настройки. Пусть колебания маятника поддерживаются внешними толчками. Если эти толчки даются в моменты, когда маятник находится в крайнем положении, то частота колебаний равна собственной частоте маятника. Но можно подталкивать маятник несколько раньше, не давая ему дойти до амплитудного положения. В этом случае частота немного увеличится. Для уменьшения частоты надо давать толчки так, чтобы каждое колебание несколько затягивалось.

При изменении частоты колебаний методом электронной настройки полезная мощность уменьшается. Поэтому такую настройку принято ограничивать условием уменьшения полезной мощности не более чем на 50%. Обычно электронная настройка допускается на несколько десятков мегагерц в ту или другую сторону. На каждый вольт изменения напряжения отражателя получается изменение частоты на десятые доли процента рабочей частоты, т. е. на единицы мегагерц. В специальных клистронах электронной настройкой можно изменять частоту на 10—15%. Значительное влияние напряжения отражателя на выходную мощность и частоту генерируемых колебаний позволяет осуществлять амплитудную, частотную и импульсную модуляцию с помощью подачи на отражатель модулирующего напряжения.

Поскольку отражательные клистроны бывают только маломощными, то ускоряющее напряжение, подаваемое от источника питания, равно обычно 250 — 450 В и лишь в некоторых клистронах его увеличивают до 2500 В. Ток электронного пучка может достигать десятков миллиампер.

Сильное влияние питающих напряжений, особенно напряжения отражателя, на частоту заставляет во многих случаях применять стабилизированное питание клистрона.

Информация

Продолжение