Назначение и принцип действия пролетного клистрона

Пролетный клистрон является усилительным прибором СВЧ.

Схематически устройство двухрезонаторного пролетного клистрона можно изобразить как показано на рис.3.11.

Рис. 3.11. Схема устройства двухрезонаторного пролетного клистрона

Поток электронов, излучаемых катодом 1, фокусируется системой электродов 2 и 3 и проходит последовательно два объемных резонатора 4 и 5, взаимодействуя с резонаторами посредством металлических сеток.

К резонатору 4 при помощи устройства связи (штырь, петля) подводится сигнал СВЧ ( СВЧ колебания), который требуется усилить. Между двумя сетками резонатора 4 образуется переменное напряжение, называемое напряжением возбуждения. Закон изменения напряжения возбуждения

U_в=U₁sin(wt)

Под воздействием ускоряющего напряжения U_р на фокусирующем электроде 3 электроны, вылетающие с накаленного катода, разгоняются до скорости

, (3.1)

С такой скоростью электроны влетают в пространство взаимодействия с напряжением возбуждения, т. е. с высокочастотным полем, возбужденным в резонаторе 4.

В пространстве взаимодействия на электронный поток будет воздействовать два сигнала:

· постоянное напряжение U₀, под которым находится резонатор 4;

· переменное электрическое напряжение, возбуждаемое на сетках резонатора 4 СВЧ-полем.

В положительную полуволну U₁ поле резонатора 4 сообщает пролетающим мимо сеток электронам дополнительную энергию, вследствие чего они увеличивают свою скорость. В отрицательную полуволну поле резонатора тормозит пролетающие через резонатор 4 электроны.

Таким образом, после пролёта резонатора 4 различные группы электронов будут иметь различные скорости, в зависимости от того, на какой момент времени пришлось прохождение этих электронов между стенками резонатора.

Различие в скорости электронов после пространства взаимодействия приводит к тому, что на некотором расстоянии от резонатора 4 будут образовываться сгустки и разрежения потока, так как более быстрые электроны будут догонять медленные. Явление можно пояснить графически.

Рис. 3.12. График движения электронов в клистроне

В верхней части рис. 3.12 изображен график движения электронов в клистроне. По оси абсцисс отложено время. По оси ординат – расстояние между резонаторами. Линиями изображены траектории отдельных электронов. Наклон этих линий характеризует скорость электрона в эквипотенциальном пространстве. Чем больше угол наклона к оси абсцисс, тем больше скорость. Для каждого электрона построен отдельный график. В нижней части рис. 3.12 изображена зависимость напряжения между стенками резонатора от времени.

При рассмотрении данных графиков можно обнаружить, что образование сгустков происходит на вполне определенном расстоянии от резонатора 4, и что сгустки и разряжения электронов на этом расстоянии чередуются с частотой входного сигнала.

Формирование таких сгустков будет происходить также на расстоянии в 3, 5, 7 и т.д. раз большем. В этом можно убедиться, если продолжить график.

Установленный в одном из таких мест резонатор 5, конструктивно подобный первому, будет возбуждаться такими чередующимися сгустками-разряжениями электронов, т.е. в резонаторе произойдет накопление усиленной колебательной энергии. В первом резонаторе затратили min мощности сигнала на модуляцию по скорости (так как число ускоряемых электронов равно числу замедляемых). Энергия, выделяемая во втором резонаторе, может быть весьма значительной. За счет постоянного электрического поля электронам сообщили кинетическую энергию, которую, в свою очередь, передаем СВЧ полю второго резонатора.

Эффективная передача энергии электронов СВЧ полю 2-го резонатора может происходить только в том случае, если электронные сгустки пересекают сетку, когда напряжение на сетке имеет max тормозящую фазу.

КПД двухрезонаторного клистрона h=P_вых/ P₀ не больше 20¸25%. Причиной этого является недостаточно полное группирование электронов в сгустки одним резонатором. Часть электронов вообще не попадает в сгустки (как видно из графика) и, пролетая второй резонатор не “в фазе”, отнимает у него некоторую часть энергии.

Из-за низкого КПД двухрезонаторные клистроны не нашли применения.

Для получения мощностей свыше десятков ватт с высоким КПД до 74% применяются многорезонаторные пролетные клистроны.

На НВО применяется пятирезонаторный клистрон типа ’’Версаль’’(Рис. 3.13).

Принцип работы такого клистрона аналогичен рассмотренному. Частично сгруппированные в сгустки полем резонатора 1 электроны возбуждают резонаторы 2 и 3. Электрическое поле, действующее в их щелях, будучи значительно сильнее, чем поле резонатора 1, углубляет модуляцию электронов, завершая их формирование в сгустки.

Рис. 3.13. Пятирезонаторный клистрон типа «Версаль»

Съем энергии осуществляется в 4 и 5 резонаторах, что способствует более полному ’’выкачиванию’’ из электронного потока энергии. С целью более полного фокусирования потока электронов производится дополнительная фокусировка потока с помощью электромагнита.

Выходная мощность клистрона является функцией входной мощности и имеет вид как на рис. 3.14.

4.

рис. 3.14. Функция мощности на выходе лампы бегущей волны к мощности на входе

Коэффициент усиления по мощности многорезонаторного клистрона можно приблизительно оценить по выражению:

К_р » (m – 1)•10 дБ,

где m – число резонаторов.

Полоса пропускания – 1% от частоты генерации. Полосу можно расширить расстройкой резонаторов, но при этом уменьшится К_р.