Спеціальні електронні прилади для НВЧ - Пролітний клістрон
Пролітний клістрон
Ідея створення прогонового клістрону була вперше висловлена Д. А. Рожанським. Схема пристрою та включення прогонового дворезонаторного клістрону для посилення коливань показана на рис. 25.1,а.Електронний потік від катода до анода проходить через дві пари сіток, що є частиною стінок об'ємних резонаторівP1 іР2 (іноді замість сіток роблять просто отвори у стінках резонаторів). РезонаторP1 служитьвхідним контуром.До нього за допомогою коаксіальної лінії і витка зв'язку підводяться коливань, що посилюються, з частотоюf. Його сітки1і2утворюютьмодулятор(угруповання), в якому відбувається модуляція швидкості електронів. РезонаторР2 служитьвихідним контуром.У ньому виходять посилені коливання. Їхня енергія відбирається за допомогою витка зв'язку та коаксіальної лінії. Сітки3і4утворюютьуловлювач.На обидва резонатори і на анод подано позитивну напругуUр,що створює між сіткою1та катодом прискорювальне поле, під впливом якого електрони влітають у модулятор зі значною швидкістюv0.
Якщо в резонаторіР1 відбуваються коливання, то між сітками1і2створюється змінне електричне поле, що діє на електронний потік та змінює (модулює) його швидкість. У той напівперіод, коли на сітці2позитивний, а на сітці1негативний змінний потенціал, поле між сітками буде прискорюючим і електрони, що пролітають через модулятор, отримають додаткову швидкість Δv .Під час наступного напівперіоду на сітці2потенціал негативний, а на сітці1- позитивний, тобто поле стає гальмуючим для електронів, які зменшують свою швидкість наΔv.Тільки ті електрони, які пролітають через модулятор у момент, коли напруга дорівнює нулю, продовжують рух зі швидкістюv0.
Таким чином, в простір між сітками3і2, званепростором дрейфу(абопростором групування),потрапляють електрони, що мають різну швидкість . У цьому просторі немає електричного поля, оскільки між сітками3і2немає різниці потенціалів, і електрони летять за інерцією з незмінними швидкостями. Електрони, що мають більшу швидкість, наздоганяють електрони, що рухаються з меншою швидкістю. У результаті електронний потік розбивається на більш щільні групи електронів —електронні згустки.Можна сказати, що завдяки модуляції електронного потоку за швидкістю в просторі дрейфу відбувається модуляція цього потоку по щільності.
Мал. 25.1. Принцип влаштування та роботи дворезонаторного прогонового клістрона
Утворення електронного згустку можна показати графічно. На рис. 25.1 б наведений графік залежності шляхуsвід часуtдля електронів, що пролітають через модулятор в різні моменти часу, і графік змінного, напруги в резонаторіP1. Відстаньsвідраховується від модулятора. Електрони рухаються в просторі дрейфу рівномірно, і графіки їхнього руху будуть прямі лінії, нахил яких показує швидкість руху.
Розглянемо рух трьох електронів, що пролітають через модулятор у моменти часуt1,t2 іt3 Нехай електрони влітають у модулятор з одного і тією ж швидкістю і час їх прольоту через модулятор набагато менше періоду. Тоді електрон, що пролітає через модулятор в моментt2,летітиме далі з колишньою швидкістюv0 і графік його рухупряма лінія із деяким середнім нахилом. Графік руху електрона, що пролітає через модулятор в моментt1, має менший нахил, так як цей електрон гальмувався в резонаторі і швидкість менша. А електрон, що відповідає моментуt3, отримає в резонаторі додаткову швидкість і його графік піде крутіше. Усі три прямі перетинаються в одній точці. Це означає, що всі три електрони у цій точці свого шляху групуються. Інші електрони, що пролітають через модулятор у проміжні моменти часу, також прийдуть у цю точку приблизно в той самий момент. Що ж до електронів, що пролітають через модулятор раніше моментуt1 і пізніше моментуt3, то, як показують графіки, вони не групуються.
Таким чином, групуються в потік лише електрони, що пролітають через модулятор протягом однієї половини періоду. Хороше «згущення» можливе тільки в тому випадку, якщо глибина модуляції швидкості електронів невелика, тобто зміна швидкості електронів під впливом змінного поля, що модулює, незначно в порівнянні зі швидкістю, яку вони отримали від постійної прискорюючої напруги. Тому змінна напруга між сітками резонатора повинна бути значно меншою, ніж постійна напругаUp.Групування електронів у потік повторюється протягом однієї половини кожного періоду.
Постійна напругаUp підбирається так, щоб електронний потік вийшов в уловлювачі, тобто на відстаніdвід модулятора. Якщо напругаUp велика, то електронний потік вийде на більшій відстані (між уловлювачем і анодом), а при малій напрузіUp він буде дуже близьким (у просторі дрейфу). Звідси випливає, що напругаUp, що прискорює, повинна бути цілком визначеною і стабільною.
Після крапки найбільшого згущення електронного потоку електрони знову розходяться. Якщо продовжити графіки руху електронів, то виявиться, що групування в потік знову повториться з відривом3d,потім5dі т.д. Однак це практично не використовується, оскільки розміри приладу збільшувати невигідно.
Отже, до уловлювача надходять електронні згустки, що йдуть один за одним з частотоюfВони створюють в резонаторіР2 імпульси наведеного струму і збуджують у ньому коливання. Для отримання максимальної амплітуди коливань резонаторР2 повинен бути налаштований на частотуfна яку налаштований і резонаторР1 Подібно до того, як у підсилювальному каскаді високої частоти імпульси анодного струму проходять через анодний коливальний контур і створюють у ньому посилені коливання, так і в клістроні електронний потік, що складається зі згустків, створює в резонаторіР2 посилені коливання. Посилення відбувається за рахунок енергії джерела постійної напруги U p,який створює прискорювальне поле. Електрони отримують у цьому полі велику енергію, і завдяки тому, що в резонаторіP1 відбувається модуляція їх швидкості, вони віддають частину цієї енергії резонаторуР2.
Електронні згустки пролітають через резонаторР2 тоді, коли електричне поле в ньому гальмує. Електрони, що пролетіли через резонаторР2 потрапляють на анод і нагрівають його. Частина електронів попадає і на сітки резонаторів. Якби електронний потік не був модульованим, то він не підтримував коливання в резонаторіР2. Дійсно, рівномірний електронний потік у той напівперіод коливань, коли поле прискорює резонаторі, відбирає від резонатора енергію, а під час наступного напівперіоду віддає таку ж кількість енергії. В результатінемає ніякої віддачі енергії електронами резонатору.
Застосуємо подібні ж міркування до взаємодії електронного потоку з резонаторомР1.У цей резонатор надходить рівномірний електронний потік, який одного півперіод забирає деяку енергію від резонатора, а наступний напівперіод віддає таке ж кількість енергії назад. За цілий період енергія від резонатора не відбирається. Значить немає втрат енергії на модуляцію швидкості електронів.
Проте ми не врахували інерції електронів. Хоча час їх прольоту через модулятор дуже мало, але все-таки внаслідок інерції електронів частина енергії, що підводиться, витрачається на модуляцію. Щоб ця витрата була якнайменша, збільшують прискорювальну напругуUp і зменшують відстань між сітками модулятора. Завдяки малим втратам енергії в резонаторіР1 вхідний опір цього резонатора та його добротність дуже великі.
Дворезонаторний клістрон може посилювати потужність у десятки разів. Серйозний недолік клістрона полягає в тому, що його ККД, що є відношенням корисної коливальної потужності в резонаторіР2 до потужності постійного струму анодного джерела, не вище 20%, хоча теоретичне граничне значення становить 58%. Це наступними явищами. Групуються електрони недостатньо щільно, тому що вони вилітають з катода з різною початковою швидкістю і, пролітаючи через модулятор в той самий момент часу, мають неоднакову швидкість. Між електронами діють сили взаємного відштовхування. Внаслідок інерції електрони, що пролітають через уловлювач, відбирають частину коливальної енергії резонатораР2.Деякі електрони взагалі не групуються в згустки, тобто не беруть участь у корисній роботі. В результаті всього цього великачастина енергії марно витрачається на нагрівання сіток і анода, тому що всі електрони зрештою з якоюсь швидкістю потрапляють на ці електроди.
Дворезонаторні клістрони застосовують для посилення в передавачах НВЧ. Їхня корисна потужність у режимі безперервної роботи може становити десятки кіловат, а в імпульсному режимі — десятки мегават. При зменшенні довжини хвилі потужність зменшується.
Клістрони застосовують і для множення частоти. Електронний потік в уловлювачі є конвекційний струм несинусоїдальної форми. При щільному групуванні електронів цей струм можна приблизно вважати що складається з імпульсів прямокутної форми. Такий струм має різко виражені вищі гармоніки. Налаштовуючи резонаторР2 частоту тієї чи іншої гармоніки, отримують коливання помноженої частоти. Амплітуда гармонік з підвищенням їхнього номера зменшується повільно. Можливе множення частоти у 10 разів і більше.
Для посилення слабких сигналів у приймачах клістрони малопридатні, оскільки створюють великі власні шуми.
В даний час виготовляються головним чином прогонові багаторезонаторні клістрони, які складніші за дворезонаторні пристрої, але володіють деякими перевагами. У багаторезонаторних клістронів перший резонатор є вхідним, а останній вихідним. Проміжні резонатори з'єднані лише з позитивним полюсом джерела живлення (рис. 25.2). Під дією пульсуючого електронного потоку в них виникають коливання та створюється змінне електричне поле, яке додатково модулює електронний потік та сприяє групуванню електронів. Тому у вихідний резонатор потрапляють щільніші згустки електронів. В результаті ККД та коефіцієнт посилення потужності клістрону зростають.
Мал. 25.2. Принцип пристроюбагаторезонаторного прогонового клістрона ФК - котушка, що фокусує; ФЕ - фокусуючий електрод
Сучасні прогонові клістрони розрізняються за режимом роботи (імпульсний або безперервний), вихідний потужності, типу та кількості резонаторів, способів фокусування електронного потоку, введення та виведення енергії НВЧ, перебудови частоти, охолодження та інших особливостей.
При імпульсній роботі частота проходження імпульсів зазвичай буває від десятків до тисяч герц, а тривалість імпульсу - від часток мікросекунди до мілісекунд. Прогонові клістрони поділяються на малопотужні, середньої потужності, потужні та надпотужні. Потужність в імпульсі мають відповідно менше 10 кВт, від 10 кВт до 1 МВт, від 1 до 100 МВт і понад 100 МВт. Для режиму безперервної роботи потужності у 1000 разів менше. Наведені значення потужності відносяться до прогонових клістронів дециметрового діапазону хвиль. На сантиметровому діапазоні вони знижуються. Фокусування електронного потоку може бути електростатичне, електромагнітне (котушкою, що фокусує) або за допомогою постійних магнітів. Введення та виведення енергії НВЧ роблять коаксіальним, хвилеводним або комбінованим (коаксіально-хвильоводні). Резонатори бувають внутрішні, змонтовані в самому клістроні та зовнішні. Найбільш поширені прогонові клістрони на фіксовану частоту, але виготовляються також і клістрони, що перебудовуються, з механічним налаштуванням резонаторів на різні частоти. Проте така перебудова складна і дозволяє змінювати частоту лише на 15%. Охолодження потужних прогонових клістронів буває природним чи примусовим (повітрям чи водою).
Коефіцієнт корисної дії багаторезонаторних прогонових клістронів досягає 50%, але у багатьох типів він помітно менший. А коефіцієнт посилення потужності таких клістронів становить інодікілька десятків тисяч. Практично важко отримати посилення більш ніж 10 6 разів. Для потужних клістронів, особливо імпульсних, потрібна напруга живлення в десятки і навіть сотні кіловольт.
Прогонові клістрони мають дуже вузьку смугу частот коливань, що пропускаються, що пояснюється наявністю декількох налаштованих резонаторів. Зазвичай смуга частот вбирається у кількох мегагерц. Шляхом розладу резонаторів можливе розширення смуги частот, але з неминучим зниженням посилення. Для збільшення вихідної потужності роблять багатопроменеві клістрони, в яких через поле тих самих резонаторів проходять паралельно кілька електронних потоків.
Пролітний клістрон можна перетворити на генератор із самозбудженням, якщо встановити зворотний зв'язок між вихідним та вхідним резонаторами, з'єднавши їх коаксіальною лінією. Довжина лінії підбирається такою, щоб вийшла потрібна фаза коливань, що підводяться назад до вхідного резонатора. При цьому електронні згустки проходять через вихідний резонатор за напівперіоди, що відповідають гальмівному полю, та підтримують коливання. А при протилежній фазі електронний потік відбиратиме енергію від вихідного резонатора і коливання швидко загаснуть. Іноді в дворезонаторних клістронах із загальною стінкою у резонаторівР1 іР2 створюють дифракційну зворотний зв'язок з допомогою отвору в цій стінці.
Однак прогонові клістрони порівняно рідко використовуються як генератори з самозбудженням. А для малопотужних генераторів (гетеродинів) зручніші відбивні клістрони, що мають лише один резонатор.