Клистрон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Клистрон — электровакуумный прибор, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путём модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ (при пролёте их сквозь зазор объёмного резонатора) и последующей группировки электронов в сгустки (из-за разности их скоростей) в пространстве дрейфа, свободном от СВЧ поля.

[править] Классификация

Клистроны подразделяются на 2 класса: пролётные и отражательные.

В пролётном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объёмных резонаторов. В простейшем случае резонаторов 2: входной и выходной. Дальнейшим развитием пролётных клистронов являются каскадные многорезонаторные клистроны, которые имеют один или несколько промежуточных резонаторов, расположенных между входным и выходным резонаторами.

В отражательном клистроне используется один резонатор, через которые электронный поток проходит дважды, отражаясь от специального электрода — отражателя.

[править] История

Первые конструкции пролётных клистронов были предложены и осуществлены в 1938 Расселом Варианом и Сигуртом Варианом.

Отражательный клистрон был разработан в 1940 году Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым, И. В. Пискуновым и независимо В. Ф. Коваленко.

[править] Пролётные клистроны

[править] Устройство и принцип действия

Устройство пролётного клистрона

В клистроне имеются два объемных резонатора с ёмкостными сеточными зазорами. Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй — выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования.

Электроны, эммитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением U₀ второго электрода и попадают в узкий сеточный зазор первого резонатора, в котором имеется продольное СВЧ поле. Это поле периодически ускоряет и замедляет электроны, модулируя электронный поток по скорости. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки за счёт того, что быстрые электроны догоняют медленные. Этот модулированный по плотности электронный поток попадает во второй резонатор и создает в нем наведенный ток той же частоты, что и частота входного модулирующего поля. В результате между сетками резонатора появляется высокочастотное электрическое поле, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разряжения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла.

[править] Параметры и характеристики

[править] КПД

Под КПД клистрона обычно понимается электронный кпд η_el:

то есть отношение мощности P_2n, отданной электронным потоком СВЧ полю в выходном резонаторе на n-ой гармонике, к подведённой мощности P₀

Решая задачу о наведении мощности в нагрузке выходного резонатора из общих принципов наведения тока электронным потоком, можно получить, что максимум P_2n, а значит и максимум КПД определяется максимумом функции Бесселя:

где J_n — функция Бесселя первого рода n-го порядка, n — номер гармоники, X — так называемый параметр группировки.

В таблице представлены максимальный электронный КПД двухрезонаторного клистрона и оптимальная величина параметра группировки для различных гармоник.

Если уменьшать параметр X, например, умень шая амплитуду входного сигнала, или увеличивая амплитуду ускоряющего напряженния, то электронный поток окажется недогруппированным. КПД и выходная мощность при этом падают. Тоже происходит и в перегруппированном потоке.

Реальный КПД пролетного двухрезонаторного клистрона, учитывающий потери в колебательной системе, на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и не превышает 20 %.

[править] Многорезонаторный клистрон

[править] Устройство и принцип действия

Устройство многорезонаторного клистрона

В многорезонаторных клистронах между входным и выходным резонаторами помещают дополнительные ненагруженные резонаторы. В качестве примера, поясняющего особенности их работы, достаточно рассмотреть пролетный трехрезонаторный клистрон.

Предположим, что промежутчный резонатор точно насторен на частоту входного сигнала. Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе электроны модулируются по скорости и далее группируются в первом пространстве дрейфа. Если на вход поступает слабый входной сигнал, то и модуляция электронного потока будет незначительной. При этом величина наведенного тока во втором резонаторе также будет малой. Однако, поскольку ненагруженный промежуточный резонатор является высокодобротной системой, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение, создаваемое на его сетках, будет большим. Этому в значительной мере благоприятствует то обстоятельство, что второй резонатор не связан с внешней нагрузкой. Суммарная активная проводимость второго резонатора определяется только потерями в самом резонаторе и электронной нагрузкой затвора.

В установившемся режиме ток и напряжение во втором резонаторе имеют ту же частоту, что и частота входного сигнала. Напряжение, наведенное на втором резонаторе, вызывает сильную модуляцию скорости электронов и сильную группировку электронного потока во втором пространстве дрейфа. В результате распределение электронов в сгустках их плотности будет определяться вторым резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резонаторами, но при модулирующем напряжении гораздо большим, чем модулирующее напряжение первого резонатора. При этом коэффициент усиления значительно увеличится, так как группирование электронов осуществляется при значительно меньшей амплитуде входного сигнала, подводимого к первому резонатору. Аналогичные процессы протекают в каждом промежуточном резонаторе многорезонаторного клистрона.

С физической точки зрения повышение коэффициента усиления многорезонаторного клистрона достигается не за счёт увеличения КПД и выходной мощности, а за счёт снижения мощности сигнала, необходимой на входе усилителя для управления электронным потоком.

[править] Параметры и характеристики

[править] КПД

В рассматриваемом выше идеальном случае (когда второй резонатор точно настроет на частоту входного сигнала) максимальная выходная мощность и электронный КПД остаются такими же, как и в двухрезонаторном клистроне, то есть предельное значение КПД составляет 58 %, поскольку остается таким же максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока в последнем резонаторе.

Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка промежуточных резонаторов, где велико напряжение, создаваемое наведенным током (обычно это предпоследний резонатор). В то же время уменьшение выходной мощности и коэффициента усиления клистрона, возникающее при расстройке резонаторов, компенсируется увеличением количества резонаторов. (Коэффициент усиления примерно равен 15 + 20(N − 2) дБ, где N — число резонаторов.) Теоретические расчеты показывают, что в этом случае электронный КПД можно увеличить до 75 % и расширить полосу рабочих частот до нескольких процентов. На практике обычно применяют четырех-шестирезонаторные клистроны.

[править] Отражательный клистрон

[править] Устройство и принцип действия

Устройство отражательного клистрона

Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ колебаний малой мощности.

Отражательны клистрон имеет один резонатор, дважды пронизываемый электронным потоком. Возвращение электронов осуществляется с помощью отражателя, находящегося под отрицательным постоянным потенциалом по отношению к катоду. Таким образом, резонатор играет роль группирователя при первом прохождении электронов и роль выходного контура при втором пррохождении. Промежуток между резонатором и отражателем играет роль пространства дрейфа, где модуляция электронного потока по скорости переходит в модуляцию по плотности.

Для того чтобы клистрон мог генерировать СВЧ колебания необходимо, чтобы сгустки электронного потока, сформированные при первом прохождении сквозь резонатор, проходили через резонатор при обратном движении в те моменты, когда в нём имеется тормозящее высокочастотное электрическое поле.

[править] Параметры и характеристики

[править] КПД

Электронный КПД отражательных клистронов ниже, чем у пролётных клистронов, и его реально достижимое значение не превышает нескольких процентов.

[править] Диапазон перестройки частоты

В пределах каждой зоны генерации возможна электронная перестройка частоты. На практике её осуществляют изменением напряжения на отражателе, так как ток в цепи отражателя равен нулю и управление частотой генерации происходит без затрат мощности.

Диапазон электронной перестройки частоты у отражательных клистронов обычно не превышает 0,5 % от среднего значения частоты.

[править] Применение

Отражательные клистроны примененяются в различной аппаратуре в качестве маломощных генераторов. Вследствие низкого КПД их не используют для получения больших мощностей и применяют в качестве гетеродинов СВЧ приемников, в измерительной аппаратуре и в маломощных передатчиках. Их основные преимущества заключаются в конструктивной простоте и наличии электронной перестройки частоты. Отражательные клистроны имеют высокую надежность и не требуют применения фокусирующей системы.

В настоящее время генераторы на отражательных клистронах вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ.

Это незавершённая статья по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.