На СВЧ эффективность электронных ламп снижается вследствие конечного времени пролета разрядного промежутка. В клистронах значительное время пролета не только не вредно, но и необходимо для нормальной работы прибора. Схема устройства и включения пролетного клистрона приведена на рис. 10.15, а.
Пролетный клистрон состоит из катода, объемного входного резонатора Р1, в который с помощью петли связи вводится входной сигнал Рвх, и расположенного на расстоянии d от него выходного резонатора Р2. Оба резонатора соединены с коллектором и заземлены. На катод подается отрицательное напряжение. Под действием электрического поля между катодом и анодом электроны, покинувшие катод, ускоряются и влетают во входной резонатор с большой скоростью υ0. Между сетками резонатора Р1 существует переменное электрическое поле, изменяющее скорость электронов. В положительный полупериод переменного напряжения электроны ускоряются, в отрицательный полупериод замедляются. Модулированные по скорости электроны влетают в пространство дрейфа между резонаторами Р1 и Р2, в котором отсутствует электрическое поле. В этом пространстве электроны летят по инерции с постоянной скоростью. Электроны, движущиеся с более высокой скоростью, догоняют электроны, скорость которых меньше. В результате образуются электронные сгустки, что отражено на рис. 10.15, б.
Рис. 10.15
Электронные сгустки поступают в резонатор Р2, настроенный на частоту их следования, создают в нем импульсы наведенного тока и возбуждают колебания с амплитудой, которая больше амплитуды колебаний во входном резонаторе Р1, то есть в клистроне происходит усиление мощности электрических колебаний. Пролетевшие через резонатор электроны попадают на коллектор и разогревают его. Двухрезонаторный клистрон может усиливать мощность в десятки раз. Однако его КПД, представляющий собой отношение колебательной мощности в резонаторе Р2 к мощности постоянного тока источника питания, не превышает 20 %, хотя предельное теоретическое значение составляет 58 %. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, электроны вылетают из катода с различной начальной скоростью и, пролетая через модулятор в один и тот же момент времени, имеют неодинаковую скорость, вследствие чего они группируются недостаточно плотно. Во-вторых, между электронами действуют силы взаимного отталкивания, из-за чего при пролете через пространство дрейфа плотность электронного сгустка дополнительно уменьшается. Кроме того, некоторая часть электронов вообще не группируется в сгустки, то есть не участвует в полезной работе, а некоторые из электронов оседают на сетках резонаторов.
В настоящее время двухрезонаторные клистроны имеют ограниченное применение. Введение дополнительных промежуточных резонаторов между входным и выходным резонаторами позволило повысить коэффициент усиления мощности и КПД. Современные мощные клистроны содержат от 3 до 7 резонаторов. Принцип устройства четырехрезонаторного клистрона показан на рис. 10.16.
Рис. 10.16
В первом резонаторе происходит модуляция электронов по скорости. Электронный поток, влетающий во второй резонатор, возбуждает в нем высокочастотное напряжение, под действием которого скорость электронов на выходе из зазора первого промежуточного резонатора будет иметь более высокую переменную составляющую, чем на входе в зазор, и группирование в пространстве дрейфа между вторым и третьим резонаторами будет проходить более интенсивно. Такова же роль последующих резонаторов. В результате в выходной резонатор влетают сгустки электронов с более высокой плотностью, благодаря чему повышается КПД, который для многорезонаторных пролетных клистронов достигает 50 %, а коэффициент усиления мощности — 90 дБ при мощности, доходящей до 100 кВт в режиме непрерывных колебаний и до 50 МВт в импульсном режиме. Достижение таких показателей обеспечивается не только введением промежуточных резонаторов, но и рядом усовершенствований, внесенных в конструкцию клистрона.
Зазоры резонаторов мощных клистронов не имеют сеток. Это в некоторой степени ухудшает взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем в зазорах, но зато практически исключается оседание электронов и нагрев сеток. Чтобы повысить взаимодействие потока электронов с полем в зазоре, увеличивают ускоряющее постоянное напряжение и постоянный ток луча.
В многорезонаторных клистронах промежуточные резонаторы расстроены относительно частоты сигнала, благодаря чему формирование сгустка электронов происходит так, что в нем участвуют «бесполезные» ранее электроны, дающие рост КПД. Одновременно расстройка промежуточных резонаторов позволяет расширить полосу пропускания.
В мощных клистронах электронные потоки необходимо фокусировать, чтобы диаметр потока не увеличивался вследствие расталкивания электронов. С этой целью обычно используется магнитная фокусировка при помощи отдельных катушек индуктивности, помещаемых в промежутках между резонаторами. Поле, создаваемое этими катушками, препятствует движению электронов перпендикулярно оси клистрона, закручивая их, и электроны движутся по направлению к аноду по спиральным траекториям.
Отражательные клистроны
Отражательные клистроны применяют для генерирования СВЧ-колебаний. Они содержат только один объемный резонатор (рис. 10.17, а). Ускоренные на участке между катодом и первой сеткой С1 электроны влетают в резонатор и возбуждают в нем импульс наведенного тока. В резонаторе возникают колебания, создающие между его сетками переменное электрическое поле. Это поле модулирует электронный поток по скорости, и электроны влетают в тормозящее поле между второй сеткой С2 и отражателем О с различной скоростью. Электроны в этом поле тормозятся, останавливаются и ускоренно возвращаются к резонатору. Чем больше скорость электрона, тем дальше углубляется он в тормозящее поле и больше времени находится в этом поле. В результате электроны, пролетевшие через резонатор в положительные полупериоды переменного электрического поля, могут вернуться обратно одновременно с электронами, пролетевшими через резонатор позднее, во время отрицательного полупериода, что наглядно показано на рис. 10.17, б. Электроны, пролетевшие через резонатор в интервале времени от t1 до t3, возвращаются назад в момент t9.
Рис. 10.17
Электронный сгусток может вернуться в резонатор в различные моменты времени в зависимости от напряжений E1 и Е2. При возвращении в резонатор электронные сгустки отдают ему энергию только тогда, когда они попадают в тормозящее поле. Наибольшую энергию они отдают в том случае, если возвращаются в момент, когда напряженность тормозящего поля в резонаторе максимальна. Возвращение энергии в резонатор поддерживает существующие в нем колебания. Чем больше величина возвращаемой энергии, тем больше мощность колебаний в резонаторе. Если же отдаваемая электронами энергия слишком мала, то колебания не будут поддерживаться и затухнут.
Время пролета электронов в пространстве дрейфа отсчитывается от момента t2, в который в пространство дрейфа влетает электрон с группирующимися вокруг него остальными электронами, до момента времени возвращение сгустка электронов в резонатор. На рис. 10.17, б это время равно (1+3/4)T. Изменяя отрицательное напряжение на отражателе, можно изменять время пролета, но при этом возвращение электронов должно происходить в тормозящие полупериоды колебаний в резонаторе. Соответственно, существует несколько зон генерации. Если отрицательное напряжение на отражателе очень большое, то электроны, проходящие через резонатор в интервале t1-t3, вернутся назад в интервале t4-t6 (нулевая зона генерации), причем наибольшую энергию они вернут в резонатор при возвращении в момент t5. При снижении отрицательного напряжения на отражателе электроны возвращаются назад позже. Если возвращение происходит в интервале t6-t8, то колебания вообще не возникают. При возвращении в интервале t8-t10 колебания вновь возникают (первая зона генерации), мощность этих колебаний достигает максимума при возвращении в момент t9. Чем меньше по абсолютной величине отрицательное напряжение на отражателе, тем больше время пролета электронов и, соответственно, выше номер зоны генерации. Наибольшая мощность колебаний получается в нулевой зоне.
Меняя напряжение на отражателе, можно изменять частоту генерируемых колебаний. При увеличении по абсолютному значению отрицательного напряжения на отражателе электронные сгустки возвращаются в резонатор несколько быстрее, и частота колебаний возрастает. При уменьшении этого напряжения по абсолютной величине электронные сгустки возвращаются в резонатор с запаздыванием, и частота колебаний уменьшается. При изменении частоты колебаний уменьшается мощность генерируемых колебаний (рис. 10.18). Поэтому такую расстройку принято ограничивать условием снижения мощности не более чем на 50 %.
Рис. 10.18
У отражательных клистронов КПД не превышает 5 %, вследствие чего они не используются для получения больших мощностей, а применяются в качестве гетеродинов СВЧ-приемников, в измерительной аппаратуре, радиорелейной, радионавигационной и телевизионной аппаратуре. Полезная мощность не превышает сотых и десятых долей ватта. В последние годы отражательные клистроны вытесняются полупроводниковыми генераторами СВЧ.