МНОГОРЕЗОНАТОРНЫЕ КЛИСТРОНЫ
Содержание
Трёхрезонаторный клистрон
Для достижения большого усиления, мощности и КПД используются многорезонаторные клистроны.
Рассмотрим для простоты трехрёзонаторный клистрон (рисунок 10.1), у которого все резонаторы одинаковы.
Положим, что второй резонатор клистрона настроен точно на частоту входного сигнала. Электронный поток, поступающий из катода в первый резонатор, модулируется по скорости. Если модулирующее напряжение очень мало, то во второй резонатор поступают лишь слабо сформированные электронные сгустки, подобные изображённым на рисунке 10.2.
Так как прямой электромагнитной связи между резонаторами нет, то при отсутствии электронного потока амплитуда СВЧ колебаний во втором резонаторе равна нулю. Однако при прохождении электронных сгустков, как и в двухрезонаторном клистроне, по внутренней поверхности второго резонатора начинает протекать наведённый высокочастотный ток, который возбуждает электромагнитное поле между сетками. Амплитуда его электрической составляющей больше, чем в первом резонаторе в результате отбора энергии от про-модулированного потока. Увеличение будет незначительно, так как модуляция и отбор энергии еще малы. Этому процессу в значительной мере благоприятствует то обстоятельство, что второй резонатор не связан с внешней нагрузкой. И его добротность, поэтому выше, чем в первом. Напряжение, созданное на втором зазоре при настройке резонатора на рабочую частоту, находится в противофазе с конвекционным током пучка. В момент прохождения сгустка через центр второго резонатора в этом зазоре имеется максимум тормозящего электрического поля. В установившемся режиме напряжение, созданное электронами во втором зазоре, имеет частоту, в точности равную частоте сигнала. Это напряжение, в свою очередь, производит скоростную модуляцию электронного потока, проходящего через второй резонатор. В третий резонатор поступает уже хорошо сгруппированный электронный поток. Форма сгустков конвекционного тока в третьем зазоре показана на рисунке 10.3.
Таким образом, переменная составляющая конвекционного тока в третьем зазоре, получаемая в результате группировки электронов, имеет в общем случае резко несинусоидальный характер. Можно считать, что второй резонатор трёхрезонаторного клистрона играет роль выходного резонатора по отношению к первому резонатору и входного – по отношению к последнему резонатору.
Многорезонаторный клистрон
Многорезонаторный клистрон – это усилительный электровакуумный СВЧ прибор с кратковременным взаимодействием электронного потока с продольной составляющей провисающего электрического поля нескольких резонаторов (3 – 5), использующий для модуляции электронного потока по плотности метод дрейфа.
В общем случае клистрон, имеющий N резонаторов, можно разбить на N–1 простейших резонаторных усилителей и рассматривать все резонаторы, кроме последнего, как сложный многорезонаторный группирователь, определяющий конвекционный электронный ток в выходном зазоре.
Для увеличения выходной мощности клистроны выполняют с 3–5 резонаторами, через которые пропускают не один, а несколько электронных пучков. Многорезонаторный клистрон – это электровакуумный прибор с линейным электронным пучком (рисунок 10.4). Он содержит: электронную пушку, ВЧ колебательную систему, в которой происходит усиление ВЧ мощности колебаний в результате взаимодействия электромагнитной волны с пучком, и коллектор, в котором рассеивается неиспользованная энергия пучка. Из-за большой величины тока электронного пучка в резонаторах нет сеток, т.к. они могут сгореть. Поэтому электронный пучок взаимодействует с продольной составляющей провисающего электрического поля (на рисунке 10.4 оно показано в первом резонаторе). Для фокусировки длинного цилиндрического пучка используют продольное магнитное поле [math]\vec {B}[/math].
Процесс образования электронных сгустков в промежутках дрейфа многорезонаторного клистрона принято называть каскадной группировкой.
Вследствие сравнительно высокой добротности «несвязанных» резонаторов ширина полосы многорезонаторных клистронов довольно узка.
Многолучевые многорезонаторные клистроны
Потребность в компактных высокоэффективных приборах с высокими уровнями мощности в относительно широкой полосе частот послужила толчком для ряда изобретений, основанных на ранее известных усилителях. Примером одного из таких изобретений может служить многолучевой (до 36 лучей) клистрон – низковольтный компактный клистрон со значительно более широкой полосой частот, чем у обычного однолучевого клистрона. Главная особенность многолучевых клистронов – это распределение токов луча по отдельным параллельным каналам дрейфа, в каждом из которых плотность электронного тока достаточно низка для поддержания эффективной группировки электронов. Разработкой усилителей на основе многолучевых клистронов в 70–80-е годы ХХ века в основном занимались в СССР.
Параметры и характеристики
Амплитудная характеристика
Для многорезонаторных усилительных клистронов наибольший интерес представляют амплитудные (рисунок 10.5) и амплитудно-частотные характеристики.
Коэффициент усиления максимален на начальном участке амплитудной характеристики и по мере увеличения входного сигнала быстро уменьшается из-за перегруппировки электронов, которая приводит к деформации или даже к разрушению формы сгустков.
Для получения максимального усиления при минимальных искажениях следует использовать начальный участок характеристики.
Коэффициент усиления
Усилительные клистроны используются для получения больших СВЧ мощностей. Это возможно, прежде всего, потому, что в клистронах, как и во всех других усилителях с линейным электронным пучком, остаточная мощность пучка рассеивается на коллекторе, который отделён от системы взаимодействия. При хорошо сфокусированном электронном пучке по существу весь ток пучка достигает коллектора; в некоторых мощных усилителях токопрохождение составляет 99,9%, хотя обычно от 2 до 5% тока пучка оседает на системе взаимодействия.
Усилительные клистроны в зависимости от их назначения имеют различные выходные мощности от нескольких сот ватт до нескольких мегаватт.
Коэффициент усиления, выраженный в децибелах, определяется формулой
[math]K_у=10\lg (P_вых/P_вх),дБ[/math].(10.1)
Коэффициент усиления максимален на начальном участке амплитудной характеристики и по мере увеличения входного сигнала быстро уменьшается из-за перегруппировки электронов. Для получения максимального усиления при минимальных искажениях следует использовать начальный участок характеристики.
Многорезонаторный клистрон по своей природе способен обеспечивать высокое усиление. Усиление на каскад составляет, как правило, 15–20дБ, в результате чего в четырёхрезонаторном усилителе можно получить усиление свыше 50дБ.
Динамический диапазон
На практике иногда оценивается величина всего линейного участка амплитудной характеристики усилителя, так называемый динамический диапазон. Динамический диапазон определяется как отношение максимальной входной мощности линейного режима [math]Р_{лин}[/math] к мощности собственных шумов усилителя в определенной полосе частот [math]Р_ш=kT\Delta f[/math], ([math]k[/math] – постоянная Больцмана, [math]T[/math] – абсолютная температура, [math]\Delta f[/math] – полоса частот), т.е.
[math]D=10\lg (P_{лин}/P_ш),дБ[/math].(10.2)
где [math]Р_{лин}[/math] – входная мощность, соответствующая концу линейного режима;
[math]P_ш[/math] – входная мощность, соответствующая началу линейного режима.
Амплитудно-частотная характеристика
На рисунке 10.6 приведена для сравнения амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) двухрезонаторного клистрона при идентичных резонаторах (кривая 1).
При взаимной расстройке резонаторов полоса усилителя расширяется (кривая 2), но значение коэффициента усиления в максимуме падает так, что произведение ширины полосы частот по трёхдецибельному уровню спада коэффициента усиления на его максимальное значение остаётся приблизительно постоянным:
[math]K_у\Delta f=const[/math].(10.3)
По уровню 3дБ можно определить нижнюю [math]f_н[/math] и верхнюю [math]f_в[/math] частоты и абсолютную полосу усиления
[math]\Delta f=f_в-f_н[/math].(10.4)
Средняя частота находится следующим образом:
[math]f_{ср}=f_н+\frac{\Delta f}{2}=f_в-\frac{\Delta f}{2}=f_н+\frac{f_в-f_н}{2}=f_в+\frac{f_в-f_н}{2}[/math].(10.5)
Относительная полоса усиления определяется по формуле
[math]\delta=\frac{\Delta f}{f_{ср}}\cdot 100%[/math].(10.6)
Клистрон обычно является узкополосным устройством. Многорезонаторные усилительные клистроны в зависимости от конструкции резонаторов и системы их настройки делятся на узкополосные и широкополосные. Узкополосные клистроны имеют полосу усиления около 1% и характеризуются высоким коэффициентом усиления в пересчёте на один резонатор. Это достигается при настройке резонаторов на одну частоту. Только отдельные мощные импульсные клистроны обладают полосой пропускания 10–12%. При этом они имеют меньшие значения усиления на один резонатор. Потери усиления связаны с тем, что для расширения полосы усиления отдельные резонаторы настраивают на частоты, отличающиеся от номинальной рабочей частоты клистронов.
Перестройка частоты
Многорезонаторные усилительные клистроны в зависимости от их назначения выпускаются для работы на фиксированной частоте или с механической перестройкой частоты в заданных пределах. Перестройка резонаторов осуществляется различными способами, в том числе посредством пластической деформации гибкой стенки резонатора. Так как почти любое изменение геометрии резонатора влияет на его резонансную частоту, число возможных способов велико. Гибкая стенка резонатора является простейшим элементом настройки, но диапазон относительной перестройки при этом составляет 2–3%. Долговечность гибкой стенки ограничивается наступлением усталостного разрушения металла. Более широкий диапазон перестройки полосы усиления может быть достигнут при размещении в резонаторе подвижного ёмкостного элемента. В этом случае диапазон относительной перестройки достигает 10–20%. К сожалению, при этом способе настройки снижается КПД усилителя, так как элемент настройки увеличивает ёмкость резонатора и уменьшает его полное сопротивление. Обеспечение одновременной перестройки всех резонаторов многорезонаторного клистрона являлось сложной технической задачей, которая была решена в конце 70-х годов XX века.
Коэффициент полезного действия
Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной высокочастотной мощности к мощности источника питания
[math]\eta=\frac{P_{вых}}{I_0U_0}\cdot 100%[/math],(10.7)
где [math]I_0[/math] – ток электронного пучка;
[math]U_0[/math] – ускоряющее напряжение.
Типовые значения КПД усилительных многорезонаторных клистронов непрерывного режима лежат в пределах 40–45%, а импульсных усилительных клистронов – 35–40%. Максимальный КПД, достигнутый на отдельных типах клистронов непрерывного режима, составляет 70–75%.
Габариты и масса
Наибольшие размеры являются характерными для мощных клистронов дециметрового диапазона, а наименьшие – для клистронов сантиметрового диапазона с умеренной импульсной мощностью. В качестве примеров приборов с большими размерами и массой можно привести мощные клистроны типа L3775 фирмы Litton на частоту 0,43ГГц с электромагнитной фокусировкой с импульсной мощностью 30МВт. Они имеют длину 3,6м и массу 1000кг. Масса фокусирующей системы 300кг.
Приборы более низкой мощности оказываются значительно меньших габаритов и массы. У них воздушное охлаждение и фокусировка постоянным магнитом. Усилитель непрерывного действия мощностью 500Вт в диапазоне 8ГГц (VA-914) имеет массу 7,3кг (включая магнит) и занимает объём 25x20x15см.
Срок службы
Телевизионные клистроны дециметрового диапазона имеют срок службы более 50 тысяч часов.
Применение
Клистроны непрерывного режима
Многорезонаторные усилительные клистроны широко используются в качестве оконечных усилителей в СВЧ передатчиках. Типичными применениями в непрерывном режиме являются УВЧ телевизионные передатчики, которые работают на уровнях мощности до 50кВт, передатчики тропосферной связи, работающие на уровнях мощности 1–20кВт и линии связи «Земля-спутник» с уровнями мощности 1–10кВт.
Клистроны импульсного режима
Импульсные усилительные клистроны получили широкое распространение в качестве оконечных импульсных усилителей РЛС различного назначения. Во многих приборах РЛС работающих до трехсантиметрового диапазона длин волн, клистроны используются в качестве импульсных усилителей. Большие наземные РЛС работают при импульсной мощности до 10МВт. В подвижных самолетных РЛС устанавливаются небольшие лёгкие клистроны. Допплеровские РЛС обычно работают при относительно низкой импульсной мощности – от 100Вт до нескольких киловатт.
Усилители с высокой импульсной мощностью также используются в качестве источников питания для линейных ускорителей заряженных частиц. Например, питание Стэндфордского линейного ускорителя длиной ~ 3,2км осуществляется от большого числа клистронов мегаваттного уровня.
