WikiSort.ru - Не сортированное

Устройство и принцип действия

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

Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением ${\displaystyle U_{0}}$ 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 наведённый 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 разрежения. 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.

Параметры и характеристики

КПД

Под КПД клистрона обычно понимается электронный кпд ${\displaystyle \eta _{el}}$ :

${\displaystyle \eta _{el}={\frac {P_{2n}}{P_{0}}}}$

то есть отношение мощности ${\displaystyle P_{2n}}$ , отданной электронным потоком СВЧ-полю в выходном резонаторе на n-й гармонике, к подведённой мощности ${\displaystyle P_{0}}$

Решая задачу о наведении мощности в нагрузке выходного резонатора из общих принципов наведения тока электронным потоком, можно получить, что максимум ${\displaystyle P_{2n}}$ , а значит и максимум КПД определяется максимумом функции Бесселя: ${\displaystyle \eta _{elmax}={J_{n}(nX)}_{max}}$

где ${\displaystyle J_{n}}$  — функция Бесселя первого рода n-го порядка, ${\displaystyle n}$  — номер гармоники, ${\displaystyle X}$  — так называемый параметр группировки.

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

${\displaystyle n}$	${\displaystyle \eta _{elmax},\%}$	${\displaystyle X_{max}}$
1	58,2	1,84
2	48,7	1,53
3	43,4	1,40
8	32,0	1,22
16	26,0	1,13

Если уменьшать параметр ${\displaystyle X}$ , например уменьшая амплитуду входного сигнала или увеличивая амплитуду ускоряющего напряжения, то электронный поток окажется недогруппированным. КПД и выходная мощность при этом падают. То же происходит и в перегруппированном потоке.

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

Устройство и принцип действия

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

Предположим, что промежуточный резонатор точно настроен 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 большем, 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.

Принцип действия прибора можно наглядно продемонстрировать на примере достаточно длинного загруженного участка дороги, оснащенного светофорами. Несмотря на то, что автомобили имеют различные скорости движения и ускорения при разгоне и торможении (аналог распределения скоростей электронов) в зонах, следующих за светофорами, поток машин будет достаточно четко модулирован с частотой, равной частоте переключения сигналов светофора (аналог резонатора), причём эта модуляция будет сохраняться и на некотором расстоянии от светофоров. Если все светофоры работают согласованно (система «Зеленая волна») то на некотором протяжении дороги средние скорости автомобилей выравняются и модуляция потока будет сохраняться на всём его протяжении. Даже если на начальном участке дороги светофорное регулирование действует не на все автомобили (часть из них въезжает на нерегулируемых перекрестках), что является аналогом слабого сигнала на входе первого резонатора клистрона, на сравнительно небольшом участке произойдёт синхронизация скоростей.

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.

Параметры и характеристики

Устройство и принцип действия

Отражательные клистроны предназначены для генерирования СВЧ-колебаний малой мощности.

Отражательный 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 прохождении. 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.

Параметры и характеристики