Электрические параметры и характеристики

Лабораторная работа

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН

Цель работы: изучить устройство и принцип действия отражательного клистрона, проанализировать физические процессы, происходящие в этом приборе, измерить некоторые основные параметры и характеристики.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Клистроны относятся к классу электронно-лучевых приборов СВЧ с динамическим управлением электронным потоком, и широко применяются в приборах неразрушающего радиоволнового контроля в качестве маломощного источника поля.

В энергию СВЧ преобразуется кинетическая энергия электронов, движущихся вдоль оси прибора. Бесспорным достоинством отражательных клистронов является простота и надёжность конструкции, малые габариты и масса, невысокие питающие напряжения, наличие механической и электронной перестройки частоты, механическая прочность, высокая радиационная стойкость, слабая зависимость параметров от изменения температуры окружающей среды и малый уровень шумов.

По своей конструкции отражательные клистроны подразделяются на клистроны с внешними резонаторами и внутренними резонаторами.

ПРИИЩИП ДЕЙСТВИЯ

Устройство отражательного клистрона и принципиальная схема питания показана на рисунке 1.

1 – катод; 2 – резонатор; 3 – петля связи для вывода энергии из резонатора во внешний СВЧ тракт;

4 - отражатель; 5 - электронный поток; 6 - ускоряющий электрод (анод).

Рис. 1 – Устройство отражательно клистрона

Электронный поток, эмитируемый катодом, ускоряется под действием постоянного напряжения U_o, приложенного между катодом (1) и анодом (6). Благодаря этому скорость электронов после прохождения промежутка катод (1) – анод (6) становится равной V₀

, где е - заряд электрона, m - масса электрона,

и остаётся постоянной вплоть до первой сетки резонатора (2).

Затем, в пространстве между сетками резонатора, под действием переменного электрического поля СВЧ резонатора U(t)=U sinωt скорость электронов становится равной

,

где V₁ - амплитуда переменной составляющей скорости; w - циклическая частота СВЧ колебаний резонатора.

Промодулированный по скорости электронный поток входит в так называемое пространство группирования (пространство резонатор (2) – отражатель (4)), где действует постоянное электрическое поле с напряженностью Е, равной

,

где U_отр – напряжение между резонатором (2) и отражателем (4); L – расстояние между второй сеткой резонатора (2) и отражателем (4).

В пространстве группирования происходит преобразование скоростной модуляции электронного потока в модуляцию по плотности. Это происходит следующим образом: между резонатором и отражателем электроны движутся равнопеременно (сначала равнозамедленно, вплоть до остановки, затем меняют движение на противоположное, и, двигаясь равноускоренно, возвращаются ко второй сетке резонатора). Так как электроны выходят из резонатора в пространство группирования с разными скоростями, (быстрые электроны тратят времени на возвращение в резонатор больше, чем медленные), то становится возможной ситуация, когда целая группа электронов вернётся в резонатор одновременно, образуя электронный сгусток.

Рис. 2 – Пространственно-временная диаграмма

Пространственно-временные диа­граммы движения электронов в пространстве группирования дают возможность определить оптимальную величину времени t_опт формирования центра электронного сгустка:

, где Т – период СВЧ колебаний ЭП резонатора.

На диаграмме (Рис. 2) этому промежутку времени соответствует отрезок времени

t_опт = t_max(n) – t₂,

за который, электрон, вошедший в зазор резонатора в момент времени t₂, когда напряжение поля резонатора U_рез= 0, выходит в пространство группирования со скоростью V₀ и возвращается вновь к резонатору в момент времени t_max(n), когда поле резонатора находится в фазе максимального торможения сгустка электронов. При этом происходит отбор кинетической энергии сгустка электронов, за счёт чего в резонаторе поддерживаются незатухающие колебания.

Уравнение движения электрона в пространстве группирования

.

Интегрируя, первый раз уравнение движения и учитывая скорость V(t_i) электрона при выходе из зазора резонатора в сторону отражателя, получим

.

Повторное интегрирование при условии, что начало координат x = 0 отсчитывается от второй сетки резонатора, даёт

.

Обозначая момент возвращения электрона ко второй сетке через t_max(n), (при этом учтём, что x(t_max)=0) найдём время пролёта электрона в пространстве группирования t = t_max(n) – t_i :

, откуда

,

где индекс i=1, 2, 3 связывает моменты времени t_i с соответствующими фазами поля резонатора U_рез, а значениям n = 0, 1, 2…соответствует одна из возможных зон генерации.

В момент времени t₁ поле резонатора U_рез находится в фазе максимального ускорения электронов, вошедших в зазор резонатора, так что они выходят в пространство группирования со скоростью и движутся там на четверть периода дольше, чем t_опт.

Моменту t₃ соответствует фаза максимального торможения входящих электронов полем резонатора, так что они выходят из резонатора в пространство группирования со скоростью и движутся там на четверть периода меньше, чем t_опт.

Таким образом, все электроны, вышедшие в течение полупериода СВЧ поля от t₁ до t₃ в пространство группирования, вернутся к резонатору и соберутся в сгусток в один из моментов t_max(n), когда этот сгусток испытывает максимальное торможение полем резонатора. При этом энергия сгустка переходит в энергию СВЧ колебаний ЭП резонатора.

Время пролёта может быть выражено через электрические параметры отражательного клистрона:

.

Приравнивая t_опт и t, получим условие баланса, необходимое для получения генерации колебаний:

Подставляя вместо периода Т частоту генерируемых колебаний ¦ = 1/Т, получим уравнение, определяющее фазовые условия, при которых возможна максимальная отдача энергии электронами сгустка в резонаторе клистрона

.

Зависимость генерируемой мощности от напряжения отражателя при постоянном напряжении на резонаторе U₀ = const имеет вид зон (Рис. 3).

Рис. 3 – Зависимость мощности клистрона от напряжения на отражателе

Максимальная мощность развивается в центре зоны генерации P_max(n) при U_отр(n), когда имеет место оптимальное торможение сгустков в зазоре резонатора:

, где I₀ – ток электронного пучка.

При изменении напряжения на отражателе относительно U_отр(n), соответствующего центру зоны, время пролёта электронами пространства группирования отличается от оптимального и происходит уменьшение мощности. При достаточно больших отклонениях DU_отр= U_отр - U_отр(n) происходит прекращение генерации СВЧ колебаний.

Частота колебаний ¦ = 1/Т, генерируемых клистроном, в первом приближении, определяется резонансной частотой контура, связанного с зазором резонатора. Электронный сгусток в сеточном зазоре влияет на его резонансную частоту. Изменение частоты зависит от величины и формы электронного сгустка, времени пролёта и момента входа в сеточный зазор. Следовательно, частота, генерируемая отражательным клистроном, зависит от U₀ и U_отр. Изменение частоты колебаний при изменении напряжения на электродах называют электронной перестройкой частоты. В отражательном клистроне электронная перестройка частоты обычно производится изменением напряжения на отражателе, так как в цепи этого электрода отсутствует ток, и, следовательно, не потребляется мощность.

Диапазоном электронной перестройки называется изменение частоты генерируемых колебаний в пределах половинной мощности по отношению к максимальной мощности в центре зоны.

Необходимым условием генерации также является наличие положительной обратной связи. В отражательном клистроне функцию внутренней положительной обратной связи выполняет электронный пучок.

Третьим условием генерации является выполнение условия баланса амплитуд, которое выражается уравнением:

где – мощность источника постоянного тока; – сила тока, не промоделированного потока; – полезная мощность, генерируемая клистроном и поступающая в нагрузку; – мощность потерь.

Минимальное значение , при котором начинается генерация, называется пусковым.

Таким образом, для получения устойчивой генерации необходимо выполнение трёх условий:

а) наличие положительной обратной связи;

б) выполнение условия баланса фаз;

в) выполнение условия баланса амплитуд.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Частота и мощность

Выпускаемые в мире отражательные клистроны работают на частотах 0.8 - 220ГГц. Среди них около 200 типов предназначены для использования в миллиметровом диапазоне волн.

отражательных клистронов находится в широких пределах от 10мВт до 2.5Вт. Максимальные значения выходной мощности являются характерными для клистронов, используемых в основном в качестве генераторов передающих устройств радиорелейных линий связи маломощных доплеровских радиорелейных станций.

У большинства отражательных клистронов лежит в пределах 10 - 500мВт. При этом наибольшие значения являются характерными для клистронов, используемых в качестве генераторов накачки параметрических усилителей и генераторов в измерительной аппаратуре. Отражательные клистроны, применяемые в качестве гетеродинов приёмных устройств, имеют выходную мощность 10 - 100мВт.

Перестройка частоты

Одной из положительных особенностей отражательных клистронов является наличие возможности механической и электронной перестройки частоты. Электронная перестройка рабочей частоты определяется формулой

,

где f_max и f_min соответствуют точкам, половинной мощности, a f_cp. - максимальной мощности зоны генерации (рис. 4).

Рис. 4 – Зона генерации и перестройка частоты

Электронная перестройка частоты, осуществляемая изменением отрицательного напряжения отражателя, составляет 0.1–1% от средней частоты клистрона. Механическая перестройка рабочей частоты осуществляется обычно в пределах 1– 15%. Отдельные типы клистронов миллиметрового диапазона волн имеют механическую перестройку до 40%.