3.3 Многорезонаторные клистроны

Принцип работы. Двухрезонаторные клистроны не обеспечивают больших коэффициентов усиления и КПД. Для достижения большого усиления можно применять последовательное соединение нескольких клистронов, однако гораздо выгоднее использовать многорезонаторные клистроны, которые имеют большой коэффициент усиления и высокий КПД.

Рассмотрим особенности работы многорезонаторных клистронов на примере трехрезонаторногоМежду входным 1 и выходным 3 резонаторами располагается еще один промежуточный ненагруженный резонатор 2.

(рис. 3.9).

Схема выгоднее, чем усилитель из двух двухрезонаторных клистронов, так как в ней необходим только один электронный пучок, что позволяет сократить мощность источников питания. Кроме того, из-за уменьшения числа резонаторов упрощается их настройка и снижаются потери.

Возможность увеличения коэффициента усиления удобно пояснить на пространственно-временной диаграмме

(рис. З.10а).

Рассмотрим случай, когда все резонаторы настроены на частоту сигнала (синхронная настройка). Как и в двухрезонаторном клистроне, во входном резонаторе многорезонаторного клистрона электроны модулируются по скорости. В пространстве дрейфа между входным и промежуточным резонаторами происходит группирование электронного потока, однако при слабом входном сигнале оно незначительно: электроны 1 и 2 (см. рис. З.10а) лишь немного смещаются по направлению к невозмущенному электрону О. Из-за малого параметра группирования амплитуда первой гармоники конвекционного тока i₍₁₎, Изображенного штрихпунктирной кривой, в сечении z₂ промежуточного резонатора будет также небольшой. Так как промежуточный резонатор не нагружен и является высокодобротным, то даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение U₂, создаваемое наведенным током, будет большим. Это напряжение вызывает сильную модуляцию скорости электронов, пролетающих через промежуточный резонатор. Следовательно, во втором пространстве дрейфа (между вторым и третьим резонаторами) произойдет основное группирование электронов. При синхронной настройке напряжение во втором резонаторе U₂(t) противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока i₍₁₎. Для второго резонатора электрон О', приходящий позже электрона О, будет невозмущенным, около него должно происходить основное группирование. Поэтому распределение электронов в сгустке при слабом входном сигнале практически будет определяться этим резонатором и зависимость конвекционного тока в третьем резонаторе от времени будет примерно такой же, как в двухрезонаторном клистроне, образованном вторым и третьим резонаторами, но при модуляции скорости напряжением U₂. Однако коэффициент усиления в трехрезонаторном клистроне сильно увеличивается, так как группирование электронов получается при существенно меньшей мощности сигнала, подводимой к входному резонатору.

Проведенное рассмотрение объясняет возможность получения большого коэффициента усиления в трехрезонаторном клистроне. Однако максимальное значение амплитуды первой гармоники конвекционного тока, а следовательно, максимальные выходная мощность и электронный КПД, получаемые в оптимальном режиме при синхронной настройке, остаются практически такими же, как в двухрезонаторном клистроне, и предельное теоретическое значение КПД составляет 58%.

Для увеличения КПД в многорезонаторных клистронах производится расстройка тех промежуточных резонаторов, на которых велико переменное напряжение, создаваемое наведенным током. Поясним это с помощью пространственно-временной диаграммы на рис. 3.10б. Входной сигнал u₁(t) взят достаточно большим, чтобы обеспечить при синхронной настройке резонаторов хорошее группирование электронов. Первая гармоника конвекционного тока в сечении второго резонатора i₍₁₎(t) проходит через амплитудное значение в момент прихода центрального электрона сгустка О. Существенно, что во втором резонаторе этот электрон перестает быть невозмущенным, так как таким становится электрон О', приходящий на четверть периода позже, когда u₂(t)=0. Значительное смещение центра сгустка на рис. 3.10б относительно нового центра группирования О' не позволяет электронам сгустка эффективно сгруппироваться около электрона О', а следовательно, не позволяет получить возможные максимальные значения амплитуды первой гармоники тока и электронного КПД.

Если же центральный электрон сгустка О придет во второй резонатор в момент нулевого напряжения u₂(t), то он останется невозмущенным. Тогда к пришедшему сгустку будут симметрично догруппировываться другие электроны, что вызовет увеличение числа сгруппированных электронов и амплитуды первой гармоники тока. Такое "совмещение" электронов О и О' можно получить, создавая между напряжением и током i₍₁₎(t) сдвиг фазы 90°. На рис. 3.10б напряжение u₂(t) соответствует синхронной настройке, когда U₂{t) и i₍₁₎(t) противоположны по фазе, a u'₂{t) соответствует сдвигу фазы 90°. Такой сдвиг фазы возможен при очень большой расстройке второго резонатора относительно частоты сигнала в сторону более высоких частот. Однако при этом из-за уменьшения эквивалентного сопротивления резонатора напряжение между сетками станет настолько малым, что даже приведет к ухудшению группирования. Поэтому приходится создавать сдвиг фазы меньше 90°, а уменьшение напряжения компенсировать соответствующим увеличением амплитуды входного сигнала или введением дополнительных промежуточных резонаторов.

Теоретические расчеты показывают, что в трехрезонаторном клистроне по сравнению с двухрезонаторным можно увеличить амплитуду первой гармоники конвекционного тока до значения, при котором электронный КПД достигает 75%. Дальнейшее увеличение числа резонаторов не приводит к значительному росту электронного КПД, но увеличивает коэффициент усиления и изменяет амплитудно-частотную характеристику. Наиболее распространены четырех — шестирезонаторные клистроны.

Параметры и характеристики. Максимальный коэффициент усиления трехрезонаторного клистрона достигает примерно 35 дБ вместо 15 дБ в двухрезонаторном клистроне. Теоретически можно создать клистронный усилитель с любым коэффициентом усиления. Однако по мере возрастания числа резонаторов, т. е. увеличения числа каскадов усиления, труднее исключить самовозбуждение усилителя из-за наличия паразитной обратной связи. Коэффициент усиления N-резонаторного клистрона можно ориентировочно определить с помощью следующего эмпирического соотношения, в децибелах

K_{у (P)}=15+20(N-2). (3.23)

Амплитудные характеристики [зависимость Pвых=f(Pвх)] многорезонаторного клистрона приведены на рис. 3.11.

рис. 3.11

Вид характеристик изменяется в зависимости от настройки промежуточных резонаторов. Кривая 1 соответствует режиму синхронной настройки резонаторов, а кривая 2 режиму получения максимальных мощности и КПД. Начальный участок характеристики 1 имеет большую крутизну, и она достигает максимума при малой входной мощности P_вх. Затем при увеличении Р_вх выходная мощность резко падает. Эта характеристика соответствует режиму максимального коэффициента усиления. Кривая 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Она имеет более пологий начальный участок, что свидетельствует о малом коэффициенте усиления клистрона. Область насыщения—более широкая. Благодаря лучшим условиям группирования в этом режиме достигается большая выходная мощность и выше значение электронного КПД.

Ширина полосы пропускания многорезонаторного клистрона в режиме синхронной настройки в основном определяется добротностью резонаторов. При расстройке резонаторов полоса пропускания увеличивается. Путем расстройки резонаторов относительно средней частоты полосы пропускания и подбора их добротностей удается синтезировать амплитудно-частотную характеристику и расширить полосу усиливаемых частот до нескольких процентов при уменьшении коэффициента усиления и выходной мощности.

На рис. 3.12 приведена частотная зависимость КПД мощного широкополосного четырехрезонаторного усилительного клистрона. Цифры 1—4 соответствуют собственным частотам резонаторов.

рис. 3.12

Для оценки искажений широкополосных сигналов, усиливаемых клистроном, необходимо знать также фазовые характеристики, определяющие зависимость разности фаз между колебаниями на входе и выходе от различных факторов, например от ускоряющего напряжения и амплитуды входного сигнала. Ускоряющее напряжение влияет на угол пролета электронов, а увеличение сигнала приводит к асимметрии формы сгустка и, следовательно, к изменению фазового сдвига первой гармоники тока, возбуждающей выходной резонатор.

назад | оглавление | вперёд