Сгусток

Поток электронов

L

Рис. 2.21. Первый резонатор.

Таким образом, равномерный поток электронов в зазоре между сетками попадает в переменное высокочастотное электрическое поле, созданное входным напряжением, которое в течение одной половины периода тормозит электроны, а в течение другой – ускоряет. Такое взаимодействие электронов с переменным электрическим полем назвали скоростной модуляцией (модуляцией по скорости).

Таким образом, после резонатора скорость различных электронов в потоке будет различна. Так как в результате взаимодействия с СВЧ – полем три ряда электронов (рис. 2.22.) покинут пространство взаимодействия в разное время, но уже с различными скоростями, так как первый ряд электронов, попавший в тормозящее поле, притормозился, второй ряд, попавший в нулевое поле, не изменит своей скорости и третий ряд, попавший в ускоряющее поле, дополнительно ускорится.

Рис 2.22. Принцип группирования электронов.

Очевидно (рис. 2.22.) «быстрые» электроны, вылетевшие позднее будут догонять в процессе движения более «медленные» электроны, вылетевшие раньше, но имеющие меньшие скорости. На некотором расстоянии электроны сгруппируются в сгусток вокруг немодулированного электрона. Это приводит к тому, что на некотором расстоянии от резонатора ранее постоянный по плотности электронный поток становится прерывистым, т.е. модуляция по скорости приводит к модуляции по плотности электронного потока.

Получение прерывистого электронного потока является необходимым для обеспечения положительного энергетического баланса, т.е. для пополнения энергии электрического СВЧ поля.

Установим теперь на пути прерывистого электронного потока 2-ой резонатор (рис. 2.23).

Рис 2.23. Второй резонатор.

Электронные сгустки, пролетая его зазор, будут наводить в нем колебания. Если же каждый последующий сгусток электронов попадает в электрическое поле 2-го резонатора в момент времени, когда поле для них тормозящее, то колебания станут незатухающими. Для выполнения этого необходимо, чтобы сгустки электронов отставали друг от друга на время, равное периоду колебаний или целому числу периодов.

Если время пролета сгустков электронов между сетками резонатора меньше половины периода, а в интервалах между сгустками плотность электронного потока равна нулю, то энергия будет передаваться только в одном направлении: от электронов – полю.

Расстояние до места группирования «медленных» и «быстрых» электронов зависит от их начальной скорости и от разности их скоростей. Поэтому управлять местом группирования электронов можно путем регулировок ускоряющего напряжения и амплитуды СВЧ поля (U_m).

В качестве модулирующего напряжения используется СВЧ колебания, подлежащие усилению (в усилителях), или же часть энергии (в автогенераторе), отдаваемая в модулирующее устройство через цепь обратной связи.

Таким образом, особенностями динамического метода управления электронным потоком является:

а) Превращение равномерного потока в неравномерный осуществляется за счет его предварительной модуляции по скорости;

б) Плотность электронного потока в различных сечениях пространства группирования разная, т.е. зависит от времени и скорости движения электронов в пространстве группирования;

в) Электроны взаимодействуют с СВЧ – полем «на пролете», не попадая на колебательную систему.

Переменное СВЧ – поле создается в колебательной системе за счет зарядов, наводимых в ней пролетающими мимо электронами. Отсюда и название – генераторы пролетного типа.

Таким образом, в генераторах с динамическим управлением энергия движущихся электронов непосредственно преобразуется в энергию СВЧ колебаний.

При подаче на вход сигнала Ui=Uo sin (wt) переменное электрическое поле, сосредотачивающееся в основном между сетками группирова­теля, накладывается на постоянное ускоряющее напряжение Ek и изменяет скорость пролетающих между этими стенками электронов. В результате различия скоростей электронов в пространстве дрейфа происходит их группирование в сгустки. Сетки группирователя электроны покидают с плотностью, соответствующей среднему значению тока луча I₀, а по мере продвижения электронов в пространстве дрейфа их плотность изменяется. Там, где плотность сгустков наибольшая, нужно располагать сетки улавливателя.

Сгустки электронов, пролетая между сетками СЗ и С4, будут попадать в тормозящее поле улавливателя и, взаимодействуя с этим полем отдавать ему часть своей энергии. Если улавливатель настроен на частоту сигнала, то сгустки электронов будут тормозиться высокочастотным полем резонатора, при этом кинетическая энергия электронов будет передаваться полю резонатора, а поэтому во втором резонаторе возникают и в последующем усиливаются колебания (U2 ³ U1).

Условие оптимального торможения сгустков в улавливателе достигается соответствующим выбором длины пространства группирования или подбором ускоряющего напряжения Ек (от него зависит скорость электронов Vo). При выполнении условия правильного выбора пространство дрейфа колебательная мощность будет максимальной.

Электроны, прошедшие сетки улавливателя, попадают затем на коллектор.

Таким образом, пролётный клистрон - это усилитель напряжения и мощности.

Достоинства пролётного клистрона.

1. В пролётном клистроне, благодаря большой длине пространства дрейфа, практически отсутствует обратная связь между выходом и входом. Даже при больших значениях коэффициента усиления клистрон не самовозбуждается. Он обладает хорошими свойствами буферного каскада.

2. Другим достоинством пролётного клистрона является большое значение коэффициента усиления по мощности (К_р =10 ¸ 10 десятков единиц), что выше по сравнению с ламповыми усилителями в том же диапазоне сантиметровых и дециметровых волн. Получить большие значения коэффициентов усиления не удаётся из-за того, что для расширения полосы пропускания приходится применять резонаторы сравнительно невысокой добротности. Наибольшее значение коэффициента усиления Кр получается при малых значениях уровня входного сигнала Р_вх.

3. В пролетном клистроне возможно получение больших значений выходной мощности Р_вых. (P_имп. £ n 10 МВт, P_cp. £ n 100 кВт). Режим максимальной выходной мощности получается при мощности Р_{вх. опт.}, соответствующей оптимальным условиям группирования электронов.

Недостатки пролётного клистрона.

1. Полоса пропускания пролётного клистрона составляет от долей до нескольких процентов от резонансной частоты. Узкая полоса пропускания является основным недостатком клистронного усилителя.

2. Двухрезонаторный усилительный клистрон характеризуется невысоким КПД. Теоретически он не может быть более 50%, а на практике не превышает нескольких процентов. Причиной снижения реального КПД является увеличение поперечных размеров луча за счёт сил электростатического расталкивания электронов, перехват части электронов луча сетками резонаторов, а также эффект разгруппирования электронов при больших значениях ускоряющего напряжения Ек.

Для увеличения КПД клистрона в его конструкцию внесен ряд усовершенствований:

а) Для предотвращения поперечного расширения луча электронов применяют фокусирующую систему (соленоид или постоянный магнит);

б) Из конструкции клистрона исключают сетки, а электронный поток пропускают через щели (зазоры в специальных трубках дрейфа);

в) Применяют многолучевые пролетные клистрона, в которых общий электронный поток большой плотности расчленяется на несколько параллельных потоков меньшей мощности, что также уменьшает его расфокусировку и позволяет снизить в приборе напряжение Ек.

г) Для управления потоком электронов используют не один, а несколько резонаторов, т.е. применяют многорезонаторные (трех или четырех резонаторные) пролетные клистроны. Многорезонаторный пролетный клистрон можно рассматривать как последовательное соединение двух клистронов, но с более лучшими характеристиками.

Есть приборы, в которых движущийся сгусток электронов взаимодействует с движущейся в пространстве электромагнитной волной. Это приборы длительного взаимодействия (ЛБВ).

Также используются приборы, в которых электроны движутся в продольных электрическом и магнитном полях (ЛБВ, отражательные клистроны), и приборы, в которых используются скрещенные (взаимно перпендикулярные) электрические и магнитные поля (магнетрон).

Вывод: 1. Для того чтобы энергия, передаваемая СВЧ-полю, была больше энергии, отбираемой электронами у него, необходимо, чтобы плотность потока электронов была неравномерной.

2. Необходимо решить задачу автоматической модуляции потока электронов по скорости, которая переходит в модуляцию по плотности, т.к. ускоренные электроны догоняют заторможенные и образуют сгустки.

3. Для того чтобы эти сгустки электронов отдавали энергию СВЧ-полю, необходимо, чтобы они попадали в максимум тормозящего поля.

4.Пролетные клистроны как специальные СВЧ-приборы нашли широкое применение в РЛС в качестве усилителей напряжения и мощности, умножителей частоты, а также в качестве автогенераторов.