Устройство и принцип работы отражательного клистрона

Отражательный клистрон является маломощным автогенератором сантиметровых и дециметровых волн. Отражательный клистрон был разработан В.Ф.Коваленко в 1940 г. Он состоит из электронной пушки, одного резонатора и отражателя. В электронную пушку обычно вводят катод и ускоряющий электрод.

Как генератор отражательный клистрон характеризуется двумя особенностями. Во-первых, его КПД очень мал и лежит в пределах 0,03-3%. Это не позволяет его использовать в качестве мощного генератора, но не является препятствием для использования в качестве маломощного генератора. Во-вторых, отражательный клистрон может до 10⁷ раз в секунду изменять частоту при изменении напряжения на отражателе. При этом мощность расходуется на управление меньше, чем при любом другом способе. Конструкция отражательного клистрона показана на рисунке 2.24.

Рис. 2.24. Отражательный клистрон.

1 - рефлектор (отражатель); 2 - объемный резонатор; 3 – катод;

4 - сетки резонатора; 5 - настроечный винт; 6 - ускоряющий электрод;

7 – выход.

Принцип действия.

Источником электронов является катод. Ускоряющее напряжение подводится к ускоряющему электроду. К рефлектору подводится отрицательное относительно катода напряжение.

При включении источников питания электроны, сфокусированные в узкий луч, ускоряются постоянным электрическим полем и движутся к сеткам резонатора равномерным потоком.

Ускоряющее поле сообщает электронам кинетическую энергию, они пролетают сетки резонатора равномерным потоком и по инерции движутся к отражателю. Скорость их под действием тормозящего поля рефлектора уменьшается и, не долетев до рефлектора, электроны возвращаются назад к сеткам. Первые электроны, пролетающие сетки резонатора, наводят в них импульс тока и возбуждают в резонаторе колебания (в дальнейшем колебания в резонаторе поддерживаются пульсирующим потоком электронов и превращаются в устойчивые и незатухающие колебания, если сохраняется условие самовозбуждения). В результате возникших СВЧ-колебаний между сетками возникает переменное напряжение и электрическое поле СВЧ.

Последующие электроны при движении от катода к рефлектору взаимодействуют с электрическим полем резонатора. Под действием переменного напряжения на сетках резонатора происходит модуляция скорости электронов. Положительное напряжение ускоряет электроны, движущиеся к отражателю, а отрицательное - тормозит.

Резонатор не расходует мощность на модуляцию скорости электронов, т.к. число ускоренных за период электронов равно числу замедленных электронов, т.е. суммарный баланс мощности равен 0. В пространство отражения (группирования) электроны входят с различными скоростями, поэтому проходят в нем различные пути. Причем, ускоренные электроны проходят наибольший путь, а замедленные, соответственно, меньший.

При обратном движении ускоренные догоняют замедленные и образуется сгусток электронов. При выполнении условия самовозбуждения сгустки электронов попадают в промежуток между сетками в тот момент времени, когда поле для них является тормозящим, отдают свою кинетическую энергию резонатору и поддерживают незатухающие там колебания. Процесс образования сгустков удобно рассматривать с помощью пространственно-временной диаграммы (рис.2.25).

Рис. 2.25. Образование сгустков электронов в отражательном клистроне

Электроны группы 1 пролетают в максимально ускоряющем поле сеток, поэтому проходит наибольший путь x₁, и возвращаются обратно к сеткам в момент t5. Электроны первой группы - ускоренные.

Электроны группы 2 проходят меньший путь x₂ и возвращаются к сеткам в тот же момент t5.

Электроны группы 3 проходят путь х₃. Поле сеток для них максимально тормозящее.

Возвращение всех трех групп электронов к сеткам в один и тот же момент времени t_s, когда поле, для образовавшегося сгустка максимально тормозящее, обеспечивается правильным выбором напряжений отражателя и резонатора - U₀ и U_p.

Электроны сгустка, отдав часть энергии полю резонатора, частично попадают на его сетки и создают ток в ее цепи.

Оно заключается в том, что плотность электронов в сгустках должна быть достаточной для компенсации всех потерь в резонаторе. Это обеспечивается требуемой плотностью электронов в луче, которая зависит от U₀ и U_p.. Выполнение амплитудного условия обеспечивается, если ток луча больше некоторого минимального значения. При нормальной эмиссии катода и нормальном значении напряжения Еа амплитудное условие автоматически выполняется при выполнении фазового условия. Поэтому рассмотрим фазовое условие более подробно. Оно состоит в том, что сгустки электронов должны пролетать зазор резонатора в тормозящем поле. На рисунке 2.25 видно, что сгустки электронов попадают в максимум тормозящего поля сеток в том случае, если среднее пролетное время электронов (т.е. время пролета центров группирования) t_пр

t_пр = Т; Т; Т и т.д.

t_пр = Т×(n- ) - фазовое условие самовозбуждения.

где: Т - период переменного напряжения на сетках.

Вывод: при небольшом КПД своей работы отражательные клистроны способны генерировать колебания СВЧ – диапазона в широком спектре частот, при этом потребляемая ими мощность сравнительно невелика.