|
|
зится возбужд╦нным полэм и отда╦т ему часть своей энергии, к-рая отводится фидером Ф2 в согласованную нагрузку. Подбором уровня связи с фидером Ф2 и настройкой резонатора Рвых можно довести величину отводимой ВЧ-мощности до максимально возможной, определяемой степенью группировки пучка и энергией его частиц на выходе из пушки. Неиспользованная энергия электронов пучка выделяется в виде тепла на коллекторе (Кол.), Т. о., в К. часть кинетич. энергии электронов пучка трансформируется в энергию ВЧ-поля, отводимую в нагрузку.
Характеристики прол╦тного К, Выходная мощность К.-усилителя ограничена мощностью пучка, равной произведению тока пучка / на ускоряющее напряжение Ua пушки. Увеличению Ud препятствуют и трудности группирования электронов. Они становятся особенно значительными при тех энергиях электронов, когда начинают сказываться релятивистские аффекты, т. к. при этом быстро раст╦т необходимая длина дрейфового промежутка. Ограничения на ток / связаны с влиянием пространств, заряда: продольное расплыва-ние сгустков из-за кулоновских сил затрудняет группирование электронов, рост поперечных сил расталкивания электронов приводит к необходимости использования сильного продольного магн. поля для фокусировки. Б самых мощных К. £7Й = 300 кВ, ./=300 А. При работе в импульсном режиме мощность на выходе К. достигает десятков МВт, а в непрерывном режиме не превышает сотен кВт, что связано с трудностью отвода тепла с коллектора.
Электронный кпд К. равен отношению ВЧ-мощности, отводимой в нагрузку, к мощности, отбираемой пучком у источника пост, напряжения. При правильной настройке выходного резонатора он определяется ка-яеством группирования пучка в плоскости его зазора. Количеств, характеристикой степени, группирования служит отношение амплитуды первой (рабочей) гармоники тока /] (в его разложении в ряд Фурье) к ср. току пучка 1. При идеальном группировании в точечные сгустки это отношение для всех гармоник равно 2. Теоретнч. анализ движения электронов в груииирова-теле показывает, что в идеальном случае для двухрезо-наторного К. относит, амплитуда первой гармоники /1 = 1,16, для тр╦хрезонаторного /1=1,48 и т.д. Т.к. амплитуды гармоник с ростом их номера спадают медленно, то возможна эфф. работа К. в качестве умножителя частоты. Если разброс электронов по энергиям в сгустках, определяемый отношением ВЧ-напряжепия в зазорах резонаторов группирователя к ускоряющему напряжению пушки, невелик (в реальных конструкциях К. это всегда имеет место), то электронный кпд можно считать равным 1/2 относит, амплитуды гармоники тока. Дл,я двухрезонаторного К, электронный кпд может достигать 58%, для тр╦хрезонаторного ≈ 74%, однако за сч╦т неизбежных дополнит, потерь солпый кпд мощных многорезонаторных К. обычно ~ 40%.
Коэф. усиления К. равен отношению мощности, отводимой в нагрузку, к мощности сигнала, поступающего во входной резонатор. Он достигает 60 дБ (10е раз). Это обусловлено почти полным отсутствием во входном резонаторе затрат мощности сигнала на модуляцию электронов но скорости: однородно заряженный пучок половину периода потребляет мощность, а половину периода отда╦т е╦ полю. Поэтому достаточно высокий уровень напряжения на зазоре, требуемый для эфф. модуляции, может быть получен и при малой мощности входного сигнала за сч╦т высокой добротности резонатора, настройки в резонанс и подбора уровня связи с входным фидером, обеспечивающим отсутствие отражения мощности.
К. являются узкополосными приборами, что обусловлено высокой добротностью резонаторов группирователя. При необходимости расширения рабочей полосы частот промежуточные резонаторы расстраиваются
в обе стороны от осн. частоты в ущерб коэф, усиления и кпд. Тем не менее полоса усиливаемых частот К. обычно не превышает долей % от рабочей частоты, и это является осн. недостатком К, Многорезонаторные К.-усилители работают в диапазоне дециметровых и сантиметровых волп и находят широкое применение в выходных каскадах радиолокаторов, телевизионных передатчиков, системах дальней связи, питания линейных ускорителей.
Отражательный К. Иногда в двухрезонаторных прол╦тных К. часть мощности из выходного резонатора пода╦тся с соответствующим сдвигом фазы во входной, тогда К. работает как автогенератор. Для этой цели, однако, чаще применяется отражательный К. (рис. 3).
Рис. 3. Схема отражательного клистрона: ЭП ≈ электронная пушка; К ≈ Катод; С ≈ ускоряющий электрод (сетка); Р ≈ резонатор; О ≈ отражатель; Ф ≈ фидер; Э ≈ электронный пучок.
Электроны, эмитируемые с катода К, ускоряются пост. напряжением «а, приложенным между катодом и сеткой С, и попадают в зазор резонатора Р, где под действием ВЧ-напряження приобретают модуляцию по скорости. Дальнейшее движение электронов в дрейфовом пространстве, простирающемся до отражателя О, на к-рый пода╦тся отрицательный относительно катода потенциал и0, происходит в пост, тормозящем поле. При уменьшении скорости электронов до 0 они начинают двигаться обратно в сторону резонатора, группируясь в сгустки. В отличие от прол╦тного К,, группирование здесь происходит вокруг частиц, к-рые прошли зазор резонатора при нулевом поле в момент перехода его с ускоряющего в тормозящее. Электроны, пролетевшие зазор раньше этих частиц, испытали ускорение. Имея большую нач. скорость, они проходят в дрейфовом пространстве Др больший путь до остановки и обратный путь к резонатору совершают дольше. Электроны, вылетевшие из зазора позже, испытывают торможение, скорость их меньше, она проходят в дрейфовом пространстве меньший путь п тратят на это меньшее время. Если образовавшиеся сгустки электронов пролетают зазор в обратном направлении при тормозящем ВЧ-поле, то пучок в среднем будет отдавать часть своей энергии полю, к-рая и отводится в нагрузку по фидеру Ф.
Поле в резонаторе выполняет одновременно неск. ф-ций: модулирует влетающий со стороны катода пучок электронов по скорости (не затрачивая на это энергии), тормозит осн. массу частиц сгруппированного пучка, возвращающегося от отражателя (отбирая энергию пучка), возбуждает с помощью петлп связи волну в передающей линии (отводя ВЧ-мощность в нагрузку). Для выполнения фазовых соотношений, обеспечивающих генерацию, время пребывания центр, частиц сгустков в дрейфовом пространстве должно составлять 3/4 Т-\-рТ, где р~О, 1, 2, . . ,, а Т ≈ период колебаний. Это достигается подбором потенциала отражателя, разного для каждого р. Условие генерации при данном р выполняется в еек-ром интервале напряжений и0, а каждому и0 соответствует своя частота генерации. Возможность такой электронной перестройки яастоты, не требующей затраты энергия (электроны не попадают на отражатель), нашла применение на практике.
Поскольку резонатор выполняет неск. противоречивых ф-ций, получить хорошее группирование пучка в отражат. К. не удается, кпд его мал, по это не так существенно, т. к. оси. применение отражат. К. на-
О
U
ж
383
