Н.М.Изюмов, Д.П.Линде
"ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ"
М.,Л.; "ЭНЕРГИЯ", 1965г.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ГЕНЕРИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

10-5. 

КЛИСТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

Выше уже говорилось, что инерционность электронного потока приводит к потере эффективности работы ламповых генераторов в диапазоне сверхвысоких частот. Но оказывается, инерционность электронов можно использовать для формирования коротких импульсов тока, что необходимо для получения высокого электронного к.п.д. генераторных приборов. Первым устройством, в котором это было осуществлено, явился двухконтурный клистрон.

Рис. 10-38. Двухконтурный клистрон-усилитель.

Конструкция такого клистрона показана на рис.10-38. В левой части баллона размещен электронный прожектор, предназначенный для создания однородного потока быстролетящих электронов. Он состоит из оксидного катода1, фокусирующего электрода 2 в виде диафрагмы или цилиндра, на который подается небольшое отрицательное напряжение, сжимающее электронный пучок в поперечной плоскости, и ускоряющего электрода3, находящегося под большим положительным напряжением. Однородный поток электронов, выйдя из прожектора, движется далее по инерции, поскольку остальные элементы конструкции клистрона имеют тот же потенциал, что и ускоряющий электрод, и постоянных электрических полей за прожектором нет. На пути потока установлен объемный резонатор 4, средняя часть которого выполнена в виде сеток.

Объемные резонаторы, как и рассмотренные выше коаксиальные резонаторы, образуются замкнутыми металлическими поверхностями и представляют собой колебательные системы с собственными частотами, лежащими в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Происхождение их можно пояснить следующим образом.

Рис. 10-39. Объемные резонаторы сверхвысоких частот.

Желая получить контур с предельно высокой собственной частотой, конструктор должен стремиться к максимально возможному уменьшению его емкости и индуктивности. При этом конденсатор он сводит к двум небольшим пластинам, а катушку индуктивности - к одному витку, соединяющему эти пластины (рис.10-39, а). Казалось бы, большего достичь не удастся. Однако если вспомнить, что при параллельном соединении индуктивностей результирующая индуктивность уменьшается, то станет ясно, что таких витков целесообразно включить как можно больше (рис.10-39, б). Увеличивая их число, мы придем к сплошной металлической поверхности, изображенной на рис.10-39, в. Собственная частота подобного контура должна быть очень высокой.

Отдельные части объемного резонатора играют разную роль: между плоскими пластинами сосредоточивается основная часть электрического поля, поэтому ее часто называют конденсаторной частью; по боковым стенкам протекают токи перезаряда конденсаторной части, поэтому около них сосредоточивается основное магнитное поле и эту часть контура называют индуктивной. Необходимо заметить, что подобное разделение является несколько приближенным, потому что токи протекают не только по боковым стенкам, но и по пластинам, а разность потенциалов существует и между отдельными частями боковых стенок. Правильнее говорить об едином замкнутом резонаторе с весьма сложной структурой полей. В зависимости от частоты и способа возбуждения в объемных резонаторах могут возбуждаться колебания различных типов с разной структурой полей, что может привести к изменению роли их отдельных частей. Попутно следует отметить, что благодаря большой поверхности токонесущих элементов и отсутствию потерь на излучение (все поле сосредоточено внутри объема, ограниченного проводящими поверхностями) объемные резонаторы обладают высокой добротностью, измеряемой сотнями и даже тысячами раз.

К первому объемному резонатору (первому контуру) клистрона подводится по фидерной линии напряжение <> с частотой, равной его собственной частоте (рис.10-40), и в контуре возбуждаются интенсивные колебания. Электроны, влетевшие в пространство между сетками резонатора, подвергаются воздействию его электрического поля; часть из них тормозится, а часть ускоряется. Благодаря тому что колебания в первом резонаторе слабые, изменения скорости электронов относительно невелики и они не создают изменений плотности потока внутри резонатора.

Рис. 10-40. Скоростная группировка потока электронов в клистроне.

Продолжая свой полет за резонатором, электроны, получившие ускорение, начинают догонять электроны, прошедшие резонатор, когда на его сетках после тормозящей фазы напряжение стало равным нулю (эти электроны называют невозмущенными). Электроны, прошедшие резонатор ранее в тормозящем поле, будут отставать и также приближаться к невозмущенным электронам, и на некотором расстоянии от первого резонатора, называемого группирователем, поток соберется в сгустки около невозмущенных электронов.

Следует обратить внимание на то, что с электронами, попавшими в резонатор, когда их поле переходило от ускоряющей к тормозящей фазе, произойдет обратное. Поскольку сначала резонатор проходили ускоренные электроны, а затем замедленные, то как те, так и другие будут удаляться от этих невозмущенных электронов и около них в потоке образуются разрежения. Поэтому сгустки будут следовать через интервалы, равные периоду колебаний в группирователе. Подобный процесс, при котором малая модуляция потока по скорости приводит к модуляции потока по плотности, называется скоростной группировкой электронного потока. Пространство же за группирователем, в котором происходит этот процесс, называют пространством дрейфа.

Если в месте, где образуются сгустки потока, поместить второй резонатор, то, проходя через его сетки, они будут наводить в нем переменные токи и между сетками создастся переменное электрическое поле. Поскольку сгустки приходят один раз за период, то, взаимодействуя с тормозящим полем резонатора, они будут пополнять его энергию так же, как импульсы анодного тока пополняют энергию контура в ламповом генераторе. Так же как в ламповом генераторе (см. §10-1), затраты мощности на модуляцию проходящего однородного потока по скорости практически ничтожны, а это значит, что прибор обладает хорошими усилительными свойствами.

Второй резонатор, которому поток передает свою энергию, называют улавливателем. Вследствие того что сгруппированный поток, подобно морским волнам, воздействует на улавливатель, прибор был назван клистроном, что в переводе означает "морской прибой". Электроны, прошедшие улавливатель, собираются коллектором. Полезная мощность из улавливателя передается в нагрузку с помощью элемента связи и фидерной линии. Как и всякий усилительный прибор, клистрон может быть превращен в автогенератор, если соединить улавливатель с группирователем линией обратной связи (рис.10-41).

Рис. 10-41. Двухконтурный клистронный автогенератор.

Двухконтурные и более сложные, но работающие на том же принципе многоконтурные клистроны широко используются преимущественно как усилители дециметровых и реже сантиметровых волн. Основным достоинством их является большой коэффициент усиления по мощности, достигающей десятков миллионов! К недостаткам клистронов следует отнести сравнительно низкий к.п.д., не превышающий 45%, и возможность работы только в очень узком диапазоне частот, что определяется наличием двух и более высокодобротных резонаторов, механическая перестройка которых практически исключена.

В качестве маломощных автогенераторов широкое распространение получили одноконтурные отражательные клистроны. В них вместо второго резонатора поставлен отрицательно заряженный электрод-отражатель (рис.10-42). Электроны, вышедшие из резонатора, летят по инерции к отражателю, но под действием его поля останавливаются, а затем летят в обратном направлении и вторично проходят через резонатор. При этом ускоренные электроны подлетают ближе к отражателю, чем замедленные. Можно так подобрать напряжение на отражателе, что те и другие будут возвращаться к резонатору одновременно. При этом образуются сгустки электронов, которые отдают резонатору значительно больше энергии, чем тот тратит ее на изменение скорости однородного потока.

Рис. 10-42. Одноконтурный отражательный клистрон.

Механизм возникновения колебаний в клистроне такой же, как в любом автогенераторе. Первичный импульс тока при включении прибора или всякое другое нарушение стационарного состояния приводит к появлению слабых колебаний в резонаторе. Последние модулируют поток по скорости. В нем появляются сгустки, которые с частотой модуляции воздействуют на резонатор. Благодаря отмеченным выше усилительным свойствам прибора колебания в резонаторе нарастают. Амплитуда колебаний постепенно устанавливается вследствие роста потерь в резонаторе и из-за того, что при большом напряжении на нем увеличивающаяся модуляция потока по скорости приводит к неодновременному возвращению электронов в резонатор, т.е. к ухудшению группировки потока.

Интересной особенностью отражательных клистронов является возможность изменения частоты генерируемых ими колебаний электрическим путем - изменением напряжения на отражателе. Поясним физическую сущность этого. Допустим, что сгустки возвращающихся электронов і проходят резонатор во время действия на нем максимального тормозящего поля (рис.10-43, а). Взаимодействие этого поля с потоком носит чисто активный характер. Это означает, что первая гармоника тока электронного пучка i1 проходит резонатор в фазе с действующим на нем напряжением uр. Если изменить напряжение на отражателе, то время прихода сгустков к резонатору несколько изменится. Они уже не будут проходить резонатор точно в максимальной тормозящей фазе (рис.10-43, б), а это приведет к тому, что и первая гармоника тока пучка соответственно сдвинется во времени. Значит, появится сдвиг фаз между ней и напряжением на резонаторе, т.е., помимо активного взаимодействия, возникнет и реактивное. Но последнее возможно только с расстроенной системой. Следовательно, реактивное взаимодействие приведет к изменению собственной частоты резонатора, а последнее в свою очередь вызовет изменение частоты генерации, пока взаимодействие опять не станет активным. Такое явление получило название электронной перестройки генератора. У отражательных клистронов относительная величина электронной перестройки обычно не превышает десятых долей процента.

Рис. 10-43. Возникновение электронной перестройки в отражательном клистроне.

С укорочением волны приходится уменьшать размеры резонаторов. При этом во избежание электрического пробоя приходится ограничивать и амплитуду напряжения на них, что приводит, конечно, к уменьшению генерируемой мощности. Вместе с тем время пролета электронами пространства между сетками резонатора становится соизмеримым с периодом колебаний, а это приводит к тем последствиям, с которыми мы уже сталкивались в ламповых генераторах, т.е. к необходимости увеличения мощности возбуждения, к ухудшению эффективности взаимодействия потока с полем и к падению усиления. Поиски иных способов осуществления энергетического взаимодействия потока с полем колебательных систем привели к созданию обширного класса генераторов бегущих волн.

В этой главе:
10-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАМПОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
10-2. ГЕНЕРАТОРЫ С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ (УСИЛИТЕЛИ)
10-3. ГЕНЕРАТОРЫ С САМОВОЗБУЖДЕНИЕМ
10-4. ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
10-5. КЛИСТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ
10-6. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН
10-7. ЛАМПЫ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ
10-8. ГЕНЕРАТОРЫ БЕГУЩИХ ВОЛН КЛАССА М
10-9. ТРАНЗИСТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ
10-10. ГЕНЕРАТОРЫ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
10-11. ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ С РЕАКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ОДНОГО ЗНАКА
10-12. ЗАТЯГИВАНИЕ ЧАСТОТЫ В АВТОГЕНЕРАТОРАХ
10-13. ЗАХВАТЫВАНИЕ ЧАСТОТЫ АВТОГЕНЕРАТОРА
10-14. ГЕНЕРАТОРЫ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Адаптер питания к ноутбуку - и дома от сети, и в автомобиле!

Возможность выбрать нужное напряжение и комплект разъемов-переходников обеспечат электропитанием любой ноутбук при любых обстоятельствах...

Удобная почтовая доставка не только по России...

 
Более 3000 типов оригинальных аккумуляторов...

...для смартфонов и мобильных телефонов LG, Samsung, Motorola, Nokia, Sony Ericsson и др.

Доставка почтой, курьером...

webmaster@radio-1895.ru