Отражательные клистроны. 
Электроника

Эти приборы в основном используются в качестве маломощных генераторов с электронной перестройкой частоты. В них один и тот же резонатор осуществляет и модуляцию электронного потока по скорости, и отбор энергии. Это достигается тем, что модуляция по скорости происходит при прямом движении электронов, а отбор энергии от сгруппированного потока реализуется при обратном движении за счет отражения электронов постоянным тормозящим полем специального электрода (отражателя). Отражательные клистроны (ОК) работают вплоть до субмиллиметрового диапазона длин волн.

Устройство. Стационарные процессы движения электронов.

Схематическое устройство ОК приведено на рис. 13.5, а, где цифрами обозначены следующие элементы: 1 — катод, 2 — ускоряющий электрод, 3 — резонатор, 4 — отражатель. На ускоряющий электрод и резонатор подается постоянный положительный потенциал (до нескольких сотен В), а на отражатель — отрицательный потенциал порядка ?/_отр ~ -(100…200) В. Распределение постоянных потенциалов внутри ОК в направлении.

Рис. 13.5.

от катода к отражателю дано на рис. 13.5, б. Если не учитывать СВЧ-поля в резонаторе, т. е. рассматривать условия, когда клистрон не возбужден, то до управляющего электрода (УЭ) электроны ускоряются, от УЭ до резонатора, включая его сетки, электроны летят с постоянной скоростью п₍₎ = А—и₀у а в пространстве между резонатором (Р) и отражателем (О) они тормозятся и в плоскости х = *_макс останавливаются и начинают свое движение в обратном направлении.

Принцип действия. Поток электронов, проходящий через сетки резонатора в силу теплового разброса скоростей электронов, вылетающих из катода, имеет флуктуирующую (шумовую) составляющую и_ш относительно У₀, т. е. скорость электронов и = и₀ + у_ш, где и_ш — усредненная шумовая (флуктуирующая) составляющая скорости. Вследствие флуктуаций электронного потока в резонаторе наводятся слабые колебания, т. е. на сетках резонатора из-за тепловых флуктуаций всегда существуют слабые колебания с частотой, близкой или равной собственной частоте резонатора. Резонатор из широкого спектра флуктуаций выделяет только те частоты, которые входят в его полосу пропускания. В результате процессов, которые будут описаны ниже, в клистроне устанавливаются при заданных U₀ и U_mf) стационарные СВЧ-колебания. Аналогично происходит возбуждение и других типов ЭВП СВЧ-генераторов: ЛОВО, магнетронов и др.

В установившемся режиме поток электронов, пролетающих между сетками резонатора, подвергается воздействию переменного электрического ПОЛЯ.

Подобно ДРК скорость электронов в ОК изменяется по закону v = d₀(1 + М sin 0)0, т. е. как и в ДРК происходит модуляция электронов по скорости. Пролетев резонатор электроны движутся в тормозящем поле отражателя, теряя скорость до нуля в плоскости, где равна нулю мгновенная разность потенциалов (U₀ + и _т sin со о + (-^отр) ^{= 0} Wm — амплитуда СВЧ-поля на сетках резонатора). После остановки около плоскости х = *_макс электроны начнут свое движение назад к резонатору. Электроны, пролетевшие резонатор в течение той половины периода, когда переменное напряжение между сетками резонатора (середина зазора) изменялось от максимума к минимуму, образуют при возвращении сгусток. В отличие от ДРК в ОК центром сгу;

стка является электрон, пролетевший резонатор, когда мгновенное значение переменного напряжения равно нулю при изменении от положительного к отрицательному. Это связано с тем, что вектор скорости возвращающихся электронов противоположен по направлению вектору скорости электронов, движущихся от катода. Подбором и_о и и_отр можно добиться того, чтобы сгусток электронов пролетал сетки резонатора в максимально тормозящем СВЧ-поле, т. е. когда СВЧ-потенциал в середине зазора был бы максимально положительным (рис. 13.6). При изменении и₀ или 17_тр глубина проникновения электронов в пространство отражателя будет различной. Например, уменьшение |С/_отр| приводит к тому, что *_макс будет больше и плоскость остановки электронов приближается к отражателю и, следовательно, время движения электронов от резонатора к отражателю и назад будет возрастать. В результате электронный сгусток.

Рис. 13.6.

может попадать в ближайший тормозящий период, когда п = О, а время пролета невозмущенного электрона *_пр = ¾Т при напряжении на отражателе ?/_()тр = или же в следующий тормозящий период, когда *_пр = ¾Т + пТ = (п + ¾)7 а п = 1, 2… (значение п представляет собой номер зоны генерации). На рис. 13.6.

Сгустки, попадая в тормозящее СВЧ-поле, передают ему энергию и поддерживают колебания в резонаторе при отводе ее в нагрузку. Зависимость мощности в нагрузке Р_н для рассмотренных зон генерации приведена в нижней части рис. 13.6.

Ток в отражательном клистроне можно вычислить, пользуясь, как и в ДРК, законом сохранения заряда. Если 1_е — конвекционный ток в плоскости, проходящей через середину зазора резонатора, а /₀ — ток электронного потока в отсутствие модуляции, то в результате расчетов можно получить, что при * = 1 ¹ех ⁼ /о/а + X сое 0), где 0 = (01 — фаза переменного напряжения в момент вылета электронов из резонатора. Это выражение отличается от формулы (13.4) для ДРК лишь знаком перед соя, что объясняется сдвигом центра группирования в ОК на к по сравнению с ДРК. Следовательно, спектральный состав электронного тока в ОК не изменяется по сравнению с ДРК, и все соответствующие выводы, сделанные для ДРК, справедливы и для ОК.

Условия генерации. Эти условия, как и для любого автогенератора, определяются балансом фаз и балансом мощности. Физически баланс фаз в ОК выполняется при условии, что сгусток электронов приходит от отражателя в середину между сетками резонатора в максимуме тормозящего поля, т. е.

Как видим из этого выражения, условие генерации существует для различных зон генерации (различные значения п).

Условие баланса фаз на основе анализа эквивалентной схемы (рис. 13.7) можно записать в виде равенства реактивных проводимостей.

где В_г, В_р — соответственно реактивная проводимость электронного потока и резонатора.

Угол пролета 6_опт зависит от ?7₀ и ?7_отр, и поэтому, изменяя эти напряжения, можно получить различные углы пролета, соответствующие разным величинам п = = 0, 1, 2, 3, …" поскольку меняется ?_пр.

Сгруппированные электроны, возвращаясь к сеткам резонатора, тормозятся СВЧ-полем и тем самым передают энергию этому полю, поддерживая колебания в резонаторе. Сгусток электронов наводит в резонаторе ток, амплитуда которого, так же как и в ДРК (см. выражение (13.7)), равна 1_2пх — 2(51#1₁(Х). (Здесь индекс у (3 опущен, поскольку в ОК только один резонатор.) Мощность, передаваемая электронным потоком резонатору, равна Р_с = $ 1₀и^_г(Х). Часть этой мощности (Р_п) расходуется на восполнение потерь в самом резонаторе, а остальная мощность (Р_п) отводится в нагрузку:

Рис. 13.7.

При проводимостях потерь в, и нагрузки О_н мощности потерь и нагрузки представим соответственно в виде Р_п = (17%Сг_п)/2, Р_н = ((7%С_и)/2 (см. рис. 13.6, внизу). При этом Р_е = Р/₀1/_те7,(Х) = = и%(С_п + С_н)/2. Последнее выражение является условием баланса мощности в ОК. Если ввести эквивалентную активную проводимость электронного потока С_е (см. рис. 13.7), то условие баланса мощностей можно записать в виде равенства нулю суммы активных проводимостей С_е + С_п + С_н = О, при этом С_е имеет отрицательное значение.

Электронная настройка частоты. В ОК существуют различные зоны генерации не при фиксированных ?7₀ и ?7^, а в определенном диапазоне значений ?7₀ или ?7_ОТр. Это связано с тем, что при изменении ускоряющего напряжения и напряжения на отражателе происходит также и изменение частоты колебаний. Такое явление называется электронной настройкой частоты. Обычно в ОК частоту изменяют за счет регулировки напряжения на отражателе, так как в его цепи ток не протекает, а значит, и нет потери мощности при электронной настройке. Электронная настройка частоты присуща всем генераторам на основе ЭВП СВЧ с динамическим управлением: генераторы ЛОВО, магнетроны и другие генераторы на приборах типа М, и т. д.

Рассмотрим механизм этого явления в ОК. Формально, из условия баланса фаз 6_0пт = 0)*_пр = 2л^л + | ^ видно, что правая часть выражения является константой прСи фиксированных п> следовательно, при изменении и_о или ?7^, когда изменяется t , для выполнения условия баланса фаз соответствующим образом должна изменяться частота со, т. е. если ?_пр растет (при уменьшении |1/_отр|), то величина со должна возрастать. Эту ситуацию можно объяснить следующим образом. При уменьшении |Г/_отр| относительно |(7_отр|_опт, соответствующего центру зоны генерации, когда Р_н = Р_нмакс (рис. 13.8), электроны образуют сгусток, проникая ближе к отражателю, т. е. х_млкс возрастает, следовательно, электроны будут находиться в пространстве отражателя большее время, и сгусток формируется, не долетев до резонатора. В этом случае напряжение на сетках резонатора будет опережать по фазе ток 1_е на некоторый угол, и реактивное сопротивление резонатора будет иметь индуктивный характер. Однако поскольку сгусток формируется раньше прилета в резонатор, то ток (между сетками резонатора) в электронном потоке опережает.

Рис. 13.8.

напряжение, поскольку сгусток сформировался раньше прилета в резонатор, т. е. электронная проводимость носит емкостной характер. В результате изменение индуктивной проводимости гасится равным, но противоположным по знаку изменением емкостной проводимости, и сумма реактивных проводимостей опять оказывается равной нулю. Однако резонансная частота всей системы станет меньше, поскольку возросли индуктивность и емкость в эквивалентной схеме ОК. При увеличении и_отр| относительно |?/_отр|_()1|Т будет наблюдаться аналогичная картина, только проводимость резонатора будет носить емкостной, а электронная проводимость — индуктивный характер, и частота возрастет.

Следует отметить, что как в том, так и в другом случаях амплитуда на сетках резонатора станет меньше, поскольку добротность резонатора упадет, так как работа происходит на частотах, отличающихся от резонансной частоты со₀. Оптимальный режим соответствует случаю, когда проводимость резонатора и электронного потока являются чисто активными и частота генерируемых колебаний со = о)₀.

С увеличением номера колебаний (номера п) время пролета электронов возрастает на соответствующее п число периодов. Для того чтобы электроны окончательно сформировались в сгустки в моменты их прихода в резонатор, амплитуда колебаний на сетках резонатора будет меньше, поскольку сгустки должны формироваться на протяжении большего времени. Допустимые пределы изменения частоты, называемые диапазоном электронной настройки частоты, ограничиваются значениями напряжения на отражателе, при которых мощность колебаний уменьшается не более чем в два раза по сравнению с ее максимальным значением в центре области (см. рис. 13.8). Анализ показывает, что величина диапазона электронной настройки возрастает с увеличением /₀, с уменьшением и_о и при возрастании п. Такая зависимость связана с тем, что увеличение /₀ приводит к увеличению количества электронов в сгустках и росту мощности колебаний в зоне и ее расширению по оси и^ и, как результат, росту До)_р. Это нетрудно понять из рис. 13.8, когда кривые Р_н станут выше и шире для каждой зоны. Увеличение параметра п приводит к тому, что при одинаковых изменениях А|С/_отр| в случае больших п фазовый сдвиг между токами и напряжениями будет значительно больше, чем при меньших п. Например, возьмем изменение напряжения на отражателе Д|[/_отр| = 10 В для любого п. Пусть при.

П = ¹ 1^_отр1опт1 = 200 в (центр зоны), тогда Д|и_отр|/|С/_отр|_опт1 = 0,05. Для /1 = 3 |С/_отр|_опт3 = 50 В и Д|^_отр|/|С/_отри, тЗ = 0,2, т. е. изменение в четыре раза больше, поэтому и сдвиг по фазе между током и напряжением резонатора во втором случае будет пропорционально больше по сравнению с первым случаем. В результате диапазон и крутизна электронной настройки будут увеличиваться с ростом п.

Поскольку ширина диапазона электронной перестройки обычно мала (До) < 0,01со₀), то для работы в широкой полосе частот применяют механическую перестройку частоты отражательного клистрона путем изменения размеров резонатора.

Параметры ОК. Наиболее типичные параметры современных отражательных клистронов лежат в следующих пределах: в среднем выходная мощность ОК находится в диапазоне величин 10…500 мВт, значения напряжения резонатора 200…300 В для ОК сантиметрового и 1000 В для ОК миллиметрового диапазонов длин волн, КПД < 2…3%, а электронный КПД — несколько процентов.

Типичные значения крутизны электронной настройки в рабочих зонах генерации ОК: 0,3…0,5 МГц/В — десятисантиметровый; 1,0…2,5 МГц/В— трехсантиметровый; 5…8 МГц/В — восьмимиллиметровый диапазоны длин волн. Значения диапазона электронной перестройки лежат обычно в пределах до 1%. ОК имеют малую массу ~ 0,05…0,5 кг, большой срок службы до (15…20)-10³ часов. ^.

К недостаткам ОК относятся малый КПД и высокий уровень шумов. Дальнейшим развитием ОК являются минитроны, представляющие собой приборы с линейными размерами в несколько мм и массой ~1 г. Дальнейшая миниатюризация ЭВП СВЧ может привести к созданию интегральных устройств, подобных интегральным схемам на полупроводниковых приборах.