Пространственно- временная диаграмма для двухрезонаторного клистрона.

рис. 6.2

  Рассмотрим пространственно-временную диаграмму электронов в двухрезонаторном клистроне, изображенную на рис. 6.2. По вертикальной оси отложено расстояние z в пространстве дрейфа, а по горизонтальной — время t. В нижней части рисунка изображено переменное высокочастотное напряжение u₁(t) на сетках входного резонатора. Будем считать движение электронов в пространстве дрейфа равномерным со скоростью, определяемой (3.3). Такой “кинематический” анализ группировки дает наглядное представление о механизме процессов и объясняет его основные закономерности.

         График движения каждого электрона определяется скоростью электрона. Пространственно-временные диаграммы для электронов на пути от катода до резонатора (z<0) на рис. 3.3 не показаны. Точки пересечения прямых с осью времени определяют входную фазу электронов в пространстве дрейфа относительно напряжения на зазоре первого резонатора. Считаем, что электроны скачкообразно изменяют свою скорость в момент прохождения центра зазора. Диаграмма наглядно показывает, что в потоке электронов образуются сгустки и разрежения. Для тех электронов, которые проходят высокочастотное поле, когда оно тормозящее, наклон прямых уменьшается, для других - увеличивается. В результате прямые расходятся или сходятся, чем объясняются группирование или фазовая фокусировка электронов. Последнее название объясняется аналогией с геометрической фокусировкой пучка света в оптике.

     В каждом периоде колебаний образуется один сгусток, в центре которого находится электрон, прошедший через зазор без изменения скорости, т. е. в момент перехода поля через нуль от тормозящего к ускоряющему полупериоду. Группирование было бы идеальным, если бы все электроны, прошедшие через первый резонатор за полупериод, приходили ко второму резонатору одновременно. В этом случае конвекционный ток в сечении второго резонатора представлял бы периодическую последовательность δ-импульсов. Однако при синусоидальной скоростной модуляции группирование отличается от идеального.

Отражательный клистрон. Группировка электронов в однородном тормозящем поле. Конвекционный ток. Энергетические соотношения взаимодействия электронов с высокочастотным полем в отражательном клистроне. Электронный КПД и зоны генерации.

Устройство. Отражательный клистрон имеет всего один резонатор, служащий одновременно модулятором и улавливателем энергии. Устройство отражательного клистрона показано на рис. 2-16. Здесь имеется катод, ускоряющий электрод и объемный резонатор. На некотором расстоянии за сетками резонатора расположен отражатель, на который подается отрицательное напряжение порядка U_отр ≈ -(100 ÷ 200) в.

Рис. 2-16. Устройство отражательного клистрона. 1 - катод; 2 - ускоряющий электрод; 3 - резонатор; 4 - отражатель

Принцип действия. Поток электронов от катода, разгоняемый полем ускоряющего электрода, проходит через сетки резонатора. Вследствие флуктуации электронного потока в резонаторе наводятся слабые колебания. В результате дальнейших процессов, которые описаны ниже, электроны передают свою энергию высокочастотному полю резонатора, поддерживая возникшие колебания, амплитуда которых вскоре достигает стационарной величины.

Пространственно-временная диаграмма. В установившемся режиме поток электронов, движущихся через сетки резонатора (рис. 2-17), подвергается воздействию переменного электрического поля. Скорость электронов, как и в двухрезонаторном клистроне, изменяется в зависимости от мгновенного напряжения u = U₀ + U_Msinωt между сетками резонатора в соответствии с законом (2-9)

υ₁ = υ(1 + Msinωt).

Рис. 2-17. Пространственно-временная диаграмма группирования электронов в отражательном клистроне

Пролетев сетки резонатора, электроны попадают в тормозящее поле отражателя. Постепенно замедляя движение, они теряют скорость до нуля в точке, где мгновенная разность потенциалов u + (-U_отр) = 0, и, отталкиваемые полем отражателя, движутся обратно к резонатору.

Электроны, пролетевшие резонатор в те отрезки времени, когда поле между его сетками ускоряющее (положительный полупериод на второй сетке), проникают дальше по направлению к отражателю. Те же электроны, которые пролетели резонатор в тормозящем поле (отрицательный полупериод на второй сетке), проникают в пространство за сетками на меньшую глубину. Как видно из рис. 2-17, поток электронов, возвращающихся к резонатору, во времени неравномерен по плотности. Модуляция электронов по скорости приводит к модуляции по плотности.

Электроны, прошедшие резонатор в ту половину периода, когда переменное напряжение на второй сетке изменялось от максимума к минимуму, образуют при возвращении к сеткам плотный сгусток. В следующий полупериод изменения скоростей электронов таковы, что они при возвращении разгруппировываются.

Центром образовавшегося сгустка является невозмущенный электрон, пролетевший резонатор, когда переменное напряжение на второй сетке проходило через нуль, меняясь от положительного к отрицательному, а не наоборот, как это было в двухрезонаторном клистроне.

Подобрав величины напряжений U₀ и -U_отр, можно добиться, чтобы сгусток электронов приходил к сеткам резонатора в тот момент, когда поле в зазоре тормозящее. Вследствие того, что вектор скорости возвращающихся электронов противоположен по направлению вектору скорости электронов, движущихся от катода, поле в зазоре будет для них тормозящим, когда напряжение на второй сетке положительное. Пролетая между сетками резонатора в тормозящем поле, сгусток электронов поддерживает возникшие в резонаторе колебания.

Электронный КПД отражательного клистрона η_эл характеризуется отношением полезной мощности Р_е, развиваемой электронным потоком к мощности P₀ = I₀U₀, потребляемой от внешнего источника питания.

Выражение для η_эл легко получить, разделив (2-71) на величину P₀ и подставляя туда (2-62):

Отсюда следует, что η_эл падает с номером области n и в любой области достигает наибольшего значения при максимуме функции XJ₁(X), что соответствует величине Х = 2,4.

В реальных устройствах далеко не вся мощность Р_е отводится в нагрузку, значительная часть мощности теряется в самом резонаторе, в линиях отвода энергии и т. д. Поэтому полный КПД клистрона η обычно не превышает нескольких процентов.

Области колебаний (зоны генерации). Соотношение (2-63), определяющее баланс фаз в отражательном клистроне, позволяет, зная l, n и λ, подобрать необходимые величины U₀ и U_отр. Из (2-63) следует, что клистрон генерирует колебания лишь при целочисленных значениях т, т. е. при таких углах пролета, когда сгусток электронов, возвращаясь, попадает в максимум тормозящего поля. В действительности (рис. 2-18), генерация может возникнуть и в случае небольших отклонений ΔΘ₀ от величины 2π (n - ¹/₄). Электроны все же попадают в тормозящее поле, хотя его величина и меньше максимальной. Мощность колебаний уменьшается.

Таким образом, при плавном изменении U₀ или U_отр генерация наблюдается лишь в определенных интервалах изменения этих величин, когда точно или приближенно выполняется условие ()2-63.

В соответствии с этим различают области или зоны генерации отражательного клистрона, соответствующие различным значениям числа n (рис. 2-19).

Рис. 2-19. Области генерации