Пути повышения КПД и полосы усиления клистронов (рекуперация, несинусоидальная скоростная модуляция, многозазорные резонаторы).

Более высокие значения КПД многорезонаторных клистронов можно получить в следующих случаях.

1. Использование рекуперации энергии, которая заключается в торможении электронного пучка на выходе его из преобразующегося устройства. Для этого между преобразующим устройством и отделенным от него коллектором создают тормозящее электростатическое поле. В этом случае неиспользованная электронами энергия переходит в энергию электростатического поля, т.е. возвращается в источник питания. Рекуперация по своему физическому смыслу аналогична возврату электрической энергии во внешнюю цепь электродвигателя при его торможении.

Полная передача энергии электронных сгустков в высокочастотном поле выходного резонатора (т.е. 100%-й электронный КПД) означает снижение скорости электронов до нуля на выходе из зазора резонатора. Последнее обеспечить не удается, и электроны вылетают из выходного резонатора к коллектору с конечными скоростями. Рекуперация достигается путем снижения потенциала коллектора по отношению к потенциалу резонаторной системы с трубами дрейфа, что обеспечивает дальнейшее торможение электронов на участке между выходным резонатором и коллектором, т. е. в цепи постоянного тока.На рис. 2.12 показано, как подается напряжение на коллектор многорезонаторного клистрона с рекуперацией. В схеме использованы два источника питания. Один из них подключен к ускоряющему электроду, другой – к коллектору. Напряжение U₀ первого источника определяет среднюю скорость электронов в группирователе, в состав которого входят все резонаторы, кроме выходного. Постоянный токI_р этого источника, возникающий вследствие оседания электронов на стенках труб дрейфа и в резонаторах, обычно невелик. Высокое токопрохождение электронов на коллектор обеспечивается в основном за счет фокусирующего действия продольного магнитного поля.

Напряжение второго источника U_кл меньшеU₀в соответствии с принципом рекуперации, а ток второго источникаI₀– это фактически постоянный ток электронного пучка, достигающего коллектора.

Рис. 2.12. Схема трехрезонаторного клистрона с рекуперацией

Электронный КПД клистрона с рекуперацией определяется выражением [2]

, ( 2.37)

где Р₀₁иР₀₂– мощности источников питания; Р_эл – мощность, отдаваемая электронным потоком.

Так как I_р<<I₀, тоР₀₁<<Р₀₂ и h_эл.рек приближенно можно представить в виде

. (2.38)

Электронный КПД без рекуперации, когда U_кл =U₀, равен

. (2.39)

На основании (2.38) и (2.39) получим

, (2.40)

где x- глубина рекуперации, равная отношению ускоряющего напряжения к напряжению коллектора U_кл. Из выражения (2.40) видно, что увеличение КПД по методу рекуперации определяется глубиной рекуперации, которая ограничивается тем, что при снижении напряжения коллектора возникает обратный поток электронов из коллекторной части в канал дрейфа, где возрастает положительный потенциал относительно потенциала коллектора.

Для увеличения глубины рекуперации разрабатывают многосекционные коллекторы, в которых каждая секция имеет определенную конфигурацию и свой постоянный потенциал, соответствующий энергии определенной группы электронов. Число ступеней зависит от требуемого повышения КПД рекуперации. Чем выше это требование, тем больше ступеней должен иметь коллектор, чтобы полнее рекуперировать энергию каждой группы электронов, оседающих на электродах коллектора [2, 12].

Таким образом, рекуперация связана не только с изменением схемы питания прибора, но и с усложнением конструкции коллектора. Однако не следует считать, что схема питания при рекуперации усложняется. Она даже оказывается более экономичной, поскольку отпадает необходимость в стабилизации мощного источника питания. Стабилизация ускоряющего напряжения обеспечивается источником питания малой мощности Р₀₁ << Р₀₂, а напряжение коллектора не требует высокой стабилизации.

2. Второй путь повышения КПД — это улучшение группировки электронов, поступающих в выходной резонатор. Рассмотрим электронный сгусток, пролетающий зазор предпоследнего резонатора. Согласно принципу отбора энергии от электронов, в предпоследнем резонаторе возбуждаются колебания таким образом, что электронные сгустки оказываются в максимумах тормозящих полупериодов, как показано сплошной синусоидой на рис. 2.13 для (N–1) резонатора. Это еще не приводит к полной группировке электронов. Для догруппировки необходимо, чтобы центр сгустка попадал в резонатор в момент изменения высокочастотного напряжения от тормозящего на ускоряющее, как показано штриховой синусоидой на рис. 2.13, т. е. необходимо обеспечить опережение напряжения на четверть периода относительно наводимого сгустком тока. Это возможно при чисто индуктивном характере входной проводимости предпоследнего резонатора, что имеет место на частоте ниже резонансной. Таким образом, для того чтобы электронный сгусток пришел в выходной резонатор наиболее плотным, необходимо настроить предпоследний резонатор на частоту f_рез более высокую, чем частота входного сигнала f_с.

Рис. 2.13. Качественное пояснение влияния расстройки предпоследнего резонатора на улучшение группировки электронов

Рис. 2.14. Группировка электронов при идеальной форме модулирующего напряжения

3. Для увеличения КПД можно улучшить группировку электронов за счет использования высших гармоник высокочастотного напряжения. Для эффективного группирования всех электронов необходимо обеспечить в зазоре высокочастотное напряжение пилообразной формы (рис. 2.14). Такую форму можно получить, суммируя бесконечный ряд кратных гармонических составляющих с определенными амплитудами и фазовыми сдвигами между синусоидальными напряжениями различных частот. Применение такого управляющего устройства позволило бы приблизить КПД прибора к 100%. Однако практическое осуществление пилообразного напряжения в диапазоне сверхвысоких частот оказывается чрезвычайно сложным.

В общем, задачу максимизации КПД многорезонаторногоклистрона в настоящее время решают с помощью ЭВМ на основе двумерной нелинейной теории каскадного клистрона, в которой учитываются влияние пространственного заряда, эффекты расслоения электронного потока и токооседания в резонаторах и трубах дрейфа.

Сочетание различных способов увеличения КПД, а также оптимизация расстояний между резонаторами, их добротностей и углов пролета позволили получить полный КПД каскадных клистронов 80 % и более.