Генераторы и усилители СВЧ сигналов, Клистроны
Клистроны относятся к классу электронно-лучевых приборов СВЧ с динамическим управлением электронным потоком.
Рис. 1. Схема двухрезонаторного пролетного клистрона: 1 — катод; 2 — ускоряющий электрод; 3 — коллектор; 4 — входной резонатор; 5 — выходной резонатор; 6 — труба дрейфа; 7 — вход усилителя; 8 — выход усилителя; 9 — электронный поток
Схема устройства двухрезонаторного пролетного усилительного клистрона, изображена на рис 1.
Первый резонатор клистрона служит для модуляции электронного пучка по скорости и называется группирователем. Второй резонатор служит для отбора высокочастотной энергии пучка, имеющего модуляцию по плотности.
Металлическая труба, находящаяся между двумя резонаторами, экранирует пространство дрейфа (пространство группировки) от внешних постоянных и переменных электрических полей. На рабочей частоте труба дрейфа обладает свойствами запредельного волновода. Именно в этой трубе происходит преобразование скоростной модуляции в модуляцию электронного потока по плотности. От действия магнитных полей при рассмотрении клистронов можно отвлечься, за исключением продольного постоянного магнитного поля, применяемого для фокусировки электронного потока.
Принцип действия пролетного двухрезонаторного клистрона можно описать следующим образом. Немодулированный электронный поток, выходящий из катода, поступает в первый резонатор, между сетками которого имеется продольное электрическое поле сверхвысокой частоты. Это поле производит скоростную модуляцию электронного потока. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки. Эти сгустки поступают во второй резонатор с частотой, равной частоте входного сигнала, и наводят ток, протекающий по внутренней поверхности стенок второго резонатора. Появляющееся между сетками резонатора электрическое поле тормозит электроны, полученная ими от источника ускоряющего напряжения , преобразуется в энергию СВЧ колебаний и поступает в выходную нагрузку. Что касается электронов, прошедших через второй зазор, то они оседают на коллекторе и рассеивают на нем в виде тепла оставшуюся кинетическую энергию.
Как и всякий усилитель, этот клистрон может быть преобразован в автогенератор путем введения положительной обратной связи между выходным и входным резонаторами. А также, если выходной резонатор усилительного клистрона настроить на частоту, кратную частоте входного сигнала, то усилитель преобразуется в умножитель частоты.
Электронные генераторы и измерительные приборы
... связью. Одноконтурный электронный генератор имеет только один объемный резонатор, через который пролетает возбуждающий его электронный поток. Электронные генераторы инфранизких частот выполняются на биениях, на основе интегрирующих ... так устроен простейший электрический генератор. Рисунок 1 - Структурная схема генератора Схемы электронных генераторов (рисунок 1) строятся по тем же схемам, что и ...
Для повышения коэффициента усиления и выходной мощности путем улучшения группировки электронного потока в сгустки в клистроне используются один или несколько промежуточных резонаторов, следующих друг за другом.
Рис. 2. Схема однорезонаторного отражательного клистрона: 1 — катод; 2 — ускоряющий электрод; 3 — электронный поток; 4 — отражатель; 5 — резонатор; 6 — вывод энергии генератора.
Другим вариантом клистронов, является отражательный клистрон, схематически изображенный на рис. 2. Возбуждение колебаний в отражательном клистроне можно объяснить следующим образом. Ускоренный поток электронов, попадает в высокочастотный зазор, где модулируется по скорости полем резонатора. Высокочастотное поле резонатора в течение одного полупериода ускоряет электроны, в течение другого — тормозит, а когда высокочастотное поле меняет знак, электроны практически не меняют скорости. Промоду-лированный по скорости электронный поток попадает в область между резонатором и отражателем, где модуляция электронного потока по скорости приводит к модуляции его по плотности; образуются сгустки электронов.
Попадая в зазор резонатора, сгустки электронов или отдают свою энергию полю резонатора, или получают ее от поля резонатора. Генерация в клистроне будет поддерживаться, если сгустки электронов попадают в поле резонатора в момент времени, когда высокочастотное поле является для них тормозящим, и генерация срывается, когда поле в момент попадания сгустков ускоряющее. Изменяя время пролета электронов в области отражателя, можно либо настроить клистрон в режим генерации, либо сорвать генерацию. Это осуществляется изменением напряжения на отражателе.
Электронный КПД отражательного клистрона не более нескольких процентов, поэтому такие клистроны на большие мощности не конструируются.
В таблице 1 для примера приведены основные параметры, характеризующие пролетный клистрон 5045 (SLAC, США), использующийся в ускорительной технике.
Такие клистроны применяются в ИЯФе для питания линейного ускорителя на инжекционном комплексе ВЭПП-5.
Таблица 1. Основные характеристики клистрона 5045 [6]
|
Рабочая частота, Диапазон стабильной работы, Импульсная входная СВЧ мощность, Импульсная выходная СВЧ мощность, Длительность СВЧ импульса, Рабочая частота повторения (F), Допустимая максимальная частота повторения, Средняя СВЧ мощность (при F = 50 Гц), Коэффициент усиления, КПД, Импульсное напряжение на катоде, Импульсный ток клистрона, Коэффициент трансформации импульсного трансформатора, Напряжение накала, Ток накала, Тип катода, Плотность тока катода (пиковая), Микропервеанс, Питание фокусирующего соленоида, Чувствительность на 1% отклонения анодного напряжения: Фазовая, амплитудная, Максимальный КСВН нагрузки, Расход воды на охлаждение, Температура охлаждающей воды на входе, Емкость масляного бака, Полный вес, Габариты в упаковке: основание, высота. |
МГц МГц Вт МВт Мкс Гц Гц КВт ДБ % кВ А В А А/см 2 ВЧА ° % л/мин °С л кг мЧм м |
2856 2852ч2860 200 63 3.5 50 до 180 11 53ч57 43ч47 350 410 1:15 9.7 26 диспенсерный 8 1.98 215Ч14.5 6 1.5 <1.5 35 35 400 1755 0.9Ч0.9 2.2 |
|
Клистрон 5045 состоит из пушки с высоковольтным изолятором, шести резонаторов с трубками дрейфа и коллектора. Ввод усиливаемого СВЧ сигнала осуществляется через коаксиальный разъем. Вывод мощности производится через волновод с двумя СВЧ окнами. В волновод (до СВЧ окон) встроен магниторазрядный насос для вакуумной откачки клистрона. Клистрон также включает в себя импульсный трансформатор с масляным баком и фокусирующий соленоид. Клистрон с фокусирующим соленоидом монтируются на баке импульсного трансформатора. Предусмотрено общее для всех систем клистрона водяное охлаждение.
Рис. 3. Блок-схема подключения клистрона [6]
Блок-схема подключения клистрона изображена на рис. 3. Для успешной эксплуатации клистрона необходима система защиты, обеспечивающая работоспособность клистрона. В виду этого предусмотрен ряд блокировок, определяющих разрешение на подачу высоковольтного импульса: отсутствие тока накала катода, низкий вакуум в системе, отсутствие питания фокусирующего соленоида, пониженное давление охлаждающей воды и др.
Лампа бегущей волны
В основе генераторных и усилительных ламп бегущей волны лежит длительное взаимодействие электронов с бегущей электромагнитной волной, распространяющейся в нерезонансной колебательной системе. Этим лампы бегущей волны значительно отличаются от электровакуумных приборов СВЧ, использующих резонансные колебательные системы.
Важными преимуществами ламп бегущей волны как усилителей является их широкополосность. В самом деле, во всех усилительных приборах с резонансной колебательной системой рабочая полоса частот ограничивается нагруженной добротностью используемого колебательного контура или системы контуров. В лампах бегущей волны этого основного ограничения нет. Это же обстоятельство проявляется и при использовании ламп бегущей волны в качестве генераторов. Основным достоинством их является широкий диапазон электронной настройки, значительно превышающий лучшие результаты, которые могут быть получены с большинством генераторов резонансного типа.
Так как скорость электронов всегда меньше скорости света, а фазовая скорость волны в регулярной линии не меньше ее, то длительное взаимодействие электронов с электромагнитной волной обеспечивается использованием замедляющих систем, например: замедляющая система типа встречных штырей, коаксиальная линия со спиральной замедляющей системой, диафрагмированный волновод и др.
Типы ламп бегущей волны
Приборы, в которых электронных поток взаимодействует с основной прямой замедленной волной, называются лампами прямой волны. Исторически за этими приборами закрепилось название лампа бегущей волны (ЛБВ), не смотря на то, что лампами бегущей волны в широком смысле этого слова являются все приборы рассматриваемого класса. Приборы, в которых используется взаимодействие электронов с обратными волнами, появились несколько позднее и получили название ламп обратной волны (ЛОВ).
Отличительной особенностью ламп прямой волны является то, что направление движения электронов совпадает с направлением движения энергии по замедляющей системе. В лампах обратной волны электронный поток двигается навстречу потоку энергии. Эти особенности определяют расположение входа и выхода СВЧ сигналов. В лампах прямой волны вывод энергии расположен со стороны коллектора, в то время как в ЛОВ вывод энергии находится на конце замедляющей системы, обращенном к электронной пушке.
Как лампы прямой волны, так и лампы обратной волны подразделяются на две основные группы, различающиеся направлением и назначением постоянного магнитного поля. К первой группе так называемых приборов О-типа относятся лампы прямой и обратной волны с продольным магнитным полем, служащим только для целей фокусировки прямолинейного электронного пучка. Вторая группа ЛБВ и ЛОВ получила название приборов М-типа и отличается тем, что постоянное магнитное поле является поперечным. Электроны в лампах М-типа двигаются в постоянных скрещенных магнитном и электрическом полях. В более широком смысле слова к приборам М-типа следует отнести все магнетронные генераторы. Соответственно к приборам О-типа можно отнести также пролетные клистроны и другие лампы СВЧ, использующие прямолинейный электронный поток, фокусируемый продольным постоянным магнитным полем.
Лампа бегущей волны О-типа
Наиболее типичным представителем класса ламп бегущей волны является ЛБВ О-типа. Устройство ЛБВ, схематически изображено на рис. 4.
Лампа имеет спиральную замедляющую систему с коаксиальным входом и выходом. Ускоряющее напряжение обеспечивает требуемый синхронизм между электронами и волной, замедленной до скорости порядка 0.1 с . движение энергии по замедляющей системе происходит в направлении движения электронов. Фокусировка электронного потока осуществляется с помощью постоянного магнитного поля, создаваемого соленоидом и направленного вдоль оси лампы, подобно тому как это часто делается в пролетных клистронах.
Рис. 4. Схема устройства усилительной лампы прямой бегущей волны О-типа: 1 — катод; 2 — анод (ускоряющий электрод); 3 — коллектор; 4 — спираль; 5 — соленоид; 6 — вход; 7 — выход; 8 — стеклянная оболочка; 9 — электронный пучок
Лампа прямой бегущей волны принципиально может быть использована не только в качестве усилителя, но и в качестве автогенератора СВЧ. Для этого требуется лишь создать положительную внешнюю или внутреннюю обратную связь между выходом и входом ЛБВ. Но ЛБВ-генераторы имеют один недостаток. Им присущи ограничения диапазона электронной настройки, свойственные всем приборам с резонансной колебательной системой.
Реальный диапазон электронной настройки ЛБВ-генератора обычно составляет от десятых долей процента до нескольких процентов от средней частоты, т.е. имеет такой же порядок, как у отражательного клистрона. Следует иметь в виду, однако, конструктивную и эксплуатационную сложность ЛБВ в сравнении с отражательными клистронами. По этой причине, а также в связи с существованием ламп обратной волны, обладающих чрезвычайно широким диапазоном электронной настройки, генераторы на ЛБВ не находят сколько-нибудь существенного применения.
В качестве замедляющих систем ЛБВ главные позиции завоевали два типа замедляющих структур. Для широкополосных систем используется почти исключительно спирали, в то время как в системах с высокой средней мощностью предпочтение отдается замедляющим структурам со связанными резонаторами.
Электронный КПД мощных ЛБВ составляет 20-30%.
твистроном
Лампа обратной волны О-типа
Схема генераторной лампы обратной волны О-типа изображена на рис. 5. Общее построение этой лампы, за исключением расположения вывода энергии, весьма сходно с построением лампы прямой волны О-типа.
Для пояснения принципа действия лампы обратной волны предположим, что со стороны коллектора в замедляющую систему ЛОВ тем или иным способом введен СВЧ сигнал. Таким образом, вдоль замедляющей системы справа на лево двигается волна с некоторой групповой скоростью.
Эффективного взаимодействия между электронным пучком и волной, бегущей во встречном направлении, не происходит. Поэтому если замедляющая система является однородной и поле ее не содержит пространственных гармоник, то усиление рассматриваемой волны и самовозбуждение отсутствуют.
Если замедляющая система имеет периодическую структуру с каким-то пространственным периодом, то имеющееся в ней поле можно рассматривать как сумму бесчисленного множества волн — пространственных гармоник с соответствующими фазовыми скоростями, зависящими от номера гармоники.
Рис. 5. Схема генераторной лампы обратной волны О-типа: 1 — катод; 2 — ускоряющий электрод; 3 — замедляющая система; 4 — кол-лектор; 5 — вывод энергии; 6 — согласованная нагрузка.
Если подобрать ускоряющее напряжение таким образом, чтобы обеспечить синхронизм между электронами и одной из замедленных обратных волн, то электроны, поочередно проходя мимо неоднородностей, встречают одну и ту же фазу высокочастотного продольного поля. Происходит кумулятивное взаимодействие электронного потока с СВЧ полем. В результате пучок оказывается промодулированным по скорости и плотности. Часть кинетической энергии пучка может передаваться высокочастотному полю.
Важной особенностью этого взаимодействия является внутренняя обратная связь, которая и приводит к самовозбуждению лампы. Действительно, замедляющая система и электронный поток составляют две части петли обратной связи. Направления движения энергии в этих ветвях оказываются взаимно противоположными при одинаковом направлении фазовых скоростей. Если предположить снова, что по замедляющей системе по направлению к электронной пушке двигается сигнал СВЧ, то электронный поток, находящийся в фазовом синхронизме с обратной гармоникой, приобретает модуляцию по скорости. После преобразования модуляции по скорости в модуляцию по плотности электронный поток, двигаясь по направлению к коллектору, наводит на замедляющей системе высокочастотный ток. Но энергия волны, с которой взаимодействуют электроны, двигается навстречу электронному потоку. В результате на выходе лампы около электронной пушки создается поле, превышающее поле первоначального сигнала. Вследствие чего ЛОВ в принципе является генератором, а не усилителем.
Таким образом, электронный пучок играет в ЛОВ двойную роль: как источник энергии и как звено, по которому обеспечивается положительная обратная связь. Эта обратная связь присуща самому принципу ЛОВ и принципиально неустранима в отличие от других типов автогенераторов СВЧ.
Лампы обратной волны О-типа имеют большой диапазон электронной перестройки частоты, но низкий КПД не позволяет конструировать эти лампы на очень большую мощность.
Лампа бегущей волны М-типа
Лампа бегущей волны М-типа изображена на рис. 6. электроны с катода под действием положительного управляющего напряжения на аноде поднимаются вверх. Постоянное магнитное поле (перпендикулярное плоскости рисунка) направляет их в пространство взаимодействия между замедляющей системой и отрицательным электродом. Если выполнены условия влета, то далее электронный поток пойдет практически прямоли-нейно вдоль пространства воздействия до самого коллектора. Скорость потока выбирается равной фазовой скорости одной из положительных гармоник СВЧ поля в замедляющей системе (условие синхронизма).
Под действием электрического поля этой гармоники электронный поток постепенно превращается в прерывистый и смещается вверх, к замедляющей системе, в тормозящих полупериодах и вниз, к отрицательному электроду в ускоряющих полупериодах. Неблагоприятные для взаимодействия электроны быстро достигают отрицательного электрода и не участвуют дальше в процессе взаимодействия, а благоприятные для взаимодействия электроны, не теряя своей продольной скорости, движутся вместе с волной благодаря условию синхронизма и передают ей свою потенциальную энергию.
Рис. 6. Принципиальная схема ЛБВ М-типа: 1 — катод; 2 — анод; 3 — отрицательный электрод; 4 — замедляющая система; 5 — электронный поток; 6 — коллектор; 7 — вход; 8 — выход.
Электронный КПД мощных ЛБВ М-типа достигает 40-50%, что заметно выше КПД ЛБВ О-типа. Коэффициенты усиления достигают 20-25 дБ.
Лампа обратной волны М-типа
Важной особенностью ЛОВ М-типа является линейная зависимость между генерируемой частотой и анодным напряжением в значительной части диапазона перестройки.
Характерная полоса частот порядка 20%, КПД — 25-35%, выходная мощность от сотен киловатт до порядка 10 МВт в импульсном режиме.
Магнетроны
Общим признаком магнетронов и других приборов магнетронного типа является присутствие в междуэлектродном пространстве скрещенных постоянных электрического и магнитного полей.
Установлено, что существует три основных типа колебаний в магнетронах, различающихся своим электронным механизмом:
колебания типа циклотронной частоты;
- колебания типа отрицательного сопротивления;
- колебания типа бегущей волны.
Наибольший практический интерес представляют собой колебания типа бегущей волны, которые происходят в многорезонаторных магнетронах, разработанных впервые в 1938-1940гг. советскими инженерами Н.Ф. Алексеевым и Д.Е. Маляровым. Колебания типа циклотронной частоты и типа отрицательного сопротивления представляют в основном принципиальный интерес.
