вие электронного потока с высокочастотным полем резонатора. Про странство, расположенное между входным и выходным резонаторам, (в пролетной трубе 6), представляет собой пространство дрейфа и. > I руппирования. Источник постоянного высокого напряжения Е включен между коллектором, резонаторадпт и катодом.

Рассмотрение принципа действия клистрона начнем со случая, ког да возбуждение не подано и поле СВЧ во входном резонаторе отсутствует. Электроны от pasoipcToго катода двигаются в сторону резонато ров и коллектора под действием приложенной разности иотенцналоь Ео- В пространстве, заключенном между катодом и входным резоп . тором, происходит ) скорение электронов; потенциальная энергия пол?.

Еуод

Рис 10.!

1сточника пшания преооразуется в кинетическую энергию этектро-нов. Далее электроны перемещаются по инерции в направлении коллектора с посюянной скоростью. В результате электронной бомбардировки происходит натревание коллектора; кинетическая энергия электронов переходит в тепловую.

Предположим, что к входному резонатору подключен источник гармонических колебаний частоты со, совпадающей с собственными частотами резонаторов 3 и 4. Возбуждение создает ВЧ-напряже!ше ь;ежду сетками входного резонатора. Силовые линии электрического ноля СВЧ перпендикулярны плоскости сеток и совпадают с направлением движения электронов. Электрическое поле в зaвиcnюcти от его знака потеременно осуществляет ускорение или замедление движения электронов, пролетающих пространство взаилюдействия входного ре-сонатора. Происходит людуляция скорости электронного потока. В пространстве дрейфа электроны, обладающие большей скоростью, до-юняют электроны, идущие с меньшей скоростью, и образуют электронные группы. Для иллюстрации процесса группирования воспользуемся пространственно-временной диаграммой на рис. 10.2. Напряжение ьежду сетками входного резонатора обозначим /7i, а напряжение тыходного резонатора - (Уа Пусть положительные полупериоды синусоиды Ll соответствуют ускоряющему полю, отрицательные - тор-г озящему полю. На пространственнЪ-временибй дь-агра.мме изображены графики движения электронов, взаимодействующих с поле

z=z.

входного резонатора в различные моменты времени. Графики представляют собой прямые линии, поскольку в пространстве группирования электроны двигаются с постоянной скоростью. Угол наклона прямых определяется скоростью электронов, покидающих входной резонатор. Чем больше скорость, тем больше угол наклона прямой к осп абсцисс. Электроны, пролетающие входной резонатор в моменты времени 2, 2, 4, 4, т. е. в моменты нулевого поля*, в пространстве дрейфа имеют одинаковые скорости Dq-, нх движение изображают параллельными прямыми. Скорость о зависит от разности потенциалов Eq-Электроны в моменты времени /,/ на-

ходятся в замедляющем поле, их ско- . л h 1\

рость уменьшается по сравнению с Oq- \ -

Электроны в моменты времени 3,3 оказы- I у I/v У ~v

ваются в ускоряющем поле и увеличи- о----1

вают свою скорость. В результате часть i прямых пересекается в сечении Zg. Электроны, прошедшие линию отсчета в моменты времени /, 2, 3,1, 2 и 3, образуют в сечениях и группы. Вместе О с тем электроны, вылетевшие в моменты i времени 4, 4 и в другие моменты (например, в моменты времени между 3 и /), не участвуют в процессе группи- рования. Группированне электронов привело к образованию электронных сгустков и появлению пултлаций элек-тронного потока и тока коллекгора с частотой 0J Осциллограммы тока электронного луча / в сечениях z, г,

и Zf показаны на рис. 10 3. В сеченни г, плотное!ь электронов еще не завис1гт от времени и ток i остается !1остоя1!!Н>1м; в сечении появляются небольшие изменения тока, в сечении Zg, где пересе-ка!отся графики движения **Z(/), плот!Гость электронов и ток в импульсе максимальны, а длительность импульсов тока мп!IИ!aль!!a. В сечении 24 электроны расходятся, длительность импульса увеличивается, в импульсе электронного тока появляется характерный провал.

В спектре тока электронного луча, пульсиру!ощего с частотой со, содержится много гармоник. Сгруппированный электронный поток наводи г в выходном резонаторе токн с частотами гармоник оз. Так как гыходной резонатор усилительного клисгрона настроен на частоту возбуждения ш, о нем возникает высокочастотное ВЧ-поле тотько частоты первой гармоники. Электронные группы должны при\одить в выходной резонатор в момент времени, когда электрическое поле в пространстве взаимодействия оказывается тормозящим.

Рис. 10.3

* Для упрощения рассуждений время пролета мржду сетками резонатора предполагается бесконечно малым

* При этом описании не учитывается влиянии пространственного заряда, огорь.й не изменяет качественной картгГны,

Зак 8

в противном случае ВЧ-поле, образованное за счет наведенных зарядов, не могло бы существовать. Электроны тормозятся этим полем и передают ему свою кинетическую энергию.

Проследим, как преобразуется энергия в двухрезонаторном клистроне. Электроны, летящие в пространстве, расположенном между катодом и входным резонатором, получают энергию от источника с напряжением и отдают часть своей кинетической энергии ВЧ-по-лю выходного резонатора. Остаток кинетической энергии выделяется на коллекторе. Электрическое поле СВЧ входного резонатора, осуществляя скоростную модуляцию электронного потока, управляет передачей энергии от мощного источника с напряжением в нагрузку, подключенную к выходному резонатору. Покажем, что мощность, потребляемая входной цепью клистрона, невелика. Электроны, проходящие входной резонатор в полупериоды торлюзящего поля, уменьшают скорость и передают кинетическую энергию полю. Электроны, проходящие резонатор в полупериоды ускоряющего поля, увеличивают скорость и получают кинетическую энергию за счет энергии источника возбуждения (см. рис. 10.2). Поскольку через входной резонатор проходит примерно одинаковое число электронов за время торможения и ускорения, средняя скорость электронов за период при выходе из резонатора равна начальной скорости Vg. Отсюда следует, что на процесс модуляции скорости энергия не расходуется. При конеч-1ЮМ времени пролета часть электронов, влетевших в пространство взаимодействия, в конце полупериода торможения попадает в ускоряющее поле. Число электронов, увеличивающих скорость, станет несколько больше, чем число электронов, замедляющих скорость В результате средняя скорость электронов за период возрастет по сравнению с Do и увеличится расход энергии от источника возбужения. Нужно также учитывать, что часть мощности возбудителя расходуется на потери во входном резонаторе. Эти потери энергии малы, поскольку резонатор обладает высокой добротностью. Таким образом, в клистроне получается достаточно большое усиление мощности.

§ 10.3. Многорезонаторные пролетные клистроны

На рис. 10.4 приведена упрощенная схема усилительного пролетного трехрезонаторного клистрона. Названия электродов совпадают с названием электродов двухрезонаторного пролетного клистрона, представленного на рис. 10.1. Новым элементом является холостой резонатор, расположенный в промежутке между входным и выходным резонаторами, к которому не подключены никакие волноводы. Холостых резонаторов может быть несколько. Все резонаторы обычно настраивают на одинаковые или близкие частоты. В пространствах, заключенных между сетками резонаторов, происходит взаимодействие электрического ВЧ-поля с электронными потоком. Пространство группирования находится между входным и выходным резонаторами и включает пространство взаимодействия холостых резонаторов. Движение электронов в отсутствие ВЧ-возбуждення происходит так же, как в двухрезонаторном клистроне.