Для предотвращения электронной бомбардировки и нагревания элементов резонаторов и пролетных труб, которое может привести к изменению параметров или выходу из строя клистрона, применяют фокусировку электронного потока продольным магнитным полем электромагнита или системы постоянных магнитов (на рис. 10.4 не показаны).

Для пояснения принципа действия многорезонаторною клистрона представим трехрезонаторный клистрон как совокупносгь двух последовательно включенных двухрезонаторных клистронов с общим электронным потоком. Холостой резонатор одновременно будет выходным резонатором нижнего и входным резонатором верхнего двухрезонаторного клист-

8ыход J.

Вход

Рис. 10.4

1 г J 1 2 J ¥

Рис. !0.5

рона. Проведя рассуждения, аналогичные приведенным в § 10.2, можно показать, что происходит усиление мощности СВЧ.

Однако из-за существования общего электронного потока процесс группирования в трехрезонаторном клистроне может отличаться от процесса группирования в двухрезонаторном. Пульсирующий электронный погок возбуждает в холостом резонаторе ВЧ~поле, которое влияет на скорость пролетающих электронов и, следовательно, на процесс группирования в пространстве за холостым резонатором. На рпс. 10.5 представлена пространственно-временная диаграмма трехрезонатор-ного клистрона. Как и в двухрезонаторном клистроне, в пространстве между входным н холостым резонаторами в процессе группировання участвуют не все электроны (не участвуют электроны, находящиеся в резонаторе между моментами времени 5 и / и аналогичными). В пространстве, расположенном выше холостого резонатора, характер диа-фаммы изменяется, электроны сильнее группируются и большее число электронов приходит к выходному резонатору в полупериод торможения, т. е. большее число электронов передает энергию полю выходного резонатора при той же мощности, потребляемой от источника. Следовательно, применение одного или нескольких холостых резонаторов позволяет увеличи 1Ь содержание первой гармоники электронного тока, увеличить к. п д н коэффициенг усиления клистрона. Рп этом уменьшается нагрев коллектора.

§ 10.4. Применение усилительных клистронов

Возможность применения клистронов в том или ином устройстве зависит от их параметров и характеристик. К основным параметрам клистронов относятся диапазон частот усиливаемых колебаний, ширина полосы усиления, максимальная выходная мощность, к. п. д., коэффициент усиления. Из характеристик наиболее важными являются амплитудная и амплитудно-частотная.

Диапазон частот усиливаемых колебаний учитывает воаможность пересфойки прибора.

Ширину полосы пропускания определяют без учета перестройки. Таким образом, в клистронах, у которых возможность перестройки отсутствует, определения диапазона частот РеыхАштах и полосы пропускания совпадают. Ши-

рина полосы пропускания связана с видом амплитудно-частотной характеристики (рис. 10.6). Если резонаторы клистрона настроены на одну частоту (синхронная настройка), то форма частотной характеристики получается такой же, как у обычного колебательного контура (кривая / на рис. 10.6). Ширина полосы пропускания ограничивается -б добротностью и числом резонаторов.

Чем больше резонаторов в клистроне, тем меньше ширина полосы пропускания. Следовательно, мно-горезонаторнын клистрон обладает более узкой полосой пропускания, чем двухрезонагорный; относительная ширина полосы пропускания (отношение ширины полосы пропускания к ее средней частоте) составит доли процента Однако в многорезонаторном клистроне резонаторы часто настраивают на близкие частоты (кривые 2 и 3 иа рис. 10.6), При этом ширина полосы возрастает, а форма частотной характеристики становится более сложной: появляются горбы и провалы . Подбирая расстройку холостых резонаторов, удается получить достаточно малую неравномерность частотной характеристики в пределах полосы пропускания, которая может составлять единицы процентов (кривая 3 на рис. 10.6). Перестройка может осуществляться различными способами: деформацией гибкой стенки резонатора (на 2-3%), применением подвижной стенки со скользящими контактами (10-15%). Удобной в процессе эксплуатации могла бы быть одновременная перестройка резонаторов, ио при этом трудно обеспечить стабильность формы частотной характеристики. В некоторых современных клистронах применяют программные механизмы перестройки, рассчитанные на несколько фиксированных настроек (каналов).

Выходная мощность современных клистронов находится в пределах от долей ватта до 100 МВт. В дециметровом диапазоне импульсные клистроны малой М0Щ1ЮСТИ обладают выходной мощностью до 10 кВт, средней мощности - от 10 кВт до 1 МВт, лющпые - от 1 до 100 .МВт, сверхмощные -более 100 МВт. У клистронов непрерывного действия

рлходная мощность составляет от единиц ватт до сотен киловатт. Зи£-чения требуе.чюго питающего ь-апряжения Eq для клистронов макси-глальиой мощности должны быть выше. Верхьшй предел устанавливают с учетом возможной вторичной эмиссии электронов от элементов кон-етрукции резонаторов, приводящей к появлению паразитной обратной связи и потере устойчивости усилителя. В мощных клистронах значение Ео составляет десятки и сотни киловольт.

На рис. 10.7 приведены амплитудные характеристики многорезонаторного клистрона. С изменением входной мощности Рх изменяется напряжение между сетками входного и холостых резонаторов. При этом меняются глубина модуляции скорости электронного потока, угол наклона графиков движения электронов (см. рис. 10.5), форма импульсов электронного р тока и содерлание в нем первой гармони- -ки. Максимальную выходную мощность получаюгпри определенном входном напряжении, соответствующем максимальному содержанию первой гармоники тока электронного луча в сечении выходного резонатора. Угол наклона амплитудной характеристики определяет величину коэффициента усиления. Максимальный коэф- * фициент усиления получают при синхронной настройке (кривая а на рис. 10.7). Если определенным образом расстроить предпоследннй резонатор многорезонаторного клистрона (в сторону более высоких частот), то удается увеличить максимальную мощность и к. п. д. на 15-20% (кривая b на рис. 10.7). Коэффициент усиления при этом снижается примерно на 10 дБ. Увеличение максимальной мощности н к, п. д. объясняется характером группирования, при котором увеличивается содержание первой гармоники.

Максимальный к. п. д. анодной (коллекторной) цепи достигается в режиме максимальной выходной мощности. К. п. Д. двухрезонаторного клистрона невелик, поэтому чаще применяют многорезонаторпые клистроны. Увеличение числа холостых резонаторов сопровождается улучшением группирования и ростом к. п. д., однако с добавлением каждого нового резонатора относнтельное увеличение к. п. д. становится все меньше. Наибольшее распространение получили четырехре-зонаторные клистроны, у которых имеется два холостых резонатора. Иногда дополнительное увеличение к. п. д. получается за счет снижения напряжения на коллекторе. В этом случае для питания коллектора применяют отдельный источник. Электроны перед коллектором попадают в тормозящее постоянное поле, уменьшают свою скорость, и меньшая часть нх кинетической энергии превращается в тепло. Происходит рекуперация энергии - возвращение энергии в источник, сопровождаемое уменьшением мощности, потребляемой анодной цепью, Рд. К. п. д. мощных клистронов составляет до 40%.

Коэффициент усиления клистрона - отношение выходной мощности к входной, выраженное в децибелах. Различают коэффициент усиления по падающей и проходящей мощности. Первый определяют