11.2.2. Усилительные клистроны

Клистрон построен на принципе взаимодействия электронного пучка и резонатора [570]. Во многих оригинальных работах используется баллистический метод рассмотрения [14, 144, 145, 481, 491, 563, 566, 574, 576, 577, 578, 579], но значительно более точные результаты могут быть получены из теории волн пространственного заряда [568]. Лампы с радиальными пучками и кольцевыми резонаторами описаны в [278]; клистрон обычно имеет аксиальное устройство, показанное на рис. 11.4. Во входном резонаторе возбуждаются быстрые и медленные волны, которые осуществляют модуляцию тока пучка с равными амплитудами, но противоположными фазами, в результате чего взаимно уничтожаются; модуляции же скорости пучка происходят с одинаковыми амплитудами и фазами, и поэтому они складываются. Если — высокочастотное напряжение в зазоре резонатора, то начальная скорость электронов запишется

Промодулированный по скорости пучок попадает в пространство дрейфа, свободное от полей, где происходит изменение разности фаз быстрой и медленной волн, что приводит [181] к модуляции пучка по току

При этом происходит пространственная группировка пучка, как это показано на рис. 11.5. Первый и наибольший максимум тока, как видно из уравнения (11.22), находится на расстоянии четверти длины волны.

Если выходной резонатор помещен в этом месте, то его поле возбуждает другую пару волн пространственного заряда, причем их фазы таковы, что две быстрые волны взаимно уничтожаются, а две медленные волны складываются. Таким образом, на выходе второго резонатора энергия пучка меньше на величину поглощенной во втором резонаторе полезной выходной энергии. Как показал Вебстер [497], высокочастотный ток пучка состоит из бесконечного числа синусоидальных гармоник частоты напряжения, приложенного к группирователю [301, 344, 345].

Рис. 11.4. Типичный усилительный клистрон.

Скорость электронов на Бходе группирователя

Амплитуда основной компоненты равна

Член, заключенный в скобках, представляет собой параметр группирования в случае пучка малой плотности равен 1,84 для первого максимума тока. При оптимальной группировке максимальный к. п. д. составляет 58,4%. Если параметр группирования равен 3,83, то мощность основной компоненты равна нулю. Указанные результаты видоизменяются при наличии пространственного заряда [21, 136, 487, 562, 564] и фокусирующего магнитного поля [79].

В случае больших амплитуд сигнала [434, 493] высокочастотное выходное напряжение в зазоре близко к и поэтому при разработке клистрона движение нескольких электронов с различными фазами на входе обычно рассчитывают численными методами. В дрейфовом пространстве может быть размещен промежуточный резонатор для получения дополнительного каскада усиления. Ток, индуцированный в этом резонаторе сгруппированным пучком, возбуждает высокочастотное поле, которое в свою очередь приводит к дополнительной модуляции пучка по скорости. Увеличение пути пролета накладывает дополнительные требования на фокусировку пучка, но при этом увеличивается усиление и теоретическое

значение к. п. д., достигает 80%. Клистроны с тремя или более резонаторами при соответствующей настройке каждого резонатора могут иметь широкополосную частотную характеристику [114, 513], Для получения высокого была предпринята попытка использовать связанные резонаторы, с тем чтобы иметь несинусоидальную группировку [172].

Недавно появились сообщения о новых успехах в разработке клистронных усилителей [17, 65, 66, 96, 274, 393, 432, 448, 462, 583]. Опубликованы описания двухрезонаторных клистронов [297], в том числе лампы [55] с рабочей частотой Многорезонаторные клистроны отдают [89, 273] выходную мощность на частоте для работы на этой частоте была создана лампа с пятью резонаторами [75].

Рис. 11.5. Группирование электронов, вызванное модуляцией по скорости: а — контур наибольшего к. п. д.; б - контур нулевой частоты.

Четырехрезонаторная лампа при рабочем напряжении имела [256] выходную мощность на частоте При синхронной настройке резонаторов усиление равнялось 60 дб, в то время как при соответствующей расстройке оно составляло 29 дб, если ширина полосы пропускания была На частоте трехрезонаторный клистрон [382] имеет выходную мощность при к. п. д. 30—40% и усилении 20— 30 дб.

Очень высокие значения мощности в импульсе получены с клистронными усилителями [82, 257, 271, 336], работающими при таких больших рабочих напряжениях, что для детальной разработки клистронов [20] необходимо учитывать релятивистские эффекты. Так, трехрезонаторная лампа [80] с входными параметрами пучка и 190 а вырабатывает импульсы мощностью длительность их составляет 1 мкеек при и частоте с диапазоном перестройки Мощность подогревателя равна У аналогичных ламп, работающих на частотах импульсная выходная мощность равняется средняя

мощность и усиление частота перестраивается механически в диапазоне 15% основной частоты.

Произведение усиления на ширину полосы пропускания клистронного усилителя при заданном числе резонаторов определяется, главным образом, отношением волнового сопротивления резонато-? ров к волновому сопротивлению электронного пучка. Поскольку эти сопротивления практически ограничены, то было рассмотрено [324] несколько проектов гибридных ламп для работы при больших мощностях. Эти проекты включали использование спиральной структуры в качестве входного распределенного группирователя [479] и связанных резонаторов для отвода мощности [546]. Экспериментальная лампа [525] с дисковыми нагрузками выходной системы отдает мощности на частоте при ширине полосы пропускания 200 Мгц и к.п.д. 17%. Некоторое улучшение характеристик двухрезонаторных ламп было достигнуто за счет вспомогательной спиралп, которая возбуждается с помощью входного источника.

Резонаторы ламп [529] с большой импульсной мощностью, работающие на частоте состоят, по существу, из отрезков замедляющих систем, резонирующих с соответствующими оконечными устройствами. Во время работы происходит взаимодействие синхронного пучка с прямой волной периодической структуры. В результате были получены к. п. д. 50% и усиление 18 дб при ширине полосы 2%. Использование этой работы [545] при создании лампы с пятью резонаторами подтвердило, что для клистронов с распределенным взаимодействием возможно достигнуть увеличения широкополосности и повышения к. п. д.