Техника СВЧ (стр. 7 из 10)

Суммируя вышесказанное о втором зазоре надо еще раз подчеркнуть, что его параметры надо выбирать не только из соображений высокого тока I_1max/I₀ и приемлемого КПД h_е12 =2¸3%, но и подбирая Z_opt > 56 мм. для клистрона с резонатором “p“ - типа.

Рис.3.11. Зависимость I_1max/I₀ и h_е12 от ширины второго зазора d₂

Рис.3.12. Зависимость I_1max/I₀ и h_е12 от амплитуды на втором зазоре x₂

5.1.2. Расчет процессов в выходном резонаторе

Выходной резонатор должен обеспечить максимально эффективное, равномерное торможение всех электронов. При этом не желательно иметь обратно выброшенные электроны.

Второй резонатор надо располагать на 1¸4 мм. ближе максимума тока I_1max/I₀ . При этом достигается максимальный КПД. Типичное взаимное расположение тока и КПД в пространстве представлено на рис.13. Необходимость ставить резонатор в месте где ток не достигает максимума, объясняется тем , что в максимуме происходит перегон. При перегоне быстрые электроны догоняют и перегоняют медленные. До перегона медленные электроны шли впереди быстрых и поэтому входили в зазор когда напряжение на нем не достигало минимума, а быстрые попадали в минимум напряжения. Это позволяло равномерно затормозить все электроны. При перегоне и быстрые, и медленные электроны тормозятся одним напряжением. Поэтому либо медленные выбросятся их зазора, либо быстрые затормозятся не достаточно эффективно.

Выходной резонатор является обычным узким с углом пролета меньше p/2. С точки зрения эффективности взаимодействия лучше брать, как можно более узкий зазор. Но минимальная ширина зазора ограничивается величиной емкости зазора. Исходя из этих противоречивых требований в данном дипломе используется выходной зазор шириной 4 мм.

Амплитуда напряжения на выходном зазоре подбирается в каждом случае эмпирически по наибольшему КПД. Надо стараться сделать максимальную амплитуду, но чтобы не было обратных электронов. Увеличение амплитуды на 0.1 увеличивает выходной КПД примерно на 0.5% ( рис.3.14 ) до тех пор пока не появятся обратновыброшенные электроны. На рис.3.14 точка А соответствует появлению обратновыброшенных электронов.

Рис.3.13. Взаимное расположение тока I_1max/I₀ и КПД выходного зазора h_е3 в пространстве.

Рис.3.14. Зависимость выходного КПД h_е3 от амплитуды x₃

Очень большое значение для процессов в выходном резонаторе играет соотношение фаз тока и напряжения . Электронный КПД третьего зазора определяется по формуле:

где x₃- амплитуда напряжения третьего зазора

I_н3 = I_н3 / Io -наведенный ток третьего зазора

f - угол между током и напряжением

Исходя из формулы, можно решить, что нужно стремиться к f = 0, при этом cos f = 1 и h_е3=max . На самом деле при f=0 наведенный ток небольшой и растет с уменьшением f ( рис.3.15). Поэтому произведение I_н3 и cos f становится наибольшим при f = -(0.3¸0.4).

5.2. Электронные процессы в резонаторе "0" типа

5.3. Влияние магнитного поля на процессы в клистроне

Как известно магнитное поле используется для ограничения поперечного размера электронного пучка, что позволяет увеличить токопрохождение, и как следствие снизить нагрев и потери мощности. Вместе с этим сильное магнитное поле ухудшает характеристики клистрона. Было замечено, уменьшение напряжения магнитного поля увеличивает конвекционный ток первой гармоники I_1max/I₀ и расстояние на котором этот ток становится максимальным Z_opt . На рис.3.19 представлены зависимости I_1max/I₀ и Z_opt от магнитного поля B²/U₀ . Увеличение тока I_1max/I₀ и расстояния Z_opt позволяет увеличить КПД прибора. Из вышесказанного понятно что для получения оптимальных параметров прибора магнитное поле должно быть минимальным, но обеспечивать приемлемое токопрохождение.

Рис.3.19. Зависимость I_1max/I₀ и Z_opt от магнитного поля B²/U₀

В процессе разработки прибора использовалось поле величиной B²/U₀=70-180. Это достаточно сильное поле особенно при B²/U₀>100. Оно очень сильно влияет на электронный поток. Достаточно сказать, что при начальном радиусе пучка 1.05 мм через 10 мм пролета в резонаторе его радиус становится равным 0.1 мм. При этом коэффициент пульсаций достигает 10.5.

Величина поля необходимого для фокусировки зависит в основном от двух факторов: напряженности поля и силы расталкивания пространственного заряда. Напряженность электрического поля в выходном зазоре в выходном зазоре в несколько раз больше чем во входном, т.к. входные зазоры широкие, а выходные узкие.

Исходя из этого можно в начале прибора использовать меньшее магнитное поле, а затем увеличить его до номинального. Было рассчитано несколько вариантов такой схемы. Наиболее хороший результат дал вариант с резонатором "p"-вида с параметрами: d₁=15.5 мм, d₂=10 мм, L₁₂=27 мм, x₁=1.5, x₂=-1.5, на интервале 0-30 мм поле равно B²/U₀ =84, а дальше поле равно B²/U₀=140. Полученные результаты приведены в табл.3.11. Для сравнения там же приведены результаты для такого же клистрона , но с равномерным магнитным полем. Полученный I_1max/I₀ является лучшим за весь период расчета. Видно, что с равномерным полем результат хуже как по току так и по расстоянию Z_opt .

Таблица 3.11.

Сравнительные результаты при неравномерном и равномерном магнитном поле

Маг.поле	I1max/I0	Zopt	hе12	hе3	hеå
Неравномер.	1.7523	58	0.091	0.6185	0.708
Равномерное	1.6623	54	0.089

Полученные результаты надо рассматривать, как прикидочные, т.к. малый объем расчетов не позволяет говорить о том, что был достигнут максимум. Вероятнее всего можно получить еще больший ток. Но поскольку получение неоднородного магнитного поля вызовет усложнение конструкции было решено пока остановиться на варианте с рвномерным магнитным полем. К тому же рассматриваемое неравномерное магнитное поле имеет нереальное распределение по Z в виде ступеньки. Поэтому полученные результаты лишь показывают возможность улучшения параметров клистрона за счет применения неоднородного магнитного поля.

В

1

0.6

0

30 Z

Рис.3.20. Схематическое изображение двухрезонаторного клистрона
с резонатором "p" - вида с q₁»3/2p, с неоднородным магнитным полем

Зависимость угла пролета от ширины зазора.

Угол пролета q	Ширина реального зазора, мм	Теоретическая ширина зазора, мм	Отклонение, %
0	0	0	0
1.116p	10	12.05	20.5
2p	19	21.6	13.7
2.394p	21.5	25.86	20.3
2.86p	23	30.89	34.3

угол пролета зазора для характерных точек; во втором столбике ширина реального зазора, соответствующего данному углу пролета; и в третьем столбике ширина зазора, соответствующая данному углу пролета, рассчитанная теоретически по формуле: d=qv/w

На рис.3.8. изображен график зависимости эквивалентного угла пролета от ширины зазора, построенный по данным таблицы 3.2. Пользуясь этим графиком можно ориентировочно определять угол пролета и электронный КПД зазора. Для этого для исходной ширины зазора определяется эквивалентный угол по графику на рис.3.8 . Затем по формуле:

определяется электронная проводимость, а по формуле:

определяется электронный КПД зазора. На рис.3.7(б) пунктиром нанесена линия КПД, рассчитанная по такой методике для x₁ =1. Погрешность составляет 1-2%, что говорит о возможности применения данной методики для оценочных расчетов.

Аналогично по формуле:

можно оценить значение коэффициента взаимодействия.

6. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КЛИСТРОНА

Клистрон выполняется многолучевым, использует разработанную на предприятии ЭОС с 24 лучами, сосредоточенными в центре резонатора, в котором используется основной вид колебаний.

Прибор состоит из четырех основных узлов: резонаторная система, катодный узел, коллекторный узел и вывод энергии.

Резонаторная система клистрона представляет собой два резонатора. Первый резонатор имеет два высокочастотных зазора. Трубка дрейфа поддерживается металлическим стержнем. На внутренней стенке резонатора располагаются выступы, для получения заданной структуры поля. Они образуются подбором размеров пролетных труб. Второй резонатор однорезонаторный с узким зазором. Для эффективного отвода тепла корпус резонатора, трубка дрейфа и держатель изготавливаются из меди типа МБ. Выходной резонатор имеет отверстие для соединения с выводом энергии баночного типа, который вакуумно уплотнен диэлектрической пластиной из керамики марки 22ХС. Входной резонатор имеет вывод энергии с небольшой связью в виде петли связи. Это позволяет контролировать работу генератора. Для фокусировки электронного потока в приборе применена фокусирующая система из постоянных магнитов. Для этого на входе и выходе резонаторного блока припаиваются магнитные полюса из стали, на которые одеваются кольцевые постоянные магниты.