по курсу «Электроника» на тему: «Многорезонаторный клистрон» (стр. 5 из 6)
Электроны 1 и 2, пролетевшие зазор между сетками первого резонатора с малымнапряжением (U1<<U0), слабо группируются около невозмущенного электрона О
(пунктирные прямые пересекаются на большом расстоянии). Из-за малого параметра
группирования амплитуда конвекционного тока i(1) в сечении z2второго резонатора будет также небольшой.
Второй (промежуточный) резонатор не нагружен и имеет высокую добротность.
Поэтому даже при малой амплитуде конвекционного тока напряжение U2создаваемое
наведенным током, может быть большим. Это напряжение вызовет сильную модуляцию
скоростей электронов, пролетающих через второй резонатор, и сильное дополнительное
группирование в пространстве между вторым и третьим резонаторами (сплошные линии
после второго резонатора на рис. 13,а).
Напряжение u2 (t)противоположно по фазе первой гармонике конвекционного тока i(1) Для второго резонатора невозмущенным электроном, около которого должно
происходить дополнительное группирование, является электрон О', приходящий во
второй резонатор позже электрона О, являющегося невозмущенным электроном для
первого резонатора. Электронный сгусток до поступления во второй резонатор был
симметричен относительно «старого» невозмущенного электрона О. В результате
группирования около «нового» невозмущенного электрона О' электронный сгусток
должен стать несимметричным относительно электрона О, а форма волны конвекционного тока—отличной от формы волны в двухрезонаторном клистроне. Однако для слабого сигнала основной эффект группирования создается вторым резонатором. Поэтому распределение электронов в сгустке практически будет определяться этим резонатором, асимметрия в сгустке будет незначительной, а зависимость
тока от времени практически такой же, как в некотором двухрезонаторном клистроне, состоящем из второго и третьего резонаторов, в котором модуляция скорости
производится напряжением U2.
В связи с этим максимальная амплитуда первой гармоники конвекционного тока в сечении 3 z третьего резонатора, максимальные значения выходной мощности и
электронного КПД останутся такими же, как в двухрезонаторном клистроне. Однако коэффициент усиления для слабого сигнала в трехрезонаторном клистроне сильно увеличится, так как требуемое группирование электронов для получения той же мощности обеспечивается теперь из-за наличия промежуточного резонатора при значительно меньшем входном сигнале.
Усиление большого сигнала. Будем no-прежнему считать, что все резонаторынастроены на частоту сигнала. Пространственно-временная диаграмма при большом
сигнале показана на рис. 13,б.
В этом случае уже первый резонатор обеспечивает сильное группирование электронов. В результате модуляции скорости во втором резонаторе происходит дополнительное группирование электронов около «нового» невозмущенного электрона О', т. е. растет число электронов в сгустке. Это приводит к некоторому увеличению амплитуды первой гармоники конвекционного тока, выходной мощности и электронного КПД по сравнению с оптимальным режимом двухрезонаторного клистрона. В многорезонаторных клистронах с числом резонаторов более трех указанный эффект наблюдают даже при усилении слабого входного сигнала, так как при большом коэффициенте усиления напряжение сигнала на каком-то промежуточном резонаторе оказывается значительным и далее процессы будут подобны процессам в трехрезонаторном клистроне при большом входном сигнале (как на рис. 13,б).
4.Параметры и характеристики многорезонаторного клистрона.
Коэффициент усиления в режиме слабого сигнала. Предположим, что все резонаторы настроены на частоту сигнала. При слабом входном сигнале результат группирования в трехрезонаторном клистроне, как уже отмечалось в , практически такой же, как в двухрезонаторном клистроне. Теория двухрезонаторного клистрона, примененная к трехрезонаторному клистрону, приводит к уравнению группирования, по виду совпадающему с уравнением (2.19), если вместо параметра группирования Х взять
некоторый эффективный параметр группирования, определяемый соотношением
где
Физический смысл величин (4.1) следующий: X13 —параметр группирования,
получающийся при удалении второго резонатора, а X23 —при удалении первого
резонатора, но при подведении ко второму резонатору напряжения U 2; θ12 —угол пролета
между первым и вторым резонаторами, а θ23 —между вторым и третьим.
При усилении слабого входного сигнала ( U1 <<U0 ) параметр X13, характеризующий
работу клистрона в отсутствие второго резонатора, мал (X13<<1) и ограничен влиянием сил расталкивания в пучке . Так как U2 >>U1 , то X23>> X13 и по формуле (2.53) Xэф ≈ X23 . Эффективный параметр становится большим, так как он практически
определяется результатом действия второго резонатора. Формула для мощности в третьем резонаторе:
где М3 —коэффициент взаимодействия в зазоре третьего резонатора,
a G3 —эквивалентная проводимость этого резонатора.
Формула для входной мощности сигнала при X13<<1 имеет вид
Коэффициент усиления по мощности трехрезонаторного клистрона с учетом формул
(4.3) и (4.4) равен
Величина Х эф ≈ X23зависит от U2 , а последняя—от входного сигнала U1 , пределяющего по формуле (4.2) значение X13 . Таким образом, Х эф является функцией X13. Если при слабом входном сигнале Х эф <<1, то функция Бесселя J1 (X эф) ≈ Х эф/2 и
К у(р) пропорционален ( Х эф / Х13 )2 . В этом случае коэффициент усиления тем больше, чем сильнее Х эф отличается от X13 .
Максимальное значение коэффициента усиления трехрезонаторного клистрона при
слабом сигнале достигает ~35 дБ вместо ~15 дБ в двухрезонаторном клистроне.
Дальнейшее увеличение числа резонаторов приводит к росту коэффициента усиления
примерно на 20 дБ на каждый добавляемый резонатор. Для оценки коэффициента
усиления обычно используют приближенную формулу:
К у(Р)=l 5 +20(N-2) дБ, (2.58)
где N — полное число резонаторов. Возможно получение К у(Р) >100 дБ, однако
практически при больших коэффициентах усиления появляется опасность
самовозбуждения из-за наличия паразитной обратной связи.
Принципиально важно, что сильный рост коэффициента усиления при N>2 объясняется не увеличением выходной мощности, а тем, что при большем числе резонаторов из-за более эффективного группирования для получения прежней выходной мощности требуется значительно меньший входной сигнал.
Выходная мощность и электронный КПД в режиме большого сигнала. При
рассмотрении рис. 13,б отмечалось, что при большом входном сигнале в
трехрезонаторном клистроне с одинаковой настройкой резонаторов дополнительное
группирование в пространстве между вторым и третьим резонаторами приводит к
увеличению амплитуды первой гармоники конвекционного тока, выходной мощности и
электронного КПД. Однако при этом сгусток электронов перестает быть симметричным,
так как невозмущенный электрон О на рис. 13,б, являющийся центром сгустка после
первого резонатора, «уступает» эту роль во втором резонаторе электрону О', идущему
позже на четверть периода.
Оказывается, что расстройкой промежуточного резонатора относительно частоты
сигнала можно получить дополнительный выигрыш. При расстройке второго резонатора
напряжение на нем смещается по фазе относительно первой гармоники конвекционного
тока, т. е. изменяется интервал времени между приходом «старого» и «нового»
невозмущенных электронов О и О'.
На рис. 13,в рассмотрен случай, когда напряжение U2 (t)опережает на 90°
напряжение, которое было на рис. 13,б при отсутствии расстройки второго резонатора.
В этом случае невозмущенный для первого резонатора электрон будет невозмущенным и
для второго резонатора (О и О' совпадают), сгусток все время остается симметричным и в
результате дополнительного группирования становится более коротким и содержащим
большее число электронов. В образовании сгустка участвуют теперь удаленные
электроны 4 и 5. Очевидно, что требуемый сдвиг фазы 90° можно получить лишь при
расстройке второго резонатора в сторону более высоких частот до значения, при котором
ток в резонаторе сдвинут относительно напряжения также на 90°.
Теоретический анализ показывает, что в трехрезонаторном клистроне при большом
входном сигнале и расстройке второго резонатора, приводящей к сдвигу фазы на 90°,
предельные значения амплитуды первой гармоники конвекционного тока и электронного