Отражательные клистроны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ КЛИСТРОНЫ



Содержание

1. Устройство и принцип работы ОК

2. Электронная проводимость зазора ОК

3. Условия самовозбуждения. Пусковой ток

4. Пусковой ток

5. Электронная настройка и электронный гистерезис

6. Колебательная мощность и электронный КПД. Влияние нагрузки

Литература

отражательный клистрон проводимость мощность



1. Устройство и принцип работы ОК

Основное назначение отражательных клистронов - генерирование СВЧ колебаний малой мощности.

Принципиальная схема отражательного клистрона изображена на рис. 1.

Идеализированная схема и график распределения постоянного потенциала между электродами клистрона показаны на рис. 2.

Между резонатором и отражателем есть точка нулевого потенциала(₀).

В резонаторе происходит модуляция электронного потока по скорости: электроны, которые прошли сетку при нулевом потенциале ₀ имеют скорость:

=;

Рис. 1

Рис. 2

Эти электроны дойдут до точки нулевого потенциала ₀ и повернут обратно. Электроны, имеющие <не доходя до точки нулевого потенциала повернут обратно. Двигаясь обратно к резонатору, электроны группируются в сгустки. Т.о. ускоренные электроны дольше находятся в пространстве резонатор-отражатель. Процесс группирования электронов проиллюстрируем с помощью пространственно-временной диаграммы и поясним её:

Рис. 3

Рис. 4

Сгустки электронов образуются следующим образом: вокруг электрона, не получившего скоростную модуляцию группируются электроны, ранее вышедшие и ускоренные, а также позже вышедшие и замедленные. Т.о. образуется электронный ток:

I_e=2 I₀₂ J₁(x) sin(t-₁/2-₂-/2)

(в пролетном клистроне будет не (-/2), а (+/2))

где: ₁ - угол пролета между сетками;

₂ - угол пролета в пространстве резонатор-отражатель.

Сгусток электронов возвращается и пролетает зазор второй раз, т.е. происходит взаимодействие сгустка с полем резонатора. Чтобы сгусток отдал энергию резонатору, он должен попасть в тормозящую фазу. В этом случае сгусток затормаживается и отдает часть своей кинетической энергии СВЧ полю резонатора (что приведет к увеличению СВЧ напряжения в резонаторе), затем электроны улавливаются сеткой резонатора g₁ n стенками резонатора. Т.о. в отражательном клистроне осуществляется положительная обратная связь по электронному току, что приводит к установлению стационарных СВЧ колебаний.

Пространственно-временная диаграмма дает возможность установить фазовые условия самовозбуждения отражательного клистрона. Если учесть, что электронный сгусток при возврате в резонатор имеет противоположное направление скорости, то тормозящим для него будет тот полупериод СВЧ напряжения, который ранее, при первом пролете, был ускоряющим. Т.о. для возникновения генерации в отражательном клистроне необходимо, чтобы сгустки возвращались в резонатор через время 3/4Т, 3/4Т-Т, 3/4Т+2Т и т.д. При изменении напряжения на отражателе генерация в отражательном клистроне будет происходить отдельными зонами, соответствующими различным временам пролета электронов.

Времени пролета t=3/4T - соответствует нулевая зона возбуждения (n=0) времени 3/4Т+Т - первая зона (n=1). Т.о. можно записать условие, при котором электронные сгустки будут приходить в максимум тормозящего ВЧ поля (условие генерации отражательного клистрона):

=3/4Т+nТ, n=01,2…

или: ==2+n*2=2(n+);

₂=2(n+)

Типичная зависимость генерируемой мощности от напряжения между отражателем и катодом (U_отр) покажем на рис. 5

Рис. 5

Напряжения на отражателе, соответствующие центрам зон генерации при малости зазора d в сравнении с расстоянием D вычисляется по формуле:

n+=(f₀D)/(- U_отр);

где: n - номер зоны генерации;

f_{0 -} резонансная частота резонатора;

- ускоряющее напряжение;

U_отр - напряжение на отражателе;

Число зон генерации определяется U_отр и расстоянием резонатор-отражатель(D).

2. Электронная проводимость зазора ОК

Запишем выражение для -тока

Для наведенного тока учтем 2 момента:

1. в ОК есть только 1 резонатор и угол пролета в нем один и тот же, т.е. (сравнить с УК)

2. В данном случае -поток меняет свое движение на обратное

Запишем выражение для наведенного тока

Где M - коэффициент -ного взаимодействия ВЧ зазора клистрона с -потоком:

Запишем выражение для в комплексной форме:

Заметим, что действие - сгустка, пролетающего в зазоре между сетками резонатора и , и возбуждающего СВЧ колебания можно рассматривать как действие отрицательной - проводимости:

.

можно получить из выражения:

откуда

тогда:

, т.е. вместо (“-“) в (*) можно подставить

Обозначим:

Т.о. получим выражение для электронной проводимости ОК (активной и реактивной) и

Отметим, что и в неявном виде зависят от частоты, т.к. угол пролета зависит от частоты.

Однако в пределах полосы частот (= несколько % от ) эта зависимость довольно слабая.

При неизменных постоянных и для конкретного ОК величина Х определяется только амплитудой колебаний . Следовательно, график, показанный на рисунке 6 представляет в относительных единицах зависимость активных и реактивных электронных проводимостей ОК от амплитуды напряжения на зазоре

Рис 6 Графики функций, определяющих - проводимость и электронный КПД ОК

3. Условия самовозбуждения. Пусковой ток

Необходимым, хотя и не достаточным условием самовозбуждения СВЧ - генератора является отрицательная величина активной -проводимости

Максимумы (-) определяются условием:

;

откуда:

; n=0,1,2

Это условие когда - сгустки приходят в max тормозящего поля, т.е. это условие определяет центры зон генерации ОК.

Величина лежит в пределах:

Значит для всех n (кроме n=0) получим

Причем, чем больше номер зоны, тем больше и т.о. - можно пренебречь.

Необходимым и достаточным условием существования генерации является равенство нулю суммы всех активных проводимостей, т.е. равенство потерь энергии в резонаторе и нагрузке.

Когда мы находимся на краю зоны генерации: т.е.

значит , а при малых

Пренебрегая по сравнению с можно записать:

Перепишем т.о.:

Это уравнение может быть решено графически:

Первая часть уравнения не зависит от , значит это линия, параллельная , левая часть - это синусоида

Рис. 7

«0» и «1»-я зоны генерации не возбуждаются, а зоны «2» и «3» и др. будут возбуждаться.

Если , то прямая опуститься вниз и будет возбуждаться уже 1-я зона генерации. Т.е. при большой суммарной проводимости и зоны генерации, соответствующие малым значениям n могут вообще не возбуждаться.

Ширина зоны генерации зависит от проводимости. Точки а, б, в, г соответствуют краям зоны генерации.

Из рисунка 7. видно, что ширина зон генерации между точками нулевой мощности зависит не только от постоянных питающих напряжений и тока пучка, но и от величины нагрузки. В самом деле, условием генерации на рисунке 7 является пересечение горизонтальной прямой, соответствующей правой части уравнения. С развертывающейся синусоидной определяющей левую часть того же уравнения. Чем больше активная проводимость нагрузки тем выше проходит горизонтальная прямая II и тем более узкими (по величине и, следовательно, по напряжению на отражателе ) являются зоны генерации.

4. Пусковой ток

Пусковой ток - это минимальный ток пучка при котором может произойти самовозбуждение.

Для определения пускового тока, воспользуемся общими принципами самовозбуждения генераторов СВЧ. Запишем уравнение, определяющее мягкое самовозбуждение автогенератора:

Подставим в это уравнение величину активной - проводимости в режиме бесконечно малых амплитуд, определяемую уравнением:

при .

Тогда получим:

,

где:

Для определения клистрона, пусковой ток должен как раз обеспечивать самовозбуждение в центрах зон при наиболее благоприятной фазе прихода - сгустков в зазор, т.е. при условии:

.

Т.о. при величина пускового тока может быть найдена из соотношения:

, (**)

где: .

Нарастание колебаний в клистроне происходит при условии:

Уравнение (**) позволяет сделать важные выводы:

· клистрона тем меньше, чем меньше полная активная проводимость резонатора и нагрузки

· Величина оказывается различной для разных зон

· С увеличением номера n самовозбуждение клистрона облегчается

· Ток, требующийся для самовозбуждения клистрона, тем меньше, чем ниже ускоряющее напряжение

Отметим, что возбудить «нулевую» зону ОК оказывается труднее, чем зоны, для которых . С физической точки зрения это объясняется тем, что оптимальная группировка при требует большой амплитуды ВЧ - напряжения; мощность, рассеиваемая в активной нагрузке, повышается. Следовательно, из условия баланса мощностей должна быть увеличена и мощность, отдаваемая - потоком, что требует повышения тока пучка.



5. Электронная настройка и электронный гистерезис

Электронная настройка - это изменение частоты колебаний, генерируемых ОК, при изменении напряжений на отражателе или резонаторе ( и ).

Связь между частотой автоколебаний и параметрами резонатора и пучка определяется общим уравнением:

Подставим в это уравнение величины активной и реактивной -ных проводимостей клистрона ( и ), получим:

(1)

В центре каждой зоны f колебаний не отличается от резонансной частоты , поскольку в этом режиме:

Рассмотрим теперь, как изменится частота колебаний, если угол пролета отклоняется от оптимальной величины в пределах зоны генерации клистрона.

Положим:

где: - приращение суммарного угла пролета, обусловленное изменением ускоряющего напряжения или напряжения на отражателе . Тогда уравнение (1) может быть переписано в виде:

(2)

Для практических целей более удобно выразить зависимость частоты генерации от одного из постоянных напряжений. Т.о. можно говорить об электронной перестройке ОК в зависимости от напряжения и :

при

при

Нагрузка клистрона и ток пучка при этом предполагаются неизменными.

Метод изменения за счет изменения имеет существенный недостаток - потребление значительной мощности от источника управляющего напряжения, (эта электронная перестройка не отличается от электронной перестройки в двухрезонаторных клистронных генераторах)

Управление частотой колебаний изменением более удобно, т.к. при достаточно высоком отрицательном напряжении , ток отражателя практически равен нулю. Благодаря этому отсутствует потребление мощности. Рассмотрим этот тип электронной перестройки.

Рассмотрим изменение угла пролета при изменении относительно центра зоны на величину . В центре каждой зоны:

.

Угол полета в зазоре резонатора не зависит от напряжения .

C учетом уравнения для пролета пространства: отражатель - 2-я сетка:

где: - постоянная скорость.

При можно записать:

или:

Пренебрегая малой величиной при получим окончательно из (2):

(3)

Уравнение (3) показывает, что колебаний изменяется в пределах зоны генерации по закону тангенсоиды. Увеличению абсолютной величины (т.е ) соответствует рост частоты как изображено на рис. 8(а).

Рис. 8(а)

С физической точки зрения такой ход зависимости легко понять, учитывая, что при повышении отрицательного напряжения сгустки e проходят через зазор несколько раньше момента max тормозящего поля.

Следовательно, увеличение абсолютной величины приводит к отставанию наведенного тока от напряжения. Это равноценно появлению индуктивной составляющей наведенного тока; частота колебаний должна повыситься.

Наглядной физической аналогией является режим колебаний маятника, который подталкивают при каждом колебании несколько раньше того момента, когда груз маятника должен оказаться в крайнем верхнем положении. Как известно, частота таких вынужденных колебаний выше собственной частоты колебаний маятника.

Важным параметром ОК является крутизна электронной перестройки на участке линейного изменения частоты вблизи центра зоны генерации.

Под крутизной e-й настройки понимают изменение частоты генерируемых колебаний при изменении на 1 В.

При малом изменении , () тангенс в уравнении (3) может быть заменен его аргументом. Обозначая через изменение частоты () в сравнении с частотой колебаний, генерируемых в центре зоны, имеем из (3):

(4)

Max крутизна e-перестройки достигается при наиболее высоких значениях n, возможных для данного клистрона.

С уменьшением номера зоны (n) крутизна e-перестройки падает, как показано на рис. 8(б).

Рис. 8(б)

Уравнение (4) позволяет также сделать вывод о том, что крутизна e-перестройки у «низковольтных» клистронов, работающих при малых и больше, чем у «высоковольтных» ОК. Далее, крутизна e-перестройки тем больше, чем выше рабочая частота ОК и чем меньше нагруженная добротность () его резонатора. Т.о. при усилении связи клистрона с нагрузкой, т.е. при увеличении активной проводимости нагрузки , кривая e-перестройки становится всё более крутой. Напоминаю, что одновременно изменяются генерируемая мощность и ширина зоны. Чем сильнее связь нагрузки с резонатором, тем более узкой является зона генерации .

Мощность в центре зоны с увеличением связи с нагрузкой сначала возрастает, а затем пройдя через max, постепенно падает до «0», как изображено на рис. 9.

1 - слабая связь с нагрузкой ( высокая ).

2 - сильная связь ( низкая ).

3 - промежуточный случай, соответствующий max генерируемой мощности.

Рис. 9 Генерируемая P и e-перестройка одной из зон генерации ОК

Для ряда практических применений большую роль играет max возможное изменение частоты в пределах одной зоны генерации ОК. Дело в том, что одновременно с изменением частоты при e-перестройке изменяется и генерируемая мощность. Обычно удается использовать лишь ту часть кривой , в пределах которой эта мощность изменяется не более чем в 2 раза, т.е. на 3 дБ от max мощности в центре зоны.

Под диапазоном e-й настройки подразумевается изменение частоты генерируемых колебаний между точками половинной мощности.

Расширение диапазона e-перестройки может быть достигнуто:

- использованием полых резонаторов или других, более сложных колебательных систем с возможно более низкой и с малой ёмкостью C.

- увеличение рабочего тока с снижением ускоряющего , т.е. использованием пушок с высокой величиной первеанса.

- работой в зонах генерации с большими номерами n.

Следует отметить, что некоторые из этих требований являются взаимно противоречивыми.

В частности, уменьшение сосредоточенной ёмкости полого резонатора потребовало бы увеличения величины зазора d, что повлекло бы снижение коэффициента связи M или потребовало бы увеличения ускоряющего напряжения . Третье требование явно противоречит условию достижения max и КПД. Поэтому, выбор N рабочей зоны приходится производить из компромисса между величинами и диапазона e-перестройки, в зависимости от того, какой из этих параметров является более важным для данного практического применения.

Выпускаемые в настоящее время ОК имеют диапазон e-перестройки в рабочей зоне порядка 15-20 МГц при см диапазон e-перестройки составляет обычно 30-60 Мгц.

Механическая перестройка самостоятельно!

В некоторых типах клистронов возникают явления, срывающие нормальные действия e-настройки. Они состоят в том, что при изменении напряжения на отражателе в одну сторону колебания срываются скачком, что показано на рис 10.

Рис 10

При увеличении колебания возникают при более отрицательном напряжении на отражателе. Это явление называется электронным гистерезисом. Вызывается оно многократным пролетом электронов между сетками резонатора.

Рис. 11

В общем случае e-й поток может долго колебаться в пространстве резонатора. Может быть так, что e и не осядут на стенки резонатора, тогда они подойдут к катоду и повернут обратно (поток 3 на рис.11). Предположим, что работаем в центре зоны генерации, e поток проходит между стенками резонатора и группируется в сгустки. Возвращаясь обратно от отражателя они отдают энергию ВЧ-полю в промежутке . Часть электронов, пролетавшая и не осевшая на стенки, движется к катоду, продолжая группироваться, эта же часть e потока, двигаясь от катода к сеткам, также продолжает группироваться. Т.о. проходя через зазор в третий раз e-поток будет сильно перегруппирован и влияния на работу резонатора не окажет. Это будет, если мы работаем в центре зоны генерации. Если мы работаем на краю зоны генерации, то амплитуда ВЧ поля в зазоре невелика и поток проходя через зазор 2-й раз может быть недогруппирован. Но идя к катоду и обратно ( К - сетка ) он продолжает группироваться и может быть, что проходя через зазор 3-й раз e поток будет сгруппирован более оптимально, чем проходя 2-й раз. Исходя из вышесказанного может быть две ситуации:

1. Возвращающиеся от катода e-сгустки могут попасть в тормозящую фазу ВЧ-поля и отдадут резонатору дополнительную энергию, т.е. возрастает мощность, отдаваемая в нагрузку и КПД.

2. Возвращающиеся e сгустки попадают в ускоряющую фазу поля, тогда энергия поля будет тратиться на ускорение этих сгустков, и, если мощность затраченная на ускорение сгустков превысит мощность, полученную за счет торможения сгустков, идущих от отражателя 2-й раз, то наступит срыв генерации.

Т. о. электронный гистерезис сужает электронную настройку.

Способы борьбы с электронным гистерезисом:

- чтобы е, возвращающиеся от отражателя полностью оседали на стенках резонатора сетки делают разного диаметра, т. е. делается большего диаметра чем

- делают фонтанирующий е-поток, для этого в отражатель ставят штырь

- чтобы исключить центральные е, идущие по оси, на катоде ставят выступ, который не эмиттирует электроны.

Рис. 12

6. Колебательная мощность и электронный КПД. Влияние нагрузки

Полная В.Ч. мощность Pе, отдаваемая е-пучком в резонатор и нагрузку, в установившемся режиме может быть выражена через амплитуду напряжения и суммарную активную проводимость зазора.

;

тогда можно записать:

В установившемся режиме колебаний всегда должно выполняться условие:

Используя формулу:

получаем:

;

где: .

Выразим величину через параметр группирования Х и учтем что:

;

получим:

.

Мощность, подведенная к клистрону от источника ускоряющего напряжения, равна т. о. из формулы для м. б. легко определен е-й КПД отражательного клистрона

.

Обозначим через и величины полной колебательной мощности и электронного КПД в центрах зон генерации. используя условие:

,

определяющее угол пролета в центрах зоны и пренебрегая углом пролета в высокочастотном зазоре, получим:

.

Величины зависят от произведения . График функции приведен на рис. 13

Рис. 13

Эта функция достигает max при х=2,41 т.о. max е-КПД отражательного клистрона для зон с различными номерами равен:

.

В таблице 1 приведены вычисленные по предыдущей формуле значения max КПД для различных зон генерации:

Табл. 1

n	0	1	2	3	…	7	…
,%	53,1	22,7	14,5	10,6	…	5,1	…

При использовании полеченных уравнений, следует помнить, что вся теория построена на предположении малых амплитуд:

Проверим, как выполняется это условие для различных зон генерации. Вычислим амплитуду , соответствующую opt величине параметра группировки:

Из уравнения:

При x=2,41 имеем:

()

В случае M=1 уравнение () дает для «нулевой» зоны (n=0) величину равную . Этот результат, конечно, несовместим с исходными допущениями о малости амплитуды «» напряжения в сравнении с ускоряющим напряжением (т.к чтобы e-ны не останавливались и не изменяли направления движения при 2-м прохождении через зазор, необходимо чтобы: ). В нулевой зоне при использовании данной теории не выполняется и это очевидное физическое требование).

При n=3 амплитуда , вычисленная по формуле , должна быть равна , а при n=6 .

Т.о. данная теория не может быть полностью применена при n=0. Погрешность теории уменьшается при увеличении n.

Исходя из вышеизложенного можно обозначить 2-ве особенности работы отражательных клистронов:

1) В отличие от УК e-КПД ОК в разных зонах генерации неодинаков и уменьшается с ростом зоны «n». Соответственно этому чем меньше по абсолютной величине , тем ниже мощность, генерируемая ОК в центре зоны.

2) Максимальный e-КПД ОК оказывается значительно ниже, чем у УК.

Такой результат можно объяснить с физической точки зрения. Основной причиной малого e-КПД является то, что скоростная модуляция e-пучка и отбор энергии производится одним и тем же зазором и, следовательно, при одном и том же напряжении. При большом угле пролета амплитуда модулирующего напряжения должна быть малой и уменьшаться с ростом n, что неизбежно приводит к уменьшению колебательной мощности даже при оптимальном режиме группировки.

Кроме режима e-КПД и max Pe, характеризуемого условием: x=2,41 можно рассмотреть режим полного КПД . Величина определяется, как обычно, произведением «контурного» КПД с учетом потерь в резонаторе. Величина параметра группирования X, в данном случае, немного отличается от найденного opt значения и в зависимости от активной проводимости резонатора ОК лежит в пределах:

2,41?x?1,84

В расчетах не учитывалось снижение КПД за счет оседания e-нов на сетках при 1-м и 2-м прохождении через резонатор. Практически, с учетом оседания e-нов, СВЧ потерь в резонаторной системе и других факторов полный КПД даже в opt зоне генерации не превышает 1-3 %.

Нагрузка очень сильно влияет на работу резонатора. Не следует путать max мощность, отдаваемую в резонатор и max мощность, отдаваемую в нагрузку. Чтобы получить max P в нагрузке подбирают opt связь между резонатором и нагрузкой. Opt нагрузка при которой P, отдаваемая в нагрузка достигает наибольшего значения, показана на рис. 14.

Рис. 14

На рис.15 показана зависимость мощности от величины амплитуды напряжения между сетками резонатора:

-мощность, которая отдается в резонатор

- мощность потерь в резонаторе.

- выходная мощность ОК - разность между и .

Из рис.15 видно, что max мощность, отдаваемая в резонатор, и max выходная мощность не совпадают: выходная максимальная мощность несколько дальше, чем .

Рис. 15



Литература

1. Ямпурин Н.П.: Электроника. М.: Академия, 2011.

2. Воронков Э.Н.: Твердотельная электроника. М.: Академия, 2010.

3. Гуртов В.А.: Зарядоперенос в структурах с диэлектрическими слоями. Петрозаводск: ПетрГУ, 2010.

4. Дрейзин В.Э.: Управление качеством электронных средств. М.: Академия, 2010.

5. Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН: Наногетероструктуры в сверхвысокочастотной полупроводниковой электронике. М.: Техносфера, 2010.

6. Прянишников В.А.: Электроника. СПб.: КОРОНА-Век, 2010. рец.: С.П. Вихров, О.А. Изумрудов: Твердотельная электроника. М.: Академия, 2010.

7. Ямпурин Н.П.: Основы надежности электронных средств. М.: Академия, 2010.

8. Под ред. А.А. Орликовского ; Рец.: А.Ф. Александров, А.А. Горбацевич: Наноэлектроника. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.

9. Под ред.: А.А. Кураева, Д.И. Трубецкого ; А.В. Аксенчик и др.: Методы нелинейной динамики и теории хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.

10. Шишкин Г.Г.: Электроника. М.: Дрофа, 2009.

11. А.Н. Диденко и др. ; Под ред. И.Б. Фёдорова: Вакуумная электроника. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.

12. Лебедев А.И.: Физика полупроводниковых приборов. М.: Физматлит, 2008.

13. Шматько А.А.: Электронно-волновые системы миллиметрвого диапазона. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2008.

14. Московский гос. ин-т стали и сплавов, Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского ; под ред. Л.В. Кожитова: Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники. М.: МИСиС, 2007.

15. Федеральное агентство по образованию, Московский гос. ин-т стали и сплавов (Технологический ун-т), Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского; под ред. Л.В. Кожитова ; авт-сост.: В.П. Менушенков и др.: Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники. М.: МИСиС, 2007.

16. Филачёв А.М.: Твердотельная фотоэлектроника. М.: Физматлит, 2007.

17. Захвалинский В.С.: Электроника. Белгород: БелГУ, 2006.

Размещено на Allbest.ru