книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

пированного пучка можно отбрать максимум ВЧ-энергии. Было найдено, что в оптимальном случае импеданс ВЧсистемы должен быть приблизительно равен импедансу пучка по постоянному току. Хорошо известное соотноше­ ние между импедансом в точке резонанса и шириной по­ лосы ограничивает, таким образом, наибольшую полосу частот выходного резонатора, которую можно получить при хорошем к. п. д. и которая зависит также от эффектив­ ной емкости выходного зазора [19]. Широкополосиость выходного резонатора можно несколько увеличить, при­ менив технику связанных резонаторов [19—211. Ширина полосы входного и промежуточных резонаторов меньше, чем у выходного (если они не работают с резистивной нагрузкой), но, введя некоторую расстройку, можно добиться такого положения, что широкополосиость кли­ строна будет определяться только полосой выходного резонатора [5]. Таким образом, чтобы получить одновре­ менно широкую полосу и хороший к. п. д., желательно иметь низкий импеданс пучка (т. е. большое отношение тока пучка к напряжению на ускоряющем электроде). При этом не следует чрезмерно увеличивать диаметр трубы дрейфа, чтобы не снижать коэффициенты взаимо­ действия [14], а следовательно к. п. д. и усиление. При таких условиях на первое место выдвигаются обычно проблемы конструирования требуемой электронной пуш­ ки, поскольку ввод интенсивного электронного пучка, полученного с большого катода, в трубу малого диамет­ ра — задача не легкая. Мы не будем подробно рассматри­ вать эту задачу и ограничимся лишь замечанием, что трудности уменьшаются при более высоких уровнях мощности, где, согласно закону «трех вторых», для элек­ тронного потока, ограниченного пространственным заря­ дом, легче получить большое отношение тока к напря­ жению (или низкий импеданс пучка). Кроме того, при более высоких напряжениях благодаря повышенной ско­ рости электронов коэффициент взаимодействия имеет большее значение. Возможность получения большой ши­ рины полосы у мощных клистронов объясняется рядом причин. В качестве примера можно привести многорезо­ наторный клистрон 10-сантиметрового диапазона с расстрденшыми резонаторами с выходной мощностью 2,5 Мет

и с параметрами электронного пучка 1/л = 100 ке, / л = = 64 а, на котором возможно получить полосу частот 10% по уровню —3 дб. В то же время расчет, проведен­ ный для выходной мощности 120 кет при электронном пучке Цл = 30 кв и 1Л= 10,4 а, дает значение ширины полосы только 5,5%.

В общем случае для более широкой полосы требуются пучки с повышенным первеаисом, а для таких пучков характерны большие силы пространственного заряда, вызывающие некоторую разгруппировку пучка и сни­ жение к. п. д.

III. Современное состояние в области многорезонаторных клистронов

А. Импульсные клистроны. Импульсные клистроны обычно модулируются импульсами длительностью не­ сколько микросекунд. Основное их применение — радио­ локаторы систем противовоздушной и противоракетной обороны.

В длинноволновой части диапазона СВЧ, где длины волн, а значит, и длины дрейфа большие, размеры кли­ стронов становятся колоссальными. На фиг. 3 показан один из самых длинных клистронов — импульсный уси­ лительный клистрон Х84Ш, построенный отделением «Эймак» фирмы «Вэриан». Этот прибор рассчитан на уси­ ление широкополосного сигнала на частотах 400—450 Мгц. Его параметры: выходная мощность 2,5 Мет в импульсе при средней мощности 150 кет и коэффициенте усиления не менее 37 дб, полоса пропускания 5,9% по уровню 1 дб при фиксированной настройке. Шесть резонаторов клистрона заключены в общую вакуумную оболочку; ток пучка 60 а, ускоряющее напряжение 112 кв. Управ­ ление пучком осуществляется при помощи модулирую­ щего анода, работающего под напряжением 74 кв. В этом режиме к. п. д. клистрона равен 40%, а максимально до­ пустимый коэффициент заполнения 0,06.

В рассматриваемом диапазоне частот наиболее эффек­ тивный прибор, насколько это известно, был изготовлен Британской государственной исследовательской лабора­ торией [131. Он отдавал мощность 16 Мет при напряже­

Усиление этого трехрезонаторного клистрона равно 30 дб.

Широкополосный прибор Ь-3702 с расстроенными резо­ наторами [22] разработан фирмой «Литтон индастриз». Его выходная мощность равна 30 Мет в импульсе при средней мощности 150 кет в полосе частот от 1250 до 1350 Мгц и фиксированной настройке. Максимальная дли­ тельность импульса 35 мксек. Клистрон имеет шесть резо­ наторов и дает усиление 37 дб при напряжении 278 кв, токе пучка 324 а и к. п. д. не менее 33%.

Среди приборов 10-сантиметрового диапазона можно назвать французский клистрон Т2028, изготовленный фирмой «Томсон — Вэриан» [23]. Его импульсная мощ­ ность составляет 25 Мет при коэффициенте заполнения 0,16; усиление клистрона равно 35 дб, а к. п. д. 35%. Более поздняя модель ТУ2023, работающая в дециметро­ вом диапазоне, отдает мощность 40 Мет в импульсе при средней мощности 100 кет и к. п. д. 40%. Особенностью этих приборов является двухплечевой вывод энергии с двумя волноводными окнами, что позволяет вдвое умень­ шить мощность, приходящуюся на каждое окно. Недоста­ ток места не позволяет нам подробно остановиться на проблемах [24], которые приходится решать при конст­ руировании окон вывода энергии мощных импульсных клистронов; отметим только, что высокочастотный по­ верхностный разряд и пробой, мультипакторный эффект и возбуждение высших типовс колебаний сделали пробле­ му окна вывода энергии одним из основных факторов, препятствующих дальнейшему увеличению импульсной мощности клистронов.

Б. Клистроны непрерывного действия. В приборах, рассчитанных на работу в непрерывном режиме, гораздо большее значение имеет вопрос рассеяния тепла. В осо% бенности это относится к зазору выходного резонатора, где наиболее вероятна бомбардировка током перехвата пучка. По этой причине максимальная выходная мощ­ ность клистронов непрерывного действия всегда ниже, чем у импульсных. К тому же в случае импульсных кли­ стронов удачно используется кратковременная высокая пиковая эмиссия катода с оксидным покрытием. Получе­ ние очень больших мощностей в непрерывном режиме

облегчено на более длинных волнах, так как размеры трубы дрейфа, зазоров и катода можно соответственно увеличить.

Современная техника позволяет получать в непрерыв­ ном режиме мощности выше 100 кет на частотах от 350 Мгц до 10 Ггц. Получить такую мощность на частотах меньше 300 Мгц не составляет труда. Клистрон ЗКМЗООЬА отделения «Эймак» фирмы «Вэриан», напри­ мер, имеет выходную мощность 100 кет на частотах 345— 355 Мгц, но этот уровень мощности без применения спе­ циальной техники можно было бы увеличить даже в 20 раз или еще больше, если это нужно было бы для каких-либо военных или гражданских применений. В настоящее вре­ мя отделение «Эймак» разрабатывает 400-киловаттный клистрон 10-сантиметрового диапазона. Основные же усилия разработчиков были направлены на повышение уровня мощности клистронов непрерывного действия в диапазоне 2700—10 000 Мгц с особым акцентом на диапа­ зон 7000—9000 Мгц, что объясняется привлекательностью малых размеров волноводных элементов на этих часто­ тах, а также высокой направленностью сравнительно не­ больших антенн. Выдающихся результатов добились в

Поскольку для целей данной книги приборы непре­ рывного действия имеют первостепенное значение, кли­ строн УА879, разработанный Зителли, будет описан более подробно как пример современных мощных клистронных генераторов. Этот прибор имеет пять резона­ торов и настраивается перемещением стенки резонатора. При синхронной настройке к. п. д. равен 32%, а усиле­ ние 70 дб. Если же лампа имеет расстройку для широко­ полосной работы, то к. п. д. оказывается равным 40%, а усиление 50 дб. Электронный пучок формируется элек­

в области пушки совпадают на значительном протяжении; в так называемом бриллюэновском потоке катод экранирован от магнит­ ного поля и электроны сначала ускоряются, а потом только попада­ ют в магнитное поле.

используется пропитанный катод, работающий при плот­ ности тока 2 а/см2.

В режиме полной выходной мощности приблизитель­ но 0,5% мощности пучка расходуется на токооседание; эту мощность легко отвести, используя систему водяного охлаждения. Приблизительно 2 кет ВЧ-мощности рассеи­ вается в выходном резонаторе даже при тщательной об­ работке его внутренних поверхностей. Таким образом, водяное охлаждение необходимо для получения хоро­ шей тепловой устойчивости.

Выходная мощность выводится из выходного резона­ тора через индуктивную диафрагму и полуволновое ре­ зонансное прямоугольное окно. Окно выполнено из кера­ мики на основе окиси бериллия и охлаждается водой, омывающей волновод, окружающий керамику. Электро­ магнит клистрона весит 180 /сг, а сама лампа 34 кг. Фото­ графия клистрона приводится на фиг. 4а. Некоторые па­ раметры прибора даны в табл. 1, а на фиг. 46 показана типичная амплитудная характеристика клистрона.

В то время когда книга готовилась к печати, инжене­ ры фирмы «Вэриан ассошиэйтс» работали над вопросом получения мощности 260 кет, однако испытания носили предварительный характер. Главный инженер отделения электровакуумных приборов фирмы «Вэриан» доктор Нельсон считает, что в ближайшем будущем не после­ дует каких-либо шагов, направленных на дальнейшее уве­ личение мощности обычных клистронов, в основном из-за отсутствия соответствующего спроса на такие сверхмощ­ ные приборы. В настоящее время наиболее важным при­ менением клистрона УА879 мощностью 100 кет в 3-сан­ тиметровом диапазоне являются системы связи и управ­

К. п. д...................................................................44%

Из следующего раздела, где описываются специальные конструкции клистронов, мы увидим, что вполне реаль­ ной и практически достижимой является мощность 500 кет в непрерывном режиме на однолучевом приборе 3-сантиметрового диапазона; а после выполнения соот­ ветствующих разработок, по-видимому, можно получить мощности 1 Мет и выше. Имеются, конечно, некоторые надежды на то, что.мощные клистроны потребуются для систем передачи энергии СВЧ (гл. 3). Применение мощ­ ных клистронов в таких системах сразу может сделать их практически реализуемыми.

В. Клистрон с электростатической фокусировкой. Не­ сколько слов следует сказать о недавних работах по при­ менению в клистроне электростатической фокусировки пучка [281. В клистронах с электростатической фокуси­ ровкой магнитное поле совершенно не используется. Фокусировку пучка обеспечивают несколько электроста­ тических линз, расположенных между соседними резо­ наторами. Такие клистроны имеют серьезные преимущест­ ва перед клистронами с магнитной фокусировкой в тех применениях, когда важно обеспечить малый вес обору­ дования.

На клистроне с электростатической фокусировкой были получены сравнительно большая мощность (1 Мет на частоте 3 Ггц) и высокий к. п. д. как в непрерывном, так и в импульсном режимах [291. Однако попыток полу­ чить на таких приборах мощность, близкую к максималь­ но достижимым мощностям современных клистронов с магнитной фокусировкой, не делалось. При конструиро­ вании электростатических линз приходится преодолевать весьма серьезные трудности, связанные с необходимостью создания нужной изоляции и развязки по высокой ча­ стоте. Эти трудности, по всей вероятности, ограничат использование клистронов с электростатической фокуси­ ровкой на предельно высоких уровнях мощности.

IV. Дальнейшее улучшение параметров клистронов

А. Увеличение выходной мощности. 1. Многолучевой клистрон. Как уже говорилось выше, работы, направлен­ ные на увеличение выходной мощности приборов в не­ прерывном и импульсном режимах, проводились в пер­

вую очередь в диапазоне частот 3—10 Ггц. В начале 60-х годов дискуссия о возможности применения очень мощ­ ных приборов в специальной оборонительной системе послужила стимулом к ускорению этих работ. Предпри­ нимались попытки включить параллельно несколько кли­ стронов и направить их выходные мощности в один об­ щий вывод энергии. Однако на пути разработчиков встре­ тились большие трудности, связанные с необходимостью достижения удовлетворительной фазовой синхронизации и стабильности отдельных клистронов; при этом основ­ ной причиной трудностей был тепловой дрейф частоты про­ межуточных резонаторов клистронов. Отсюда возникла идея объединить множество параллельных лучей, рас­ положенных на близких расстояниях, в общей вакуум­ ной оболочке, а соответствующие резонаторы сильно связать между собой электрически. Реализация идеи привела к разработке фирмой «Дженерал электрик» многолучевого клистрона [30], от которого в 1961 г. была получена мощность 35 кет на частоте 8350 Мгц (для того времени это было выдающимся достижением). Каждый из лучей этого десятилучевого клистрона уско­ рялся напряжением 12 ке и имел ток 0,85 а. Объединение нескольких лучей, взаимодействующих с полями связан­ ных на резонансном виде колебаний резонаторов, в об­ щей вакуумной оболочке несомненно дало решение проб­ лемы фазовой синхронизации нескольких клистронных пучков и позволило получить иа выходе суммарную мощ­ ность. Однако оказалось, что у многолучевой конструк­ ции клистрона имеются свои проблемы. Неизбежное ис­ пользование многовидовых резонаторов заставляет спе­ циально заниматься вопросами правильного согласова­ ния ВЧ-импедансов отдельных лучей с зазорами соответ­ ствующих выходных резонаторов. Эта особенность на­ кладывает практические ограничения на число лучей, которые можно эффективно использовать. Ограничения становятся более жесткими, если клистрон должен рабо­ тать в широкой полосе частот. Было найдено, что для типичных применений, характеризующихся невысокими требованиями к широкополосности клистрона, макси­ мальное число лучей приблизительно равно 10. Вторая трудность связана с техникой управления лучами: добить­

ся малого токооседания для нескольких лучей — задача значительно более трудная. Дело в том, что в данном слу­ чае нелегко создать магнитные поля, обладающие идеаль­ ной осевой симметрией относительно осей пучков, кото­ рые в свою очередь магнитно влияют на соседние пучки. Перечисленные трудности, а также неизбежно высокая сложность конструкции до сих пор не дали многолучево­ му клистрону возможности превзойти по мощности обыч­ ные однолучевые клистроны, представителем которых является УА879.

2. Сравнение однолучевого и многолучевого клистронов. Идея многолучевой конструкции состоит в том, что в ней можно использовать любую заданную конструкцию одно­ лучевого клистрона, имеющего выходную мощность Р. Тогда, если многолучевой клистрон имеет 10 лучей, вы­ ходная мощность будет составлять ЮР.

Тот же самый результат можно получить и в однолу­ чевой конструкции, если при тех же самых пушке и пространстве дрейфа увеличить напряжение в 2,5 раза [31]. Размеры катода придется тогда увеличить в 2 раза1), чтобы ток пучка можно было повысить в 4 раза и тем самым увеличить мощность в 10 раз. Чтобы сфокусиро­ вать луч с четырехкратным током в той же трубе дрейфа, достаточно увеличить магнитное поле всего в 1,6 раза [32], но тогда мощность, теряемая при оседании электронов луча, возрастет в этом однолучевом приборе также приблизительно в Л0 раз. Поскольку, однако, более высокое напряжение дает значительное улучшение коэф­ фициентов взаимодействия, допустимо увеличить диаметр трубы дрейфа и длину зазоров, что приведет к значитель­ ному снижению мощности токоперехвата и потерь в ВЧсистеме. Благодаря этому для решения задачи охлажде­ ния прибора не требуется каких-либо особых средств. Таким образом, оказывается возможным построить однолучевой клистрон с выходной мощностью ЮР. Недостат­ ком такого прибора по сравнению с многолучевой конст-

2) Обычно это сделать нетрудно; в многолучевом же приборе размеры катода жестко ограничены допустимым расстоянием между соседними лучами, которое определяется характеристиками связи ВЧ-системы, зависящими от требований к ширине полосы и импе­ дансу.