книги / СВЧ-энергетика. Генерирование. Передача. Выпрямление

рукцией является более высокое (в 2,5 раза) рабочее напряжение и увеличенное (в 1,6 раза) магнитное поле. С другой стороны, однолучевой клистрон имеет более простую конструкцию и, кроме того, меньший импеданс луча и, следовательно, увеличенную широкополосность (в 4,0/2,5 ^ 1,57 раза).

То, что многолучевой клистрон работает при более низком напряжении, может оказаться очень важным пре­ имуществом. Как известно использование весьма высоких напряжений (выше 200 ке) влечет за собой необходимость решения сложных вопросов защиты от рентгеновского излучения. Кроме того, во многих случаях возбуждаются паразитные колебания в области пушки [33], хотя в на­ стоящее время эти явления хорошо изучены и возникно­ вение колебаний часто можно предотвратить. Другим возможным недостатком однолучевого клистрона является опасность самовозбуждения колебаний в трубе дрейфа; эта опасность тем реальнее, чем больше диаметр трубы 134]. По мнению автора, в тех случаях, когда уровень высокого напряжения однолучевого клистрона не ставит перед разработчиком чрезмерных трудностей, использо­ вание многолучевой конструкции вместо однолучевой будет экономически неоправданным. Многолучевую конст­ рукцию целесообразно иметь в виду при необходимости получить предельно большие мощности (для которых нужны очень высокие напряжения), т. е., вероятно, мощ­ ности выше 1,0 Мет для приборов 3-сантиметрового диа­ пазона и 30 Мет для приборов 10-сантиметрового диапа­ зона; эти цифры относятся как к импульсному, так и к непрерывному режимам работы. При таких больших мощ­ ностях потери в ВЧ-системе и в окне вывода энергии на­ столько велики, что, по всей вероятности, нельзя будет обойтись без нескольких выводов энергии.

3. Мощные однолучевые конструкции. Превосходный обзор достижений в области клистронов и некоторые прогнозы были даны в работе [35], опубликованной в 1962 г. С того времени техника мощных однолучевых кли­ стронов существенно шагнула вперед в ходе выполнения работ для ВВС США [36], целью которых было получе­ ние мощности 1 Мет на частоте 8 Ггц. Практически уже доказана возможность получения мощности 530 кет.

Использование принципа распределенного взаимодейст­ вия, при котором пучок последовательно взаимодейст­ вует с полями нескольких зазоров выходной системы [37, 38], дало возможность значительно уменьшить ВЧпотери: если выходной резонатор представляет собой по­ следовательность N связанных резонаторов, то его пол­ ный импеданс будет приблизительно в N раз больше импе­ данса отдельного резонатора. Внешняя добротность и потери в контуре уменьшаются в N раз, а плотность мощ­ ности уменьшается приблизительно в УУ2 раз. Таким об­ разом, удалось уменьшить потери в четырехрезонатор­ ной выходной секции до 5,5 кет. Другой важной особен­ ностью данного клистрона была пушка с малым первеансом (0,29* 10"°), которая позволяла добиться очень малого тока перехвата при малом отношении (менее 0,5) диамет­ ров луча и трубы дрейфа. При ускоряющем напряжении 150 кв и токе луча 16,7 а мощность пучка составляла при­ близительно 2,5 М ет. Следует отметить, что такие низкопервеансные конструкции мешают получить очень широ­ кую полосу из-за высокого импеданса луча, если, конеч­ но, не использовать замедляющие системы типа приме­ няемых в ЛБВ. Ниже мы рассмотрим способы увеличения ширины полосы нерезонанспых структур.

Б. Улучшение к. п. д. Кратко остановимся на мето­ дах, позволяющих повысить к. п. д. Основные потери энергии определяются кинетической энергией электронов, вылетающих с различными скоростями из зазора выход­ ного резонатора и бомбардирующих коллектор. Все эти потери энергии можно было бы скомпенсировать (по крайней мере так считает теория), если бы электроны мож­ но было рассортировать по скоростным группам и каж­ дую группу «посадить» на электрод с соответствующим напряжением. Эти электроды, называемые коллекторами с рекуперацией, можно было использовать тогда в каче­ стве генераторов тока. Но отобрать энергию с этих элек­ тродов без применения сложных схем выпрямления не легко, и в этом заключается одна из главных причин того, что такие схемы не нашли широкого распространения. Практически целесообразно, однако, использовать одно­ потенциальный коллектор с рекуперацией, что, как было показано, дает увеличение к. п. д. в пределах от 0 до

10%. Улучшение к. п. д. всегда значительно меньше в тех случаях, когда группировка в клистроне достаточно хо­ рошая, а к. п. д. сравнительно высок и без понижения напряжения на коллекторе.

Имеется, кроме того, ряд других трудностей: часть медленных электронов, а также вторичные электроны возвращаются в трубу дрейфа, где они могут вызвать взаимодействие с первичным сигналом и привести к не­ стабильности. Применение коллекторов с покрытиями, канавками и проволочными сетками позволяет уменьшить вторичную эмиссию. Для изоляции такого коллектора требуются большие экранированные керамические дер­ жатели. Таким образом, по-видимому, сложность лампы и схемы включения является основной причиной, препят­ ствующей распространению систем, работающих по схе­ ме с рекуперацией энергии [39]. Можно, однако, быть уверенным, что при больших уровнях мощности и при необходимости получить высокий к. п. д., не достижимый другими методами, применение систем с пониженным на­ пряжением на коллекторе будет расширяться. Такие системы, вероятно, могут иметь полный к. п. д. выше 80%, но в экономическом отношении они пока еще непрактичны.

группировка электронного пучка. Если бы в идеальном случае можно было вводить все электроны в выходной резонатор с одинаковой скоростыб, плотными пакетами, в нужные моменты относительно фазы электрического ВЧ-поля на зазоре и если бы интервал времени, в тече­ ние которого электроны замедлялись бы до пулевой ско­ рости, был достаточно малым, то коэффициент взаимодей­ ствия мог бы тогда быть близким к 100%. Предлагались различные способы достижения этих желательных уров­ ней. По крайней мере с точки зрения чисто баллистиче­ ской теории улучшение группирования должно наблю­ даться, если используемое синусоидальное изменение поля на зазорах модулирующих резонаторов заменить на пило­ образное. Чтобы получить колебания такой формы, в мо­ дулирующие резонаторы нужно вводить вторую, а также третью и более высокие гармоники. Это решение нельзя считать невозможным, хотя сложность подобной системы,

в которой возникают серьезные проблемы, связанные с неустойчивостью, может отпугнуть любого конструктора, думающего о финансовой стороне дела.

Обсуждались также и другие пути повышения к. п. д., о которых здесь мы только упомянем. В их числе исполь­ зование скачков скорости в зазоре выходного резонатора [40] или непосредственно перед ним (с целью уменьшить относительный разброс электронов по скоростям в потоке), использование выходных и группирующих резонаторов с двумя или большим числом зазоров взаимодействия [41] и применение систем распределенного взаимодействия.

Все эти пути исследовались теоретически и в некото­ ром объеме экспериментально, Продвижение по каждому из них сопряжено с серьезными трудностями изготовле­ ния; вместе с тем ни один из них не приводит к выдаю­ щимся результатам. Все еще редко удается эксперимен­ тально получить к. п. д. взаимодействия выше 60%. Наиболее перспективная в настоящее время конструк­ ция — клистрон с распределенным взаимодействием — воплощена в нескольких приборах [38]. Представляется вероятным, что доступность совершенных методов расче­ та на данном этапе развития приведет в следующие однодва десятилетия к постепенному продвижению реальных значений к. п. д. до уровня 70—80% без значительного увеличения сложности приборов.

В. Улучшение широкополосности. 1. Принцип рас­ пределенного взаимодействия и гибридные усилительные клистроны. Ширина полосы электронной настройки мно­ горезонаторного клистрона достаточна для большинства существующих каналов связи, но при переключении пе­ редатчика на другой канал клистрон приходится пере­ страивать. Таким образом, желательно, чтобы клистрон имел более широкую полосу, которая позволяет переклю­ чать каналы связи без механической настройки.

В разд. II, В уже указывалось, что ширина полосы ВЧ-системы пропорциональна отношению Н/С} выходного резонатора, которое служит мерой его эффективной емкостной реактивности, и что полная ширина полосы многорезонаторного клистрона обычно ограничивается выходным резонатором. Выходная система, в которой имеется несколько зазоров взаимодействия, расположен-

иых последовательно вдоль электронного пучка, обладает более высоким К/ф и, следовательно, может быть более широкополосной. В такой выходной системе электронный пучок будет тормозиться в несколько этапов, а не в один, и для этого требуется создать правильные фазовые соот­ ношения между ВЧ-полями и сгустками электронов, за ­ висящие от связи между соседними зазорами взаимодей­ ствия. Таким образом, наша система становится структу­ рой с бегущей волной и со стоячими волнами, возникаю­ щими из-за отражений на каждом конце. Именно такая система используется в «клистроне с распределенным взаи­ модействием» [42], о котором упоминалось з предыдущем разделе. Если система нагружена так, что отражения не возникают, тогда она превращается в идеальную вы­ ходную систему бегущей волны, фазовая скорость которой должна быть синхронной с промодулированным по плот­ ности электронным пучком. Ширину полосы подобных систем можно сделать настолько большой, что выходной контур клистрона не будет больше ограничивающим фак­ тором.

Клистрон, в конструкции которого используется такая выходная система, получил название гибридного кли­ строна, или твистрона, и был впервые описан Лярю и Рубертом [43]. На приборах этого типа оказалось воз­ можным обеспечить широкополосные характеристики и получить в импульсном режиме на частоте 3 Ггц мощность свыше 10 Мет, а на частоте 7 Ггц мощность свыше 5 Мет при широкополосности более 10% и к. п. д. приблизитель­ но 40%. По существу эти приборы являются лампами бе­ гущей волны с замедляющими системами типа «клевер­ ный лист» [44]. Основной недостаток этих замедляющих систем — неравномерное распределение усиления в по­ лосе частот и наличие пиков усиления в центре полосы пропускания. В целях коррекции вместо входной секции ставят цепочку из четырех или большего числа резонато­ ров, расстроенных таким образом, чтобы поднять усиле­ ние на краях полосы. Экспериментальным путем установ­ лено, что правильная регулировка напряжения и настрой­ ка резонаторов дают возможность увеличить не только ширину полосы, но также одновременно поднять к. п. д. выше уровня, достижимого для ЛБВ [45]. Твистрон схе

Ф и г. 5. Твистрон УА143А.

1 — электронная пушка, первеанс 2* 10-*; 2 — пуговичный-катод; 3 — фокусирующий электрод; 4 — анод; 5 — входной резонатор ши­ рокополосной секции клистрона; 0 — внешняя нагрузка второго резо­ натора; 7 — фланец вывода энергии; 8 — место размещения окна вы­ вода энергии; 9 — геттсрио-попиый насос; 10 — свинцовый экран за ­ щиты от-рентгеновского излучения; 11 —коллектор; 1 2 — элементы связи вывода энергии; 13 — выходная секция типа «клеверный лист»;

модействия; 19 — подогреватель; 20 — изолятор на 250 кв; 21 — выводы катода и подогревателя.

матически изображен на фиг. 5, а на фиг. 6 показаны его типичные характеристики.

Следует отметить, что все гибридные усилительные клистроны имеют склонность к самовозбуждению на

участке системы бегущей волны, и эта склонность сильнее проявляется на краях полосы, где импеданс системы возрастает. Трудности возрастают еще больше на повы­ шенных уровнях мощности и при больших первеансах электронной пушки. Прогресс в данной области будет зависеть во многом от того, насколько хорошо удастся подавить такие колебания.

Частота, Ггц

Ф и г. 6. Основные характеристики твистрона УА143А при мощ­ ности выходного сигнала 2 кет.

V = 180 кв, / = 156 а, усиление 37—38 дб, наибольший к.п.д. 48% на частоте 2940 Мгц.

2. Широкополосная многолучевая конструкция. В своем стремлении к созданию мощного широкополосного при­ бора исследователи не оставили без внимания и многолу­ чевую конструкцию со связанными лучами. Первоначаль­ но принцип использования множества лучей, связанных поперечными периодически нагруженными волноводами, был описан в 1958 г. в работе [46], а затем реализован в 1961 г. [47] в результате использования нескольких кли­ стронов дециметрового диапазона с внешними резонато­ рами, объединенных в систему бегущей волны типа цепоч­ ки фильтров. В 1964 г. был построен двенадцатилучевой

прибор 10-сантиметрового диапазона, отдававший мощ­ ность свыше 6,0 Мет при ширине полосы 16% и усилении по мощности 23 дб [48, 49]. Характерными особенностями его были отсутствие паразитных сигналов на выходе, свойство автодуплексности1) и превосходная фазовая ли­ нейность. Этот прибор представлял собой поперечный двухкаскадный усилитель бегущей волны без резонато­ ров. Внешний вид прибора показан на фиг. 7, а его по­ перечное сечение — на фиг. 8. Основным недостатком его был сравнительно невысокий к. п. д. (20%), который был ограничен трудностями достижения хорошей группировки электронного пучка. На фиг. 9 приведены основные ха­ рактеристики прибора.

В настоящее время ведутся исследования по созданию еще одного варианта широкополосного многолучевого клистрона [50]. В этом приборе, известном под названием «гибридного клистрона бегущей волны», на входе и вы­ ходе используются системы бегущей волны с чисто по­ перечным взаимодействием, а между ними имеется мно­ жество отдельных резонаторов, как в многорезонаторном клистроне с расстроенными резонаторами. Можно надеять­ ся, что у этого прибора к. п. д. и ширина полосы будут такими же, как у однолучевого клистрона с расстроен­ ными резонаторами, и вместе с тем будет получена боль­ шая средняя мощность (благодаря большому числу лу­ чей), сохранится свойство автодуплексности и на выходе не появятся паразитные сигналы — особенности, харак-

*) Здесь имеется в виду следующее. Выходной волновод, прони­ зываемый электронными лучами, представляет собой оконечный каскад усилителя с поперечным взаимодействием. Нарастание мощ­ ности происходит в направлении к выходному концу этого волново­ да, который далее связан с антенной. Мощность же, распространяю­ щаяся к противоположному концу волновода, обычно поглощается абсорбером и имеет уровень приблизительно на 12 дб более низкий, чем уровень выходной мощности. Следовательно, если антенный переключатель расположить не на выходе прибора, а на конце вол­ новода в месте нахождения абсорбера, то уровень мощности, на который должен быть рассчитан антенный переключатель, будет на 12 дб ниже выходного уровня. Сигнал же, принятый антенной, бу­ дет проходить по волноводу усилителя к антенному переключателю и далее к приемнику почти без затухания. Аналогичное размещение антенного переключателя иногда практикуется при каскадном вклю­ чении амплитронов.— Прим. ред.

при уровне средней мощности 250 в т . Эти результаты были достигнуты на так называемом убитроне — лампе бегущей волны, в которой периодически промодулированный пучок взаимодействует с полями ненагруженного волновода [51, 52].