Сайт "Cner"

Обычные электронные лампы, как известно, непригодны для работы в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), так как «пролетное время» (время пролета от катода к аноду) электронов в них соизмеримо с периодом колебаний и поэтому входное сопротивление таких ламп становится весьма малым. Например, входное сопротивление лампы 6Ж7 на волне 1 м составляет всего лишь 180 ом. Для сверхвысоких частот нужны специальные лампы.

На рис. 1, а изображен колебательный контур, состоящий из конденсатора, выполненного в виде двух сеток и одного витка.

Резонансную частоту можно повышать, уменьшая индуктивность, т. е. размеры витка. Этим путем нельзя идти дальше предела, который достигается, когда виток обратится в перемычку (рис. 1, б). Однако такой контур сильно излучает и поэтому не может быть применен в генераторах СВЧ. Дальнейшего уменьшения индуктивности можно достичь, увеличивая ширину проводника, из которого сделан виток (рис. 1, в), что в пределе приведет к замкнутому объемному резонатору (рис. 1, г), показанному в разрезе на рис. 1, д. Все поле этого резонатора заключено в его внутренней полости. Электрическое поле в основном сосредоточено в узком зазоре, играющем роль емкости, а магнитное поле — в тороидальной части, играющей роль индуктивности.

То же самое надо сказать и о колебательных контурах. В диапазоне СВЧ емкость конденсатора и индуктивность катушки колебательного контура становятся соизмеримыми с емкостью и индуктивностью монтажа и электродов лампы.

Главной особенностью диапазона СВЧ служит то, что длина волны становится соизмеримой с геометрическими размерами самого колебательного контура. При этом сила тока в разных участках контура оказывается различной, и резко возрастает излучение электромагнитной энергии в пространство. Эти дополнительные потери энергии нарушают нормальную работу генератора и исключают возможность применения обычных колебательных контуров в диапазонах СВЧ. Поэтому при работе на СВЧ вместо обычных контуров применяются специальные колебательные системы типа коаксиальной линии или объемного резонатора, в которых каждый элемент схемы обладает одновременно и емкостью и индуктивностью (рис. 1).

Для генерации колебаний СВЧ необходимы приборы, работающие на совершенно других основах, чем обычные лампы. Такими приборами служат магнетроны и клистроны.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПОТОКОМ

В 1932 году профессор Д. А. Рожанский (г. Ленинград) предложил, а в 1935 году научный сотрудник А. Арсеньева описала конструкцию прибора, в котором применяется динамическое управление потоком электронов. Такие приборы впоследствии получили название клистронов.

В обычных лампах управление потоком электронов на всем пути их пролета от катода к аноду осуществляется электростатическими полями. В клистроне основную роль играет дрейф — полет электронов в пространстве, в котором электрические поля отсутствуют.

Схема подобного прибора изображена на рис. 2. Пучок электронов, выходящих из электронной пушки, проходит через сетки, образующие конденсатор управляющего колебательного контура. Если к контуру приложено переменное напряжение, то в первую половину периода правая обкладка этого конденсатора заряжена отрицательно, а левая — положительно, во вторую половину периода — наоборот. Поэтому электроны, пролетающие этот конденсатор в первую половину периода, испытывают торможение, а пролетающие его во вторую половину периода — ускорение. Электроны, пролетающие этот конденсатор в момент, когда разность потенциалов между сетками равна нулю, не изменяют своей скорости; следовательно, они будут догонять электроны, замедленные в первую половину периода, а их в свою очередь будут догонять электроны, ускоренные в течение второй половины периода.

Так как через модулятор проходит поток электронов постоянной плотности, то его можно изобразить в виде равноотстоящих точек на прямой М. Электроны, проходящие модулятор в те моменты времени, когда напряжение на нем равно нулю, не изменяют своей скорости. Их движение изобразится прямыми, наклоненными к оси под некоторым определенным углом φ. Остальные электроны будут обладать большими или меньшими скоростями в зависимости от направления электрического поля во время их пролета сквозь модулятор. Соответственно, прямые, изображающие их движение, будут иметь больший или меньший наклон. Как видно из рис. 3, эти прямые постепенно сближаются и пересекаются между собой, что соответствует процессу группирования электронов в сгустки.

Таким образом, однородный пучок электронов после прохождения через сетки конденсатора управляющего (модулирующего) контура оказывается модулированным по скорости и при дальнейшем движении распадается на отдельные сгустки электронов. Если при выключенном управляющем напряжении на коллектор попадал некоторый постоянный ток, то при включенном управляющем напряжении на него будут попадать отдельные сгустки электронов, т. е. в цепи коллектора будут протекать импульсы тока.

Это значит, что с помощью модуляции скорости электронов можно из непрерывного потока электронов получить отдельные импульсы тока, причем частота импульсов определяется частотой управляющего напряжения. Если на пути модулированного пучка электронов поставить второй колебательный контур, то сгустки электронов, проходя между его сетками, возбудят в этом контуре колебания той же частоты.

Не следует думать, что при этом возбуждение осуществляется электронами, оседающими на сетках, которые, образуют конденсатор второго контура. Возбуждение осуществляется зарядами, которые наводят (индуктируют) в сетках этого конденсатора пролетающие электроны.

Лампа с такой «скоростной модуляцией», схематически изображенная на рис. 2, может работать и в обычном радиотехническом диапазоне, но ее основные преимущества выявляются на сантиметровых волнах, где обычные лампы работать не могут.

В лампах со скоростной модуляцией, предназначенных для сантиметрового диапазона, в качестве колебательных контуров применяются объемные резонаторы.

Для того чтобы яснее представить себе работу клистрона, рассмотрим, каким образом происходит взаимодействие между электронами и электрическим полем объемного резонатора.

Если электрон летит в электрическом поле так, что он испытывает со стороны поля тормозящую силу, его скорость уменьшается, а следовательно, уменьшается и его энергия. Так как энергия не может исчезнуть, необходимо сделать вывод, что энергия, потерянная электроном, превратилась в энергию электрического поля, т.е. что напряженность поля увеличилась. Если электрон летит так, что он ускоряется полем, т.е. получает энергию, то напряженность поля уменьшается.

Из изложенного ясно, что если через периодическое во времени электрическое поле (например, поле между сетками модулирующего резонатора клистрона) пролетает поток электронов неизменной интенсивности, то поле в среднем не получает и не теряет энергии. Действительно, поле, которое приобрело энергию в течение одного полупериода, теряет ее в течение следующего полупериода.

Поэтому для модуляции скорости электронного потока в клистроне тратится очень небольшая энергия. Основная ее часть расходуется на нагрев стенок модулирующего резонатора.

Иначе обстоит дело во втором — приемном резонаторе клистрона. Если этот резонатор отстоит от модулятора на расстоянии, соответствующем линии Г (рис. 3), то через него проходит не постоянный во времени поток электронов, а периодически пролетают электронные сгустки, т. е. проходят периодические импульсы тока.

Если собственная частота второго резонатора близка к частоте этих импульсов, то в нем возбудятся колебания, фаза которых автоматически установится таким образом, чтобы отбираемая от электронных сгустков энергия была наибольшей из возможных при данной конструкции прибора.

Следует подчеркнуть, что колебания во втором резонаторе возбуждаются не за счет энергии модулирующего поля, а за счет энергии анодной батареи, которая сообщает электронному потоку его начальную скорость. Роль модулятора заключается в том, что он, расходуя небольшую энергию, группирует электроны в сгустки и, таким образом, превращает постоянный ток, не способный возбудить колебания резонатора, в импульсы тока. Здесь можно провести некоторую аналогию с работой сетки обычной электронной лампы. С помощью сетки, расходуя небольшую энергию, удается управлять анодным током лампы, т.е. управлять расходом энергии источника анодного напряжения.

Итак, затратив небольшую мощность в цепи модулятора, с помощью двухконтурного клистрона можно получить большую мощность во втором резонаторе. Это значит, что двухконтурный клистрон способен работать как усилитель в диапазоне сантиметровых волн.

Однако двухконтурный клистрон способен работать не только в качестве усилителя. Как и всякие импульсы, импульсы электронного тока клистрона богаты гармониками. Поэтому, если второй резонатор настроен не на частоту модулятора, а на гармонику этой частоты, то в нем все же будут возбуждаться колебания. Таким образом, двухконтурный клистрон может работать и как умножитель частоты.

Несмотря на все преимущества перед обычными лампами, двухконтурный клистрон не свободен от недостатков. Он сложен в изготовлении и его трудно настраивать.

Настройка частоты двухконтурного клистрона требует одновременной настройки двух резонаторов. Это достигается изменением объема каждого резонатора. Сложность подобной операции и высокие требования к механической конструкции клистрона ограничивают применение двухконтурных клистронов. Такие клистроны применяют в настоящее время только для умножения частоты и усиления.

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН

Для генерации сантиметровых волн применяются преимущественно так называемые отражательные клистроны, разработанные советским специалистом В. Ф. Коваленко (1940 год).

Основным преимуществом отражательного клистрона является то, что для его работы достаточно наличие только одного резонатора, который служит одновременно и модулирующим и выходным резонатором.

В этом случае электроны, ускоренные в пространстве между катодом и резонатором (рис. 6) и пролетевшие сквозь сетки резонатора, не будут попадать на отражатель, а, постепенно тормозясь, по мере приближения к отражателю, остановятся и полетят обратно к резонатору с возрастающей скоростью. В результате электроны возвратятся к резонатору с той же самой скоростью, с которой они вылетели из резонатора.

Однако, как показывает опыт, при некоторых соотношениях между размерами клистрона и напряжениями на его электродах можно добиться, чтобы все электроны, пролетающие резонатор в течение полупериода поля резонатора (рис. 6), вернулись к резонатору почти одновременно. Отметим, что, в отличие от двухконтурного клистрона, в отражательном клистроне электроны группируются вокруг того электрона, который проходит через резонатор в момент, когда его поле проходит через нуль, изменяясь от ускоряющего к замедляющему полю (рис. 6 и 3).

Легко видеть, что при правильном режиме отражательный клистрон начнет генерировать без всяких устройств, подобных обратной связи. Действительно, если клистрон включен и на него поданы соответствующие питающие напряжения, то электронный поток в нем не может оставаться постоянным. Малейшее случайное изменение величины потока или электрический толчок приведет к самовозбуждению клистрона. Малейшее изменение напряжения на резонаторе ведет к модуляции электронного потока И образованию сгустка электронов. Возникший, таким образом, сгусток, при правильном режиме, сообщит резонатору некоторую энергию за счет анодной батареи, увеличив первоначальную небольшую амплитуду напряжения на резонаторе. Это приведет к образованию более крупного сгустка и к более сильному возбуждению резонатора. Таким образом, колебания в клистроне будут нарастать до тех пор, пока приток энергии от батареи не будет уравновешен потерями энергии на нагрев стенок резонатора, на излучение электромагнитной энергии и т. п.

Электроны, ускоренные в пространстве между катодом и резонатором, летят с одинаковой скоростью и образуют поток электронов, имеющий постоянную плотность. Между сетками резонатора электроны получают дополнительную скорость, которая зависит от фазы электрического поля во время пролета их через резонатор. Электроны пролетающие резонатор в момент t₁, не претерпевают изменения скорости. График их пути в пространстве группирования изображен кривой 1, а время полета равно τ₁. Электроны, пролетевшие резонатор в момент t₂, испытывают наибольшее ускорение, поэтому они заходят наиболее далеко в пространство группирования (кривая 2) и затрачивают на полет в нем большее время τ₂. Электроны, пролетевшие резонатор в момент t₃, испытывают наибольшее замедление и проходят наиболее короткий путь (кривая 3), затрачивая на это меньшее время τ₃.

При правильной конструкции прибора все электроны, прошедшие резонатор в течение рассматриваемого полупериода, возвращаются в резонатор почти одновременно, образуя короткий импульс тока. Если момент возвращения совпадает с максимумом тормозящего поля, то электроны передают резонатору максимум энергии от анодной батареи.

Итак, мы видим, что электроны, собранные в группы, возвращаясь к резонатору, сообщают ему добавочную энергию за счет энергии анодной батареи, первоначально ускорившей эти электроны. В свою очередь группирование электронов осуществляется с помощью модуляции скорости первичного пучки электронов, выполняемой тем же резонатором с ничтожными затратами энергии.

Таким образом, механизм группирования в отражательном клистроне сам по себе эквивалентен механизму обратной связи, почему и не нужны дополнительные устройства для возбуждения колебаний в таком клистроне.

Благодаря тому, что в отражательном клистроне модулирующим и воспринимающим энергию является один и тот же резонатор, настройка отражательного клистрона весьма проста.

Замечательной особенностью отражательного клистрона является возможность эффективного изменения генерируемой частоты чисто электронным способом, а именно—небольшим изменением потенциала отражателя.

Для того чтобы изменить частоту генерируемых колебаний, достаточно несколько изменить время полета электронов в зоне группирования. При этом изменится мгновенное значение напряжения на резонаторе в момент возвращения группы.

Это значит, что фаза тока, наводимого на резонаторе группами электронов, получит некоторый добавочный сдвиг по отношению к напряжению на резонаторе. Такой фазовый сдвиг соответствует некоторой добавочной активной и реактивной составляющей. Реактивная составляющая вызывает изменений частоты, генерируемой клистроном, а активная составляющая соответствует добавочной мощности, рассеиваемой в резонаторе, и приводит к падению амплитуды колебаний клистрона.

Электронная настройка частоты клистрона в некоторой степени аналогична зависимости частоты обычного генератора от величины обратной связи. Действительно, частота, генерируемая ламповым генератором, не совпадает с резонансной частотой колебательного контура, а отличается от нее на величину, которая определяется добавочной реактивностью, вносимой в контур другими элементами генератора, — в особенности цепью обратной связи.

При регулировке обратной связи изменяется не только амплитуда колебаний, зависящая от величины отрицательного активного сопротивления, которое вносит цепь обратной связи в контур, но и частота генератора, зависящая от изменений величины вносимого в контур реактивного сопротивления.

Как мы видели, группы электронов, которые возвращаются к резонатору, возбуждают в нем токи, сдвинутые по фазе по отношению к напряжению резонатора. Эти токи вполне аналогичны токам, наводимым в контуре обычного генератора цепью обратной связи. Они также вносят в резонатор некоторое отрицательное активное сопротивление, которое определяет амплитуду колебаний клистрона и реактивное сопротивление, определяющее отличие генерируемой частоты от резонансной частоты резонаторе.

Конечно, относительное отличие генерируемой частоты от резонансной частоты резонатора очень невелико и лежит в пределах резонансной кривой резонатора.

Итак, для того чтобы изменить частоту колебаний клистрона, достаточно изменить фазу возвращения группы электронов к резонатору.

Как видно из рис. 6, для этого нужно изменить время полета электронов в зоне группирования, которое определяется их начальной скоростью, т. е. анодным напряжением клистрона и величиной потенциала отражателя.

Следовательно, частота, генерируемая клистроном, зависит не только от данных резонатора, но и от этих двух величин, причем влияние изменений потенциала отражателя много сильнее, чем влияние изменений анодного напряжения.

На рис. 7 изображена зависимость амплитуды и частоты колебаний отражательного клистрона от потенциала отражателя. Обычно колебания клистрона возникают в нескольких областях значений потенциала отражателя.

Это соответствует изменению времени запаздывания на величину, кратную периоду колебаний. Для каждой области колебаний имеется определенное значение потенциала отражателя, соответствующее наибольшей мощности колебаний. При небольшие отклонениях потенциала отражателя от этих значений амплитуда колебаний уменьшается, а частота изменяется соответственно знаку изменения потенциала отражателя.

Удобство, простота и надежность электронной настройки обеспечили отражательным клистронам широкое применение в различных схемах аппаратуры сантиметрового диапазона, например, в качестве гетеродинов в приемниках, в различных измерительных приборах, в радиоспектроскопах и т.д.

Автор: М. Жаботинский

Источник публикации: ж. Радио, 1951, № 5, с. 40 - 43