Короткі відомості про відбивний клістрон

Відбивні клістрони широко використовуються в діапазоні НВЧ як генератори малої та середньої потужності.

Відносна простота конструкції, можливість без інерційного перестроювання частоти без додаткового використання енергії, малі габарити та вага приладу - основні якості клістронних генераторів.

Механізм роботи відбивного клістрона складається: електронний потік, який формується електронною гарматою, проходить ВЧ зазор резонатора й отримує швидкісну модуляцію (рис.3.1). Після проходження ВЧ зазору електрони попадають в гальмуюче поле відбивача та рухаються рівносповільнено. В просторі групування (між резонатором та відбивачем) відбувається перетворення модуляції по швидкості в модуляцію по щільності.

Під дією електричного поля відбивача потік електронів, який промодульований по щільності, повертається в резонатор.

Рис.3.1. Схематичне зображення устрою та живлення відбивного клістрона: 1 - катод; 2 - сітки резонатора; 3 - відбивач

Щоб утворені електронні згустки віддавали енергію полю в ВЧ зазорі резонатора при зворотньому русі, необхідно, щоб центр згустку проходив в зазор в гальмівний півперіод поля.

Просторово-часові діаграми (рис.3.2) дають можливість визначити оптимальну величину кута прольоту центра електронного згустку в просторі групування по відношенню до центру ВЧ зазору: , де - кут прольоту в просторі групування, рівний

,

де - відстань від центру резонатора до відбивача, - число, яке характеризує порядок області збудження (номер зони генерації), - напруга резонатора, - напруга відбивача по відношенню до катоду.

Нехай кут прольоту електронів між сітками зазору набагато менше кута прольоту в просторі між резонатором та відбивачем.

Залежність генерованої потужності від напруг відбивача при незмінній напрузі на резонаторі та постійному навантаженні зображена на рис.3.3.

Генерація клістрона можлива, коли активна електронна провідність від’ємна та не перевищує по абсолютній величині сумарну активну провідність резонатора та навантаження . Звідси неважко отримати пусковий струм клістрона , тобто мінімальний струм, який здатний підтримувати НВЧ коливання:

,

де М - коефіцієнт взаємодії електронів з полем, рівний:

Частота коливань, які генеруються клістроном, в основному визначається резонансною частотою резонатора. Зміна частоти коливань в межах області збудження при незмінному механічному настроюванні контуру відома під назвою електронного настроювання. Під діапазоном електронного настроювання ми розуміємо зміну частоти генерованих коливань в межах половинної потужності по відношенню до максимальної потужності в центрі зони.

Крутизна електронного настроювання зв'язана з параметрами контуру та навантаженням співвідношенням:

,

де - навантажена добротність резонатора клістрону. Вихідна потужність клістрону залежить від навантаження. При зміні зв'язку вихідна потужність зростає від нуля до максимуму, а потім знову може впасти до нуля, незважаючи на безперервне збільшення зв’язку.

Рис.3.2 Просторово-часові діаграми

Існує певна для даного клістрону величина навантаження, при якому вихідна потужність досягає максимуму. Таке навантаження називають оптимальним. При значному навантаженні коливання в деяких зонах можуть не виникати.

Рис.3.3. Залежність потужності та частоти генерації від напруги відбивача в зоні генерації