Мильман И.И. Радиоволновой, тепловой и оптический контроль. Часть 1. Радиоволновой контроль - файл n1.doc

Мильман И.И. Радиоволновой, тепловой и оптический контроль. Часть 1. Радиоволновой контроль
скачать (762 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc762kb.22.08.2012 11:41скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6

Рис.1.4. Графики амплитудной (а) и частотной (б) модуляции


отражательного клистрона
Как видно из рисунка, амплитудная модуляция не сопровождается частотной модуляцией только при условии изменения модулирующего напряжения во времени по закону прямоугольника (меандра). Амплитуда модулирующего напряжения и постоянное напряжение должны быть такими, чтобы генерация клистрона была возможна только на одной из вершин меандра.

Частотная модуляция отражательных клистронов получается при любой форме модулирующего напряжения, кроме прямоугольной. Если частотная модуляция должна производиться с минимальными искажениями, то изменение модулирующего напряжения должно лежать в пределах линейного участка кривой электронной настройки. Это же условие обеспечивает изменение генерируемой мощности при частотной модуляции не более чем в два раза.
Частота модулирующего сигнала может изменяться в широких пределах - от диапазона звуковых частот до частот порядка десятков мегагерц.
По сравнению с успешно развивающимися твердотельными генераторами СВЧ – транзисторными генераторами с умножительными цепочками, генераторами Ганна, лавинно-пролетными диодами и др. - отражательные клистроны обеспечивают на один-два порядка меньший уровень шумов, а также обладают рядом преимуществ, связанных с простотой настройки, диапазоном частот и др.

Задача миниатюризации отражательных клистронов решалась в связи с конкуренцией между твердотельными и вакуумными маломощными генераторами СВЧ. В результате разработан миниатюрный клистрон, названный минитроном.Его линейные размеры составляют всего несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.

В отличие от полупроводниковых генераторов минитроны характеризуются высокой пробивной прочностью, практически полным отсутствием влияния радиационных воздействий на эмиссионные свойства катода и, следовательно, параметры прибора.

Эффективность электронных взаимодействий в клистронах определяются напряженностью электрического поля между электродами, а не напряжением между ними. Уменьшение межэлектродных расстояний в минитроне способствует не только миниатюризации прибора, но и приводит к уменьшению напряжения питания до значений, не уступающих твердотельным приборам СВЧ.

В минитроне решена задача значительного уменьшения объема резонатора, например квазитороидальный резонатор минитрона трехсантиметрового диапазона длин волн может иметь диаметр 3 мм и высоту 1 мм при емкостном зазоре 1 мм.

Современный уровень развития технологии позволяет получать малые размеры минитронов с высокой точностью и воспроизводимостью параметров прибора.
Пролетные клистроны. Устройство. Принцип действия
В пролетных клистронах, как и в отражательных, используется принцип динамического управления электронным потоком. При этом полезно используется время пролета электронов, в течение которого скоростная модуляция преобразуется в модуляцию электронов по плотности. В пролетных клистронах для группировки электронов используется метод дрейфа.
Двухрезонаторный усилительный клистрон
Устройство двухрезонаторного усилительного клистрона схематически показано на рис. 1.5. Он состоит из из катода К, ускоряющего электрода УЭ, входного модулирующего резонатора Р1, трубки дрейфа ТД, выходного резонатора Р2 и коллектора Кл. На катод подается отрицательное напряжение U0. Ускоряющий электрод, трубка дрейфа с резонаторами и коллектор находятся под нулевым потенциалом. Такая схема питания прибора обеспечивает электробезопасность, так как резонаторы связаны с линиями передачи, а коллекторы в мощных клистронах снабжены системами жидкостного охлаждения. Для удержания электронного потока на оси трубки дрейфа может использоваться фокусирующее магнитное поле, создаваемое соленоидом или системой постоянных магнитов. Диаметр трубки дрейфа выбирают таким, чтобы она являлась запредельными волноводом на рабочей частоте клистрона, поэтому в канале трубки дрейфа высокочастотное поле отсутствует и электроны движутся в ней со скоростью, определяемой постоянным ускоряющим напряжением U0 и высокочастотным напряжением u = U1m sin t входного резонатора Р1.



Рис. 1.5. Устройство двухрезонаторного пролетного клистрона


Электроны, испускаемые подогревным катодом, увлекаются полем ускоряюшего электрода. Этот электрод также несколько фокусирует электронный поток, движущийся далее к первому резонатору. Область клистрона между катодом и ускоряющим эдектродом является пространством ускорения. Все электроны, приходящие к первой сетке входного резонатора, имеют одинаковую скорость v0 = (2eU0/m)1/2. Часть резонатора выполнена в виде сеток, находящихся внутри баллона и образующих емкость колебательного контура. К этому резонатору, называемому обычно модулятором, через коаксиальную линию или волновод и петлю связи подводятся СВЧ-колебания, подлежащие усилению. Второй аналогичный резонатор называется улавливателем. Усиленные колебания из улавливателя отводятся в нагрузку.

Электронный поток движется от катода сквозь ускоряющий электрод, сетки первого и второго резанаторов к коллектору. Настройку резонаторов на частоту усиливаемых колебаний производят либо с помощью гибких стенок, при прогибании которых изменяется объем резонаторов, либо специальными плунжерами, вводимыми внутрь резонатора и меняющими его индуктивность или емкость.
Подводимый к модулятору сигнал u = U1m sin t возбуждает в нем колебания с частотой , на которую настраивают оба резонатора. Переменное электрическое поле сосредоточено в емкости колебательной системы, образованной двумя сетками. Разность потенциалов между сетками модулятора меняется от нуля, когда емкость резонатора полностью разряжена и сетки находятся под одинаковым постоянным потенциалом U0, до величины
U0 + U1m/2 – (U0 – U1m/2) = U1m, когда вся колебательная энергия сосредоточена в емкости резонатора. Сетки резонаторов являются хорошим экраном для высокочастотного электрического поля, поэтому разность потенциалов при перезаряде емкости резонатора меняется лишь в зазоре резонатора между его сетками. Поле же между ускоряющим электродом, первой сеткой модулирующего резонатора и резонаторами остается неизменным. В этих междуэлектродных промежутках разность потенциалов всегда равна нулю, так как и ускоряющий электрод и оба резонатора находятся под одним и тем же потенциалом U0.

При подаче сигнала между сетками входного резонатора существует переменное электрическое поле. В один полупериод поле между сетками дополнительно ускоряет электроны, в другой – тормозит их, поэтому возникает модуляция скорости электронов с частотой сигнала. При дальнейшем движении по инерции (дрейф) внутри пролетной трубки электроны разных скоростей группируютс в сгустки. Таким образом, модуляция по скорости преобразуется в модуляцию электронного потока по плотности, поэтому область между обоими резонаторами называют пространством группирования или дрейфа. Частота следования сгустков равна частоте сигнала. Пролетая между сетками выходного резонатора, сгустки вызывают в нем наведенный ток той же частоты. Если собственная частота выходного резонатора равна частоте сигнала, то наведенный ток создает наибольшее напряжение между сетками резонатора. Таким образом происходит передача кинетической энергии модулированного по плотности электронного потока электромагнитному полю выходного резонатора. Электроны, отдавшие часть своей энергии полю, попадают на коллектор и рассеивают остальную часть кинетической энергии в виде тепла.

Процесс группирования в пролетном клистроне удобно иллюстрировать пространственно–временной диаграммой – семейством кривых, изображающих изменение координат электронов во времени (Рис.1.6). Как видно из рисунка, электроны попадающие в зазор резонатора в течение той половины периода, когда переменное напряжение на второй сетке положительно и вектор напряженности Е переменного поля направлен навстречу движению электронов, ускоряются при пролете между сетками модулятора. В течение второй половины периода переменное напряжение на второй сетке отрицательно, вектор Е направлен от первой сетки ко второй и электроны, пролетая зазор, теряют свою скорость. Изменение скорости электронов соответствует мгновенной разности потенциалов и имеет наибольшее значение в моменты экстремумов переменного напряжения на сетках.


1   2   3   4   5   6


Рис.1.4. Графики амплитудной (а) и частотной (б) модуляции
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации