Параметры и характеристики многорезонаторного клистрона

Коэффициент усиления в режиме слабого сигнала. Предположим, что все резонаторы настроены на частоту сигнала. При слабом входном сигнале результат группирования в трехрезонаторном клистроне, как уже отмечалось в, практически такой же, как в двухрезонаторном клистроне. Теория двухрезонаторного клистрона, примененная к трехрезонаторному клистрону, приводит к уравнению группирования, по виду совпадающему с уравнением (2.19), если вместо параметра группирования Х взять некоторый эффективный параметр группирования, определяемый соотношением.

Где.

Физический смысл величин (4.1) следующий: X 13 —параметр группирования, получающийся при удалении второго резонатора, а X 23 — при удалении первого резонатора, но при подведении ко второму резонатору напряжения U 2; и12 —угол пролета между первым и вторым резонаторами, а и23 —между вторым и третьим.

При усилении слабого входного сигнала (U 1 <<>U 1, то X 23 >> X 13 и по формуле (2.53) Xэф? X 23. Эффективный параметр становится большим, так как он практически определяется результатом действия второго резонатора. Формула для мощности в третьем резонаторе:

где М 3 — коэффициент взаимодействия в зазоре третьего резонатора,

a G 3 —э квивалентная проводимость этого резонатора.

Формула для входной мощности сигнала при X 13 <<1 имеет вид

Коэффициент усиления по мощности трехрезонаторного клистрона с учетом формул (4.3) и (4.4) равен

Величина Х эф? X 23 зависит от U 2, а последняя—от входного сигнала U 1, пределяющего по формуле (4.2) значение X 13. Таким образом, Х эф является функцией X 13. Если при слабом входном сигнале Х эф <<1, то функция Бесселя J 1 (X эф)? Х эф/2 и К у (р) пропорционален (Х эф / Х 13)2. В этом случае коэффициент усиления тем больше, чем сильнее Х эф отличается от X 13 .

Максимальное значение коэффициента усиления трехрезонаторного клистрона при слабом сигнале достигает ~35 дБ вместо ~15 дБ в двухрезонаторном клистроне.

Дальнейшее увеличение числа резонаторов приводит к росту коэффициента усиления примерно на 20 дБ на каждый добавляемый резонатор. Для оценки коэффициента усиления обычно используют приближенную формулу:

К у (Р) =l 5 +20(N -2) дБ, (2.58)

где N — полное число резонаторов. Возможно получение К у (Р) >100 дБ, однако практически при больших коэффициентах усиления появляется опасность самовозбуждения из-за наличия паразитной обратной связи.

Принципиально важно, что сильный рост коэффициента усиления при N >2 объясняется не увеличением выходной мощности, а тем, что при большем числе резонаторов из-за более эффективного группирования для получения прежней выходной мощности требуется значительно меньший входной сигнал.

Выходная мощность и электронный КПД в режиме большого сигнала. При рассмотрении рис. 13, б отмечалось, что при большом входном сигнале в трехрезонаторном клистроне с одинаковой настройкой резонаторов дополнительное группирование в пространстве между вторым и третьим резонаторами приводит к увеличению амплитуды первой гармоники конвекционного тока, выходной мощности и электронного КПД. Однако при этом сгусток электронов перестает быть симметричным, так как невозмущенный электрон О на рис. 13, б, являющийся центром сгустка после первого резонатора, «уступает» эту роль во втором резонаторе электрону О', идущему позже на четверть периода.

Оказывается, что расстройкой промежуточного резонатора относительно частоты сигнала можно получить дополнительный выигрыш. При расстройке второго резонатора напряжение на нем смещается по фазе относительно первой гармоники конвекционного тока, т. е. изменяется интервал времени между приходом «старого» и «нового» невозмущенных электронов О и О'.

На рис. 13, в рассмотрен случай, когда напряжение U2 (t) опережает на 90° напряжение, которое было на рис. 13, б при отсутствии расстройки второго резонатора.

В этом случае невозмущенный для первого резонатора электрон будет невозмущенным и для второго резонатора (О и О' совпадают), сгусток все время остается симметричным и в результате дополнительного группирования становится более коротким и содержащим большее число электронов. В образовании сгустка участвуют теперь удаленные электроны 4 и 5. Очевидно, что требуемый сдвиг фазы 90° можно получить лишь при расстройке второго резонатора в сторону более высоких частот до значения, при котором ток в резонаторе сдвинут относительно напряжения также на 90°.

Теоретический анализ показывает, что в трехрезонаторном клистроне при большом входном сигнале и расстройке второго резонатора, приводящей к сдвигу фазы на 90°, предельные значения амплитуды первой гармоники конвекционного тока и электронного КПД составляют 1,48 I0 и 73,8% соответственно. В двухрезонаторном клистроне они равны 1,16 I 0 и 58,2%, т. е. меньше примерно на 30%.

В реальных условиях следует учитывать, что сдвиг фазы на 90° во втором резонаторе, соответствующий значительной расстройке, приводит к уменьшению эквивалентного сопротивления резонатора, а следовательно, и амплитуды напряжения, создаваемого в этом резонаторе наведенным током. Снижение напряжения ослабляет эффект дополнительного группирования (уменьшается параметр X 23), поэтому максимальные значения выходной мощности и электронного КПД наступят при некотором оптимальном сдвиге фаз, меньшем 90°.

В многорезонаторных клистронах с числом резонаторов более трех максимальные значения выходной мощности и электронного КПД увеличиваются, однако их прирост при добавлении одного резонатора становится все меньше и меньше, чем при переходе от двухрезонаторного клистрона к трехрезонаторному.

Амплитудные характеристики многорезонаторного клистрона показаны на рис. 14. Характеристика 1 соответствует режиму синхронной настройки резонаторов, а характеристика 2— режиму получения максимальной мощности и КПД. Крутизна начального участка характеристики 1 велика, так как при совпадении собственных частот резонаторов и малом сигнале получается наибольший коэффициент усиления. Участок характеристики с большим значением мощности (область насыщения) невелик, далее с увеличением входного сигнала в этом режиме резко падает выходная мощность. Характеристика 2 соответствует расстройке промежуточных резонаторов. Начальный участок имеет меньшую крутизну (меньший коэффициент усиления), но область насыщения оказывается широкой.

Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики. В режиме синхронной настройки ширина полосы пропускания определяется добротностью резонаторов и она меньше, чем при расстройке резонаторов, производимой для получения максимальной мощности и КПД. Полоса пропускания составляет десятые доли процента в сантиметровом диапазоне волн и несколько процентов — в дециметровом. Фазочастотная характеристика клистрона определяется фазочастотными характеристиками резонаторов и зависит от настройки резонаторов.