Klystron
Klystron je elektrovakuové zařízení , ve kterém dochází k přeměně konstantního toku elektronů na proměnný modulací rychlostí elektronů mikrovlnným elektrickým polem (když prolétají mezerou dutinového rezonátoru ) a následným seskupováním elektronů do shluků. (kvůli rozdílu v jejich rychlostech) v driftovém prostoru bez mikrovlnných polí.
Klasifikace
Klystrony jsou rozděleny do 2 tříd: tranzitní a reflexní .
V přechodném klystronu elektrony postupně prolétají mezerami dutinových rezonátorů. V nejjednodušším případě existují 2 rezonátory: vstupní a výstupní. Dalším vývojem přechodných klystronů jsou kaskádové vícedutinové klystrony, které mají jeden nebo více mezilehlých rezonátorů umístěných mezi vstupním a výstupním rezonátorem.
Reflexní klystron využívá jeden rezonátor, kterým proud elektronů prochází dvakrát, přičemž se odráží od speciální elektrody - reflektoru .
Historie
První návrhy rozpětí klystronů navrhli a realizovali v roce 1938 američtí inženýři Russell a Sigurt Varian [1] .
Reflexní klystron vyvinuli v roce 1940 N. D. Děvjatkov , E. N. Daniltsev, I. V. Piskunov a nezávisle na nich V. F. Kovalenko .
Létající klystrony
Princip činnosti přechodného klystronu (PC) je založen na využití setrvačnosti elektronů rozšířeného přímočarého elektronového toku. PC se používá jako výkonový zesilovač, frekvenční měnič a násobič frekvence. Frekvenční rozsah PC od 200 MHz do 100 GHz, výstupní výkon od 1 W do 1 MW v kontinuálním režimu a až 100 MW v pulzním režimu. PC je nejvýkonnější mikrovlnný zesilovač.
Zařízení a princip činnosti
Klystron má dva dutinové rezonátory s kapacitními mřížkovými mezerami. První rezonátor se nazývá vstup nebo modulátor, druhý se nazývá výstup. Prostor mezi nimi se nazývá drift nebo seskupovací prostor.
Elektrony emitované katodou jsou urychlovány konstantním napětím druhé elektrody a vstupují do úzké mřížkové mezery prvního rezonátoru, ve které je podélné mikrovlnné pole k toku elektronů. Toto pole periodicky zrychluje a zpomaluje elektrony a moduluje rychlost elektronů v toku elektronů. Pohybující se dále v driftovém prostoru elektrony postupně tvoří shluky v důsledku skutečnosti, že rychlé elektrony předbíhají pomalé. Tento hustotou modulovaný tok elektronů vstupuje do druhého rezonátoru a vytváří v něm indukovaný proud o stejné frekvenci , jako je frekvence vstupního modulačního pole a frekvence opakování svazku. V důsledku toho se mezi mřížkami druhého rezonátoru objeví vysokofrekvenční elektrické pole, které začne interagovat s tokem elektronů. Potřebné parametry klystronu jsou voleny tak, aby elektrické pole druhého rezonátoru zpomalilo svazky elektronové hustoty a urychlilo jeho zředění. Výsledkem je, že v průměru za dobu jedné oscilace pole je více elektronů zpomaleno než urychleno. V tomto případě se kinetická energie elektronů přemění na energii mikrovlnných oscilací elektromagnetického pole druhého rezonátoru a elektrony, které prošly rezonátorem, se usadí na kolektoru a rozptýlí zbytek kinetické energie v forma tepla.
Parametry a charakteristiky
ÚčinnostÚčinnost Klystronu je obvykle chápána jako elektronická účinnost :
tj. poměr výkonu daného tokem elektronů k mikrovlnnému poli ve výstupním rezonátoru na n-té harmonické k příkonu
Řešením problému výkonové indukce v zátěži výstupního rezonátoru z obecných principů indukce proudu elektronovým paprskem lze získat, že maximální , a tedy i maximální účinnost je určena maximem Besselovy funkce :
kde je Besselova funkce prvního druhu n-tého řádu, je harmonické číslo, - tzv. parametr seskupení .
| jeden | 58,2 | 1,84 |
| 2 | 48,7 | 1,53 |
| 3 | 43.4 | 1,40 |
| osm | 32,0 | 1.22 |
| 16 | 26.0 | 1.13 |
Tabulka ukazuje maximální elektronickou účinnost dvourezonátorového klystronu a optimální parametr sdružování pro různé harmonické.
Pokud se parametr sníží, například snížením amplitudy vstupního signálu nebo zvýšením amplitudy urychlovacího napětí, pak bude tok elektronů podskupinový . V důsledku toho klesá účinnost a výstupní výkon. Totéž se děje v přeskupeném proudu.
Reálná účinnost přechodného dvourezonátorového klystronu, při zohlednění ztrát v oscilačním systému, na mřížkách rezonátorů a dalších faktorech, je mnohem menší a nepřesahuje 20 % .
Multicavity klystron
Zařízení a princip činnosti
U vícedutinových klystronů jsou mezi vstupní a výstupní rezonátory umístěny další nezatížené rezonátory. Jako příklad vysvětlující rysy jejich práce stačí uvažovat přechodný třírezonátorový klystron.
Předpokládejme, že mezilehlý rezonátor je přesně naladěn na frekvenci vstupního signálu. Stejně jako u dvourezonátorového klystronu jsou ve vstupním rezonátoru elektrony modulovány rychlostí a poté seskupeny v prvním driftovém prostoru. Pokud vstup obdrží slabý vstupní signál, pak bude modulace toku elektronů zanedbatelná. V tomto případě bude velikost indukovaného proudu ve druhém rezonátoru také malá. Protože je však nezatížený mezirezonátor vysoce kvalitní systém, bude i při malé amplitudě konvekčního [2] proudu napětí vytvořené na jeho mřížkách velké. To je značně usnadněno skutečností, že druhý rezonátor není připojen k externí zátěži. Celkové aktivní ztráty ve druhém rezonátoru jsou určeny pouze ztrátami v samotném rezonátoru a zátěží elektroniky hradla[ upřesnit ] .
V ustáleném stavu má proud a napětí ve druhém rezonátoru stejnou frekvenci jako frekvence vstupního signálu. Napětí indukované mezi mřížkami druhého rezonátoru způsobuje silnou modulaci rychlosti elektronů a silné shlukování toku elektronů ve druhém driftovém prostoru. V důsledku toho bude rozložení elektronů ve svazcích jejich hustoty určeno druhým rezonátorem a závislost konvekčního proudu ve třetím rezonátoru bude přibližně stejná jako u dvourezonátorového klystronu tvořeného druhým a třetím rezonátorem. rezonátory, ale při modulačním napětí mnohem vyšším, než je modulační napětí prvního rezonátoru. V tomto případě se zesílení výrazně zvýší, protože seskupení elektronů se provádí při mnohem nižší amplitudě vstupního signálu dodávaného do prvního rezonátoru. Podobné procesy probíhají v každém mezilehlém rezonátoru vícedutinového klystronu.
Zjednodušeně lze princip činnosti zařízení názorně demonstrovat na příkladu dosti dlouhého zatíženého úseku silnice, vybaveného semafory. Navzdory skutečnosti, že automobily mají různé rychlosti a zrychlení při zrychlování a zpomalování (podobně jako rozložení rychlostí elektronů) v zónách následujících za semaforem, bude proud automobilů zcela zřetelně modulován frekvencí rovnou frekvenci přepínání semaforů. (analogicky k rezonátoru) a tato modulace bude zachována v určité vzdálenosti od semaforů. Pokud budou všechny semafory fungovat ve shodě (systém „ Zelená vlna “), pak se na určité délce silnice vyrovnají průměrné rychlosti aut a bude zachována modulace toku po celé její délce. I když se na úvodním úseku silnice regulace semaforu nedotkne všech aut (některá z nich vjedou na neregulované křižovatky), což je analogie slabého signálu na vstupu prvního klystronového rezonátoru, dojde k synchronizaci rychlosti v relativně malý úsek.
Z fyzikálního hlediska je zvýšení zisku vícedutinového klystronu dosaženo nikoli zvýšením účinnosti a výstupního výkonu, ale snížením výkonu signálu potřebného na vstupu zesilovače pro řízení toku elektronů.
Parametry a charakteristiky
ÚčinnostV ideálním případě uvažovaném výše (když je druhý rezonátor jemně naladěn na frekvenci vstupního signálu) zůstává maximální výstupní výkon a elektronická účinnost stejné jako u dvoudutinového klystronu, to znamená, že limit účinnosti je 58 %. , protože maximální hodnota amplitudy první harmonické zůstává stejná konvekční proud v posledním rezonátoru.
Pro zvýšení účinnosti u vícedutinových klystronů se provádí mírné rozladění vzhledem k zesílené frekvenci mezilehlých rezonátorů, kde je napětí vytvářené indukovaným proudem vysoké (obvykle se jedná o předposlední rezonátor). Zároveň je pokles výstupního výkonu a zesílení klystronu, ke kterému dochází při rozladění rezonátorů, kompenzován zvýšením počtu rezonátorů. (Zisk je přibližně roven dB, kde je počet rezonátorů.) Teoretické výpočty ukazují, že v tomto případě lze účinnost elektroniky zvýšit na 75 % a provozní frekvenční pásmo lze rozšířit na několik procent. V praxi se obvykle používají klystrony se čtyřmi šesti rezonátory.
Reflexní klystron
Zařízení a princip činnosti
Reflexní klystrony jsou navrženy tak, aby generovaly nízkovýkonové mikrovlnné oscilace.
Reflexní klystron má jeden rezonátor, který je dvakrát proražen elektronovým paprskem. Návrat elektronů se provádí pomocí reflektoru, který je pod záporným konstantním potenciálem vzhledem ke katodě. Rezonátor tedy hraje roli skupiny při prvním průchodu elektronů a roli výstupního obvodu při druhém průchodu. Mezera mezi rezonátorem a reflektorem hraje roli driftového prostoru, kde se modulace rychlosti elektronového paprsku mění v modulaci hustoty.
Aby klystron mohl generovat mikrovlnné oscilace, je nutné, aby shluky elektronového paprsku vzniklé při prvním průchodu rezonátorem procházely rezonátorem při zpětném pohybu v těch okamžicích, kdy dochází ke zpožďovacímu vysokofrekvenčnímu elektrické pole v něm.
Parametry a charakteristiky
ÚčinnostElektronická účinnost reflexních klystronů je nižší než u přechodných klystronů a její skutečně dosažitelná hodnota nepřesahuje několik procent.
Rozsah ladění frekvenceV rámci každé generační zóny je možné elektronické ladění frekvence. V praxi se to provádí změnou napětí na reflektoru, protože proud v obvodu reflektoru je nulový a frekvence výroby je řízena bez spotřeby energie.
Rozsah elektronického ladění frekvence u reflexních klystronů obvykle nepřesahuje 0,5 % průměrné hodnoty frekvence.
Možné je také mechanické ladění frekvence. Provádí se změnou frekvence rezonátoru. Existují dva typy mechanického ladění: indukční a kapacitní. První se provádí pomocí ladicích šroubů a pístů, pomocí kterých se mění objem dutiny rezonátoru. Ve druhé variantě je druhá rezonátorová mřížka natažena přes pružnou vlnitou membránu, jejíž ohybem lze měnit vzdálenost mezi mřížkami rezonátoru a tím i mezisíťovou elektrickou kapacitu. Rozsah mechanického ladění je přibližně 25 % střední frekvence, což je mnohem větší než rozsah elektronického ladění. Ale zároveň je míra restrukturalizace malá a je dána rychlostí mechanického pohybu.
Aplikace
Létající klystrony jsou základem všech výkonných mikrovlnných vysílačů koherentních rádiových systémů , kde je realizována frekvenční stabilita a spektrální čistota vysoce stabilních vodíkových frekvenčních standardů. Zejména ve výstupních fázích nejvýkonnějších radarů světa pro studium asteroidů a komet (radarové dalekohledy, planetární a asteroidové radary), které jsou umístěny v Arecibu ( Portoriko ), Goldstone ( Kalifornie ) a Evpatoria ( Krym ) observatoře, to jsou průletové vodou chlazené klystrony.
Reflexní klystrony se používají v různých zařízeních jako nízkovýkonové mikrovlnné generátory. Pro svou nízkou účinnost se nepoužívají k získávání vysokých výkonů a obvykle se používají jako lokální oscilátory v mikrovlnných přijímačích, v měřicích zařízeních a ve vysílačích malého výkonu. Jejich hlavní výhody spočívají v konstrukční jednoduchosti a možnosti elektronického ladění frekvence. Reflexní klystrony jsou vysoce spolehlivé a nevyžadují použití systému zaostřování elektronového paprsku .
V současné době v těch aplikacích, kde není vyžadována vysoká odolnost vůči ionizujícímu záření , jsou generátory na bázi reflexních klystronů nahrazovány polovodičovými mikrovlnnými generátory – Gunnovými diodami a lavinovými tranzitními diodami .
Viz také
- Magnetron
- Optický klystron
Poznámky
- ↑ Kuleshov, 2008 , s. 314.
- ↑ Pokud proud neteče v látce, ale ve volném prostoru, často se místo termínu „vodivý proud“ používá termín „přenosový proud“. Jinými slovy, přenosový proud nebo konvekční proud je způsoben přenosem elektrických nábojů ve volném prostoru nabitými částicemi nebo tělesy při působení elektrického pole. Viz článek Předpětí (elektrodynamika)# Předpětí a vodivý proud
Literatura
- Kuleshov V. N., Udalov N. N., Bogachev V. M. et al. Generování oscilací a tvorba rádiových signálů. - M. : MPEI, 2008. - 416 s. - ISBN 978-5-383-00224-7 .
| Vakuová elektronická zařízení (kromě katodového paprsku ) | ||
|---|---|---|
| Generátor a zesilovací lampy | ||
| jiný | ||
| Druhy výkonů |
| |
| Konstrukční prvky |
| |