Усилительный клистрон

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН, содержащий входной и выходной резонаторы, промежуточные резонаторы основной частоты и по меньшей мере один резонатор удвоенной частоты, размещенный перед выходным резонатором, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД в многочастотном режиме работы, резонатор удвоенной частоты выполнен в соответствии с выражениями
Q = ; 2F_o F₂ 2(F_o+ f_p), ,
где Q₀ - собственная добротность резонатора удвоенной частоты;
F₀ - центральная частота рабочего диапазона частот клистрона, МГц;
f_p - ширина рабочего диапазона частот, МГц;
f₂ - частота настройки резонатора удвоенной частоты, МГц.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электронным приборам, а именно - к многорезонаторным усилительным клистронам, предназначенным для использования в радиорелейных, тропосферных и спутниковых станциях связи, в которых осуществляется одновременная передача двух и более высокочастотных сигналов, расположенных в одном рабочем диапазоне частот клистрона.
Целью изобретения является повышение КПД клистрона в многочастотном режиме работы.
На фиг. 1 представлена схема клистрона; на фиг. 2 - полученная экспериментальным путем зависимость коэффициента использования выходной мощности К_им клистрона в двухчастотном режиме работы от величины собственной добротности Q_о резонатора удвоенной частоты при фиксированном значении частоты f₂ резонатора удвоенной частоты; на фиг. 3 - полученная экспериментальным путем зависимость коэффициента использования выходной мощности К_им клистрона в двухчастотном режиме работы от частоты f₂ резонатора удвоенной частоты при фиксированном значении собственной добротности Q_о резонатора удвоенной частоты.
Клистрон состоит из электронной пушки 1, входного резонатора 2, промежуточных резонаторов 3-5 основной частоты, резонатора 6 удвоенной частоты, расположенного перед выходным резонатором 7, труб 8-12 и коллектора 13. При этом на фиг. 1 показаны I_др - длина последней трубы дрейфа, I_п - расстояние резонатора 6 удвоенной частоты от выходного резонатора 7 клистрона, составляющее 0,05-0,6 длины последней трубы дрейфа, считая от входного резонатора 2. Резонатор удвоенной частоты 6 имеет собственную добротность Q_o, определяемую соотношением
Q_o= , где F_o - центральная частота рабочего диапазона частот клистрона, МГц; F_p - ширина рабочего диапазона частот клистрона, мГц.
Снижение собственной добротности резонатора удвоенной частоты достигается либо за счет нанесения на внутреннюю поверхность резонатора покрытия, имеющего значительное ВЧ-затухание, либо введением в резонатор петли связи, соединенной по высокой частоте с внешней нагрузкой. Резонатор удвоенной частоты 6 настроен на частоту, выбранную в интервале
2F_o f₂ 2(F_o+ f_o).
Устройство работает следующим образом.
Электронный пучок, формируемый электронной пушкой 1, модулируется по скорости в зазоре входного резонатора 2 в результате одновременного воздействия двух или более ВЧ-сигналов. Под действием ВЧ-напряжений промежуточных резонаторов 3-5 в трубах 8-12 дрейфа происходит преобразование первоначальной модуляции по скорости в модуляцию по плотности и преобразование сгустков электронов.
При этом в силу нелинейности процессов группирования формирование электронных сгустков происходит под действием ВЧ-напряжений основных частот и их комбинационных составляющих. Резонатор удвоенной частоты, расположенный перед выходным резонатором, при оптимальных значениях собственной добротности Q_о и резонансной частоты f₂ воздействует на формируемые электронный сгустки таким образом, что меняется фаза и уменьшается амплитуда второй гармоники конвекционного тока и тем самым происходит уменьшение относительного уровня комбинационных составляющих в спектре выходного сигнала. При этом затухание резонатора удвоенной частоты практически не сказывается на амплитудах сигналов основных частот.
Выбор интервала настройки частоты f₂ и значения собственной добротности Q_о резонатора удвоенной частоты обусловлен результатами расчетов и экспериментальных исследований, проведенных на экспериментальном клистроне.
На фиг. 2 приведена полученная экспериментальным путем зависимость коэффициента использования выходной мощности клистрона К_им в двухчастотном режиме работы в случае равных по амплитуде сигналов при относительном уровне комбинационных составляющих 30 дБ от величины собственной добротности Q_o резонатора удвоенной частоты при фиксированной резонансной частоте f₂= 2(F_o+ F_p)резонатора удвоенной частоты. Коэффициент использования выходной мощности клистрона при заданном относительном уровне комбинационных составляющих определяется соотношением
K_им = ,
где P_сигн - суммарная выходная мощность клистрона в многочастотном режиме работы, обеспечивающая заданный относительный уровень комбинационных составляющих;
Р₁ - выходная мощность насыщения клистрона в одночастотном режиме работы.
Как видно из графика (см. фиг. 2), имеет место снижение коэффициента использования выходной мощности клистрона при значениях собственной добротности резонатора удвоенной частоты Q_o< и Q_o> . При Q_o< снижение коэффициента использования выходной мощности клистрона пpоисходит за счет снижения мощности насыщения в одночастотном режиме работы клистрона. При Q_o> - коэффициент использования выходной мощности клистрона существенно зависит от частотного расстояния между ВЧ-сигналами, что обуславливается зависимостью относительного уровня комбинационных составляющих от частотной расстройки между входными сигналами. Так, при изменении частотного расстояния между сигналами от 0,058 f_р до f_р коэффициент использования выходной мощности клистрона К_им изменяется при Q_o= 2.5 от 0,41 до 0,48, при Q_o= 5 от 0,33 до 0,42. При Q_o= коэффициент использования мощности К_импрактически сохраняет постоянство во всем диапазоне взаимных расстрочек частот входных сигналов.
На фиг. 3 приведена полученная экспериментальным путем зависимость коэффициента использования выходной мощности К_им клистрона в двухчастотном режиме работы в случае равных по амплитуде сигналов от частоты f резонатора удвоенной частоты при фиксированном значении собственной добротности Q_o= и при относительном уровне комбинационных составляющих, равном 30 дБ.
При f₂<2F<sub>o уменьшение коэффициента использования выходной мощности К_им клистрона обусловлено ростом относительно уровня комбинационных составляющих. При f₂> 2(F_o+ f_р) происходит уменьшение мощности насыщения клистрона в одночастотном режиме работы.
Использование резонатора удвоенной частоты в клистронах позволит повысить их коэффициент использования выходной мощности в многочастотных режимах работы, что равнозначно повышению КПД клистрона в многочастотном режиме работы при предельном для данной станции связи относительном уровне комбинационных составляющих.
Экспериментальная проверка клистрона с предвыходным резонатором удвоенной частоты показала, что в двухчастотном режиме работы клистрона при относительном уровне комбинационных составляющих, равном -30дБ, коэффициент использования выходной мощности клистрона К_им составляет 0,558, в то время как в известном клистроне коэффициент использования выходной мощности в двухчастотном режиме работы равен 0,4. (56) Авторское свидетельство СССР N 1369586, кл. H 01 J 25/10, 1985.
Авторское свидетельство СССР N 1369585, кл. H 01 J 25/10, 1985.
Использование: электронная техника, одновременная передача двух и более высокочастотных сигналов. Сущность изобретения: клистрон содержит входной резонатор, выходной резонатор, промежуточные резонаторы основной частоты, по меньшей мере один резонатор удвоенной частоты и трубы дрейфа. Резонатор удвоенной частоты расположен перед выходным резонатором. Добротность и частота резонатора удвоенной частоты выполнены в соответствии с определенными соотношениями. 3 ил.