- •1. Классификация частотных диапазонов
- •4. Основные типы линий передач.
- •Прямоугольный волновод
- •5. Реализация пассивных элементов на короткозамкнутых и разомкнутых отрезках линий.
- •7. Биполярный транзистор. Структура транзистора. Время задержки сигнала в биполярном транзисторе свч диапазона.
- •8. Полевой транзистор. Структура транзистора. Принцип работы. Граничная частота транзистора.
- •9. Эквивалентная схема биполярного транзистора на свч.
- •10. Эквивалентная схема полевого транзистора на свч.
- •Роль основных функциональных элементов схемы заключается в следующем:
- •15. Основные параметры и характеристики усилителей мощности.
- •16, 17. Интермодуляционные искажения и Параметры р1дБ и ip3
- •19. Цепи смещения.
- •20. Цепи питания.
- •14. Усилители мощности на транзисторах.
- •23. Инвертирующие и трансформирующие цепи согласования.
- •25. Квадратурный мост.
- •26. Синфазный мост.
- •28. Гетеропереходы. Понятие о сверхинжекции и двумерном электронном газе. Усилители на гетеропереходах.
- •29. Варикапы и варакторы. Характеристики. Эквивалентные схемы. Справочные параметры.
- •30. Принцип работы варакторного умножителя частоты.
- •31. Лавинно-пролетные диоды. Принцип работы лпд.
- •32. Эквивалентная схема лпд и топология глпд.
- •33. Диоды Ганна. Принцип работы. Генератор на диоде Ганна.
- •34. Pin диоды. Эквивалентная схема. Области применения и характеристики.
- •35. Клистроны. Устройство и принцип работы 2-х резонаторного клистрона.
- •36. Клистроны. Энергетические соотношения и характеристики клистрона. Область применения и параметры.
- •37. Лбв. Устройство и принцип работы лбв. Условие синхронизма. Пространственные гармоники.
- •38. Лбв Энергетические характеристики лбв. Понятие об амплитудно-фазовой конверсии.
36. Клистроны. Энергетические соотношения и характеристики клистрона. Область применения и параметры.
при расчете энергетических характеристик сделаем следующие упрощающие допущения [15]:
плотность объемного заряда мала;
взаимодействие электронов внутри пакетов незначительно;
углы пролета электронами пространств взаимодействия практически нулевые;
амплитуда напряжения СВЧ сигнала на емкостном зазоре входного резонатора существенно меньше напряжения питания: U1<<Е0.
Скорость
электронов на входе в дрейфовое
пространство определяется выражением
.
Поскольку U1<<Е0,
выражение
можно упростить, разложив подкоренное
выражение в ряд Тейлора по степеням
отношения U1<<Е0
и ограничиваясь только линейными членами
разложения:
.
Если
принять скорость электронов в дрейфовом
пространстве неизменной и равной той,
с которой электроны входят в него, то
время пролета ими дрейфового
пространства
с учетом
последнего соотношения определяется
как
,где
l
-
длина дрейфового пространства.
Из
выражения следует, что электрон,
пролетевший емкостный зазор первого
резонатора в момент времени t,
достигнет второго резонатора в момент
времени
Если среднее значение тока в электронном пучке равно I0, то за время t…t+dt в дрейфовое пространство влетят электроны, имеющие суммарный заряд dq=I0dt.
Если
пренебречь оседанием электронов на
стенках дрейфового пространства, то
этот же заряд dq
должен
попасть в емкостный зазор второго
резонатора в интервал времени
.
Пусть
высокочастотное напряжение на емкостном
зазоре выходного резонатора сдвинуто
по фазе относительно напряжения на
первом резонаторе на угол φ и суммарное
напряжение на нем в момент t'
будет:
,
где U2
- амплитуда напряжения СВЧ сигнала на
емкостном зазоре второго резонатора.
Поскольку
высокочастотное напряжение на зазоре
второго резонатора для электронов
является тормозящим, то заряд dq
отдаст
в выходном резонаторе часть своей
энергии:
.
Учитывая,
что dq=I0dt,
а также последнее выражение, последнее
соотношение которого можно преобразовать
к виду
,где
- средний угол пролета электронами
дрейфового пространства в отсутствие
высокочастотного напряжения в первом
резонаторе.
В соответствии, средняя мощность, отдаваемая в выходной резонатор за период высокочастотных колебаний Т=1/f:
Переходя
в последнем выражении к новой переменной
,
раскладывая подынтегральное выражение
как синус суммы двух углов
и
и
преобразуем последнее выражение к виду,
более удобному для анализа:
Интеграл
является функцией Бесселя первого рода,
первого порядка от аргумента
.
Окончательно
для выходной мощности генератора на
пролетном клистроне из (6.7) получим
выражение
, где
- функция Бесселя первого рода, первого
порядка.
Максимум
Р1
достигается,
когда аргумент синуса будет равен π/2,
т. е. при
Физический смысл состоит в том, что φ - это фазовый сдвиг напряжения на емкостном зазоре выходного резонатора и2(t) относительно напряжения СВЧ сигнала на зазоре входного резонатора и1(t), при котором ток в выходном резонаторе оказывается в противофазе с действующим на нем напряжением. При работе клистрона такой фазовый сдвиг устанавливается автоматически, если резонаторы клистрона настроены на рабочую частоту, а напряжение питания Е0 и длина дрейфового пространства l выбраны с учетом соотношения.
Максимальное
значение
функции
Бесселя первого порядка равно 0.584 при
значении аргумента
.
С
другой стороны, выходную мощность
генератора можно записать в виде
,где
- амплитуда
первой гармоники тока, наводимого в
выходном резонаторе сгруппированным
электронным пучком.
Связь
между постоянной составляющей тока
электронного луча I0
и амплитудой первой гармоники
;
Амплитуда первой гармоники тока в пролетном клистроне оказывается значительно меньше аналогичной амплитуды при косинусоидальном импульсе с углом отсечки 90° в транзисторах. Это объясняется тем, что не все электроны в таком простейшем пролетом клистроне группируются в сгустки, что, кстати, видно из пространственно-временной диаграммы, приведенной на рис.6,б. Из рисунка видно, что хорошо группируются только электроны, попавшие в первый резонатор в полупериод ускоряющего напряжения, электроны же, попавшие в тормозящий полупериод, практически не участвуют в образовании сгустков. Это объясняет и невысокий предельный электронный КПД клистронных генераторов:
В
действительности КПД оказывается еще
в 2-3 раза меньше, чем найденный по формуле,
так как практически всегда
.
Кроме того, в реальных условиях часть
электронов оседает на емкостных зазорах
резонаторов и стенках дрейфового
пространства. Полный КПД, учитывающий
потери во входном и выходном резонаторах,
а также затраты на формирование
электронного луча, оказывается еще
ниже.
