2. Пролетные двухрезонаторные клистроны
Принцип действия. На рис. 2 показано устройство двухрезонаторного клистрона, состоящего из катода К, ускоряющего электрода УЭ, входного модулирующего резонатора Р1 трубы дрейфа ТД, выходного резонатора Р2 и коллектора Кл. На катод подается постоянное отрицательное напряжение U0. Ускоряющий электрод, труба дрейфа с резонаторами и коллектор обычно находятся под нулевым потенциалом (заземлены). Это удобно, поскольку резонаторы связаны с линиями передачи, а коллекторы в мощных клистронах снабжены системами жидкостного охлаждения. Для удержания электронного потока на оси трубы дрейфа и преодоления сил поперечного расталкивания электронов обычно используют фокусирующее постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси трубы дрейфа. Продольное магнитное поле создают с помощью соленоида или специальной магнитной системы, состоящей из постоянных магнитов. Диаметр трубы дрейфа выбирают настолько малым, чтобы на рабочей частоте клистрона она была запредельным волноводом. В результате этого в канале трубы дрейфа высокочастотное поле отсутствует и электроны движутся в ней со скоростью, определяемой постоянным напряжением U0 ускоряющего электрода и высокочастотным напряжением U~ = U1 sin ωt резонатора, расположенного перед трубой дрейфа.
Рис. 2. Схема устройства двухрезонаторного пролетного клистрона
Применение двухрезонаторных клистронов. Двухрезонаторные клистроны используют в основном как генераторы и умножители частоты. Усилители на двухрезонаторных клистронах имеют ограниченное применение, т.к. они не обладают высокими значениями коэффициентов усиления. Реальное значение коэффициента усиления двухрезонаторного клистронного усилителя не превышает 10 - 15 дБ в довольно узкой полосе частот (менее 1%). Значение к.п.д. тоже невелико - порядка 10 - 15%.
С увеличением числа резонаторов в пролетном клистроне появляются возможности увеличить коэффициент усиления и к.п.д.
Для создания клистронного генератора на основе двухрезонаторного клистрона необходимо обеспечить положительную обратную связь между выходным и входным резонаторами. На рис. 3 показаны два варианта обратной связи с помощью коаксиальной линии обратной связи 1 и отверстия связи 2 в обшей стенке обоих резонаторов.
Рис. 3. Схемы клистронных генераторов с линией обратной связи (а) и отверстием связи (б)
Клистронные генераторы выпускают для частотных диапазонов от 5 до 40 ГГц с выходной мощностью от 1 до 10 Вт в непрерывном режиме. При этом ускоряющие напряжения составляют от 1 до 4 кВ. Значения к.п.д. достигают 10%. Основное достоинство клистронных генераторов в том, что они обладают сравнительно высокой стабильностью частоты генерации, а также имеют небольшие размеры и массу.
Cтабильность частоты двухрезонаторных клистронных генераторов характеризуется значением ТКЧ = ± (0,1 ÷ 0,25) МГц/°С при f = 40 ГГц: амплитудные шумы в полосе 1 кГц на расстоянии 10 кГц от несущей на 125 дБ ниже уровня несущей.
Клистронные генераторы используют в передатчиках радиомаяков, доплеровских и радиорелейных станций, для накачки параметрических усилителей, а также для различных исследований в области физики. Двухрезонаторные клистронные усилители и генераторы по параметрам не могут конкурировать с рядом других типов приборов СВЧ, например, с многорезонаторными клистронными усилителями и магнетронными генераторами. Однако двухрезонаторные клистроны удобно использовать в качестве умножителей частоты.
Рис. 4. Схема устройства умножителя частоты
На рис. 4 представлена схема устройства умножительного клистрона с выходным резонатором, настроенным на частоту, кратную частоте входного сигнала. Первый резонатор Р1 настроенный на низкую частоту входного сигнала, имеет большие габариты в индуктивной части и малое расстояние δ1 между сетками для увеличения емкости резонатора. Входной сигнал поступает через коаксиальный ввод энергии. Второй резонатор Р2 с волноводным выводом энергии имеет гораздо меньшие габариты и увеличенное расстояние δ2 между сетками в целях уменьшения емкости для обеспечения высокой частоты выходного сигнала.