СВЧ электровакуумные приборы большой
мощности с линейным электронным пучком *>
УКВ 621.385.6
High-Power Linear-Beam Tubes”
СТАПРАНС (Armand Staprans), МАККЬЮН (Earl William McCune). РЮТЦ (Jack A. Ruetz)
Закааная статья
I. ВВЕДЕНИЕ
I электровакуумные приборы с линейным
электронным пучком являются наиболее
универсальными приборами для усиле-
ния и генерирования мощных СВЧ-колебаний. Обы-
<ж> это клистроны и ЛБВ, а также некоторые менее
звестные типы приборов. В основном они применя-
toco, используются в системах радиопротиводействия
 в качестве источников СВЧ-энергии для ускорителей
чвстнц, СВЧ-нагрева и в промышленных процессах.
Поскольку настоящая статья посвящена устройствам
высокой мощности, гетеродинные приборы, малошу-
мящие приборы, маломощные усилители и все виды
ЛБВ со спиральной замедляющей системой на рассмот-
рения сознательно исключены. Здесь обсуждаются
усилительные клистроны, различные виды ЛБВ со
«вязанными резонаторами и гибридные приборы, в
жигорых основными элементами служат СВЧ-резона-
Разработка приборов с линейным электронным пуч-
тж началась с изобретений маломощного генератора
Кайля И) в 1935 г. и усилительного клистрона бра-
ямв Варнан {!) в 1939 г. Работа в данном направлении
Ьыа успешно продвинута вперед с развитием Ганом
 Рамо теории распространения волн пространствен-
ен заряда 11) в 1939 г. и изобретением Компфнером
 1944 г. ЛБВ 12). За периодом основных изобретений
 мчале 50-х годов последовала работа по получению
мкоких уровней мощности, которая завершилась соз-

данием магнетронов, обладавших превосходными ха-
рактеристиками и послуживших в качестве первых
источников большой СВЧ-мощности. Этому успеху
способствовала разработка программ для ЦВМ, ис-
пользуемых для расчета чрезвычайно сложных нели-
нейных процессов в мощных приборах. Позднее поя-
вилось несколько типов приборов, два из которых
оказались наиболее важными К ним относятся кли-
строн с распределенным взаимодействием [3| и гиб-
ридный усилитель — твнстрон |4 J, Последние не-
ниями в области получения высоких мощностей, КПД
и большой ширины полосы частот. В частности, были
разработаны клистроны со средней мощностью 1 MW
вХ-диапазоне и КПД 75% в S-диапазоне |5, 61. Даль-
нейшее развитие работ, направленных на повышение
мощности, было замедленным в связи с отсутствием
такой необходимости (за исключением области очень
высоких частот).Однако поиски путей увеличения КПД
и ширины полосы в настоящее время продолжаются.
Все электровакуумные приборы с линейным пуч-
ком содержат: электронную пушку и систему фокуси-
ронки для получения длинного цилиндрического элек-
тронного пучка; ВЧ колебательную систему, в ко-
торой происходит усиление мощности колебаний в
результате взаимодействия электромагнитной волны
с пучком; коллектор, в котором рассеивается неисполь-
зованная энергия пучка. Электровакуумные приборы
отличаются друг от друга главным образом характе-
ристиками систем взаимодействия. Их работа может
быть описана с номощью понятия импеданса взаимо-
действия системы с электронным пучком, как пока-
зано на фиг. 1. Резонаторы клистрона (фиг 1, о) об-
разуют зазоры, в которых создаются скачки импеданса;
зазоры модулируют пучок, и в зазора выходного резо-
натора в результате демодуляции сильно сгруппиро-
ванного пучка отбирается ВЧ-энергия Вследствие
сравнительно высокой добротности объемных «несвя-
занных» резонаторов ширина полосы довольно узка.
В ЛБВ (фиг. 1, б) ВЧ-энергия распространяется по
замедляющей системе, которая имеет постоянный им-
педанс по длине системы, но более низкий, чем у кли-
строна. Ширина полосы ЛБВ значительно больше,
чем у клистрона, но в ЛБВ появляется дополнитель-
ное требование синхронизма между скоростью пучка
и скоростью волны. В клистроне с распределенным
взаимодействием (фиг. 1, с) используются длинные
объемные резонаторы, каждый из которых имеет не-
сколько зазоров взаимодействия. В таком прибора
необходим синхронизм между скоростью пучка и ком-
понентой скорости прямой стоячей волны в резона-
торе; его ширина полосы лежит в пределах между
полосой пропускания обычного клистрона н ЛБВ.
Входная секция гибридного усилителя — таистрона

THILL
системами: клистроны, ЛБВ и гибридные. Обсужда-
ются конструкции приборов и области их примене-

II. ОБЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРИБОРА
/. Общие соображения. В приборах, рассматри-
ваемых в настоящей статье, электронные пушки дол-
жны работать при постоянных напряжениях пучка
от нескольких до ~300 kV и при токе пучка от долей
ампера до нескольких сот ампер. Электронная пушка
должна также обеспечивать формирование пучка со-
ответствующего размера для эффективного взаимодей-
ствия с волной (диаметр пучка обычно несколько мень-
ше 1/10 длины волны). Поскольку плотность тока эмис- 
сии катода ограничена до нескольких ампер с квад- 
ратного сантиметра, для большинства областей при-
менения требуется значительная сходимость пучка.
Катоды электронных пушек почти всегда работают
(фиг. 1, d) представляет собой многорезонаторный
и.выше) твистрон имеет оптимальный импеданс для
получения высокого КПД в широкой полосе частот,
его ширина полосы превышает полосу ЛБВ.
Три основные функции высокомощного прибора
с линейным пучком (формирование электронного пу-
чка, взаимодействие его с электромагнитной волной
ляются в трех самостоятельных секциях, каждая из
которых может быть оптимизирована почти независи-
мо от других. Электронная пушка сравнительно боль-
ших размеров, обладающая высокой сходимостью
пучка, обеспечивает формирование пучка малого (по
сравнению с длиной волны) диаметра для взаимодей-
ствия с электромагнитной волной. Фокусировка пу-
токооседание оказалось пренебрежимо малым; в этом
случае следует учитывать только ВЧ-потери в системе
взаимодействия. После выхода из области взаимодей-
ствия пучок обычно проходит в большой коллектор.
лекторы и выходные окна не зависят от типа исполь-
зуемой системы взаимодействия и являются общими
для всех приборов. Зги общие узлы приборов описы-
ваются-типы приборов, отличающиеся замедляющими
рядом в соответствии с у равнением для первеанса пучка
Первеанс пучка зависит только от геометрии пушки
и не зависит от абсолютных размеров [7]. Величина
параметрами, определяющими трудность разработки
электронной пушки.
Простые пушки с малыми сходимостью и первеан-;
сом пучка можно рассчитать по методу Пирса [7]^
используя электролитическую ванну для определения'
форм анода и фокусирующего электрода. Разработки
более сложных пушек успешно проводились путем
имитации пространственного заряда токами, вводи-
мыми в сетку сопротивлений [8] или в электролити-
расчетом движения электронов с учетом пространст;;
венного заряда (а часто и магнитных полей) с помощью*
больших ЦВМ [10—12]; при этом, однако, почти все-’
гда не учитывалась тепловая скорость электронов [13—.
15]. Аналитические исследования часто проводятся
с помощью анализаторов пучка, где действительные*
поперечные сечения пучка измеряются путем скани-!
рования диафрагмой с точечным отверстием (камера.
Фарадея) или других аналогичных устройств для]
определения плотности тока.
34
2. Обычные типы пушек. Пушка со сферическим
катодом и сплошным пучком (фиг. 2) используется
наиболее часто. Это самая простая для расчета и из-
готовления пушка при условии, что сходимость пучка
до 20 W/cm* для импрегнированных вольфрамовых
катодов вследствие их более высокой рабочей темпе-
ратуры.
4. Управляющие электроды. Управляющие элект-
роды применяются в качестве элементов, запираю-
щих и отпирающих пучок, или для регулировки тока
пучка независимо от его ускоряющего напряжения.
Их работа может быть описана в терминах, исполь-
зуемых для ламп с сетками. Коэффициент усиления
при отсечке цг определяется как взятое со знаком (—)
отношение напряжения управляющего электрода к
напряжению на аноде в условиях запирания тока эмис-
сии. Полный коэффициент усиления ц пушки опреде-
ляется как отношение приращений напряжения на
управляющем электроде и ускоряющего напряжения.
Желательно, чтобы каждый из этих коэффициентов
усиления был максимально высоким для уменьшения
входной мощности на управляющем электроде, пода-
и (или) его первеанс не слишком большие. Фактором,
который наиболее существенно ограничивает дости-
жимую сходимость пучка пушки при заданном перве-
ансе, является неламинарность потока. Были спроек-
тированы пушки с величинами сходимости по площади,
равными 300 при микропервеансе 2 для нижнего пре-
дела выходной мощности [16], 100 при микроперве-
ансе 1 [17] и 30 при микропервеансе 5,5 для приборов
мощностью порядка нескольких мегаватт [18]. Обыч-
ные пределы микропервеанса составляют 0,5—2, а
величина сходимости пучка 10—60.
Пушка с прямолинейным полым трубчатым пуч-
ком сравнительно мало отличается от пушки сосплош-
ным пучком. Центральная часть катода отсутствует;
иногда добавляется центральный анод, который можно
закреплять или через середину катода, или посредст-
вом радиальных ламелей основного анода. Такие пу-
шки используются довольно редко (в случаях, когда
желателен очень высокий первеанс). В пушке с полым
пучком легко можно получить микропервеанс пучка
порядка 10, но высокую сходимость пучка достичь
значительно сложнее, чем в пушке со сплошным пуч-
ком [19, 20].
Инжекторная пушка магнетронного типа исполь-
 зуется еще реже. Она состоит из цилиндрического
катода и концентричного анода, помещенных в акси-
альное магнитное поле. Анод имеет форму конуса;
результирующая продольная составляющая электри-
. ческого поля отбирает электроны с вращающегося
облака пространственного заряда (подобно магнет-
рону), образуя полный пучок электронов [21—24].
В таких пушках может быть получена большая схо-
димость наряду с высоким первеансом (обычно 10), но
такие пушки трудно поддаются аналитическому рас-
чету и часто формируют пучки с большими шумами
|25, 26].
3. Катоды. В подавляющем большинстве прибо-
ров с линейным пучком применяются эмиттеры, изго-
товленные на основе никеля с покрытием из окиси
бария или на основе вольфрама, пропитанного барием
(в числе других компонент) [27]. Почти всегда исполь-
зуется катод косвенного накала, подогреватель кото?
рого разогревает катод или путем радиации, или пере-
дает тепло через изолирующую массу. Давно извест-
ный и дешевый в производстве оксидный катод эмит-
тирует поток с плотностью тока эмиссии в непрерыв-
ном режиме до 300 mA/cm*. а в импульсном режиме
(длительность импульса менее 10 ps) — несколько ам-
пер на квадратный сантиметр. Однако оксидный ка-
тод легко отравляется в результате ионной бомбар-
дировки при плохом вакууме в приборе. Импрегни-
рованный вольфрамовый катод (тип В фирмы Phillips
и тип S.фирмы Semicon) успешно использовался при
плотности тока 5 А/cm* и имел по существу одинако-
вые эмиссионные характеристики как при постоянном,.
так и импульсном режимах. Он является более стой-
ким по отношению к отравлению и применяется в тех
случаях, когда требуются высокие плотности тока.
В лабораторных условиях [27] были опробованы не-
которые новые эмиттеры (например, вольфрамовый
эмиттер для матричного катода), сболее высокими плот-
ностями тока эмиссии при более низких рабочих тем-
пературах, однако они еще не нашли практического
применения в существующих СВЧ электровакуумных
приборах. Требуемая мощность подогревателя состав-
ляет от 3 до 5 W/cm’ для оксидных катодов и от 10

ваемой от модулятора. По аналогичным причинам
необходимо также уменьшить перехват пучка управ-
ляющим электродом и величину его емкости по отно-
шению к окружающим электродам. Основная труд-
ность заключается в том, что при изменении напряже-
ния на управляющем электроде изменяется не только
полный ток пучка, но и форма траекторий электронов
в пределах пушки, что следует учитывать при проек-
тировании пушек. Это обычно ведет к пульсации пу-
чка и перехвату его ВЧ-системой. Указанная трудность
возрастает при высоких величинах сходимости и пер-
веанса пучка. На фиг. 3 показаны обычные типы уп-
равляющих электродов.
Самый простой управляющий электрод — это мо-
дулирующий анод (фиг. 3, а). Он является частью
электронной пушки, за ним следуют пространство
дрейфа и последний анод прибора. Модулирующий
анод имеет наименьшее значение р (табл. 1), однако
величина цс может быть очень большой; при средних
значениях модулирующего напряжения его влияние
на фокусировку очень мало. Хотя модулирующее
напряжение сравнительно высоко, требуемая пере-
ключаемая мощность не является пропорционально
большой, поскольку модулирующий анод можно из-
готовить с минимальным токооседанием на нем, а его
емкость по отношению к окружающим электродам
низка. Модулирующий анод часто используется в ЛЕВ
для устранения влияния пульсаций напряжения и в
мощных импульсных приборах для снижения требо-
ваний к модулирующему устройству, в особенности
при длинных импульсах. Модулирующий анод также
 служит для регулирования первеанса пучка.
Если фокусирующий электрод пушки со сплош-
ным пучком имеет отрицательный потенциал относи-
тельно катода, то ток пучка можно уменьшить до нуля.
Величина цс в этом случае очень мала, приблизительно
от 1,5 до 2. Ее можно значительно увеличить с помощью
дополнительного фокусирующего электрода, располо-
женного в центре катода. Пример такой пушки пока-
зан на фиг. 3, Ь. Таким способом может быть получено
типичное значение ре, равное 8, при этом полный коэф-
рующего электрода не должен превышать потенци-
ала катода. Эго устройство управления пучком в
основном является переключателем и его нельзя
использовать для регулировки тока вследствие сущест-
венной дефокусировки траекторий пучка, когда нап-
ряжение фокусирующего электрода существенно отли-
		».	“pF’	сеткой.	комиапряженвн
Модулирующий	1-3		50	0	Хорошая
°"? II !! h	2—10	2-10	100	0	Плохая
электронов	50	100	50	15	тельная В°''И
Теневая сетка	30	300	50	0,1	тел°ьнЛа7В°₽И'
чается от напряжения катода. Межэлектродная ем-
кость управляющий электрод — катод несколько выше
емкости модулирующий анод — катод из-за близости
управляющего электрода к катоду.
Иногда в маломощных приборах применяется от-
дельная сетка, близко расположенная к катоду, кото-
рая выполняет функцию управления пучком и запира-
ния мощности рассеяния на сетке за счет перехвата
электронов сеткой расстояние сетка — катод выби-
зультате переключения потенциала сетки с отрица-
тельного на положительное. Поскольку прозрачность
такой сетки обычно составляет приблизительно 80—
90%, перехватывается от 10 до 20% тока пучка, хотя
напряжение довольно низкое. Эго накладывает серьез-
ное ограничение на применения описанных пушек в
мощных приборах. Такая конструкция позволяет по-
лучить очень высокий ц, и благодаря своей простоте
она часто используется в приборах, имеющих среднюю
В последние годы была разработана сеточная пу-
шка с высоким р без перехвата электронов, предназ-
пушке (фиг. 3, с) используются две близко располо-
женные соосные сетки: одна — около катода при по-
тенциале катода, а другая — на некотором расстоя-
нии при положительном потенциале [28]. Первая или
теневая сетка подавляет эмиссию электронов с тех
частей катода, которые бы эмиттировали ток, перех-
ватываемый далее второй или управляющей сеткой.
Эта пушка применяется в приборах различных уров-
ней мощности. Такие пушки имеют довольно высокую
величину усиления при средней межэлектродной ем-
кости и очень небольшом перехвате электронов (ча-
сто ниже 0,1% тока пучка).
Известны два вида сеток, используемых в пушках
без перехвата электронов: 1) «паутинообразные! дис-
ковые сетки с высокой прозрачностью, помещаемые
вблизи гладкого катода, 2) сетки с более низкой проз-
рачностью, имеющие много круглых отверстий, каж-
дое из которых отбирает ток с соответствующего углуб-
ления на поверхности катода (фиг. 4). Пушка с сеткой
первого вида отличается высокой прозрачностью се-
тки (до 95%), но и неравномерностью эмиссии с катода.
Механическая конструкция второй пушки более жест-
кая, однако потери эмиссии с «ячеистого» катода (про-
зрачность составляет 2/3) выше, чем у пушки с гладкой
поверхностью катода [29]. Такие пушки были разра-
ботаныдля Приборов, имеющих уровень ВЧ-мощности
до 1,5 MW в S-диапазоне и 100 kW в X-диапазоне и
-среднюю мощность порядка 10 kW в обоих диапазонах.
Сеточные характеристики типичной пушки приведены
на фиг. 5.
В. Фокусировка пучка
/. Общие соображения. Для большинства электро-
вакуумных приборов требуется сравнительно длин-
ный и тонкий пучок. Пучки с отношением длины к
диаметру 100 не являются редкостью. В мощных при-
борах требуется почти идеальное прохождение пучка
(более 99%), но в приборах с очень низким коэффици-
порядка 60%. При отсутствии фокусировки расхож-
дение дрейфующего пучка за счет расталкивания си-
приводит к полному расхождению пучка на расстоя-
нии около 5 диаметров. Известны следующие основ-
ные виды фокусировки пучка: однородным аксиаль-
ным магнитным полем, периодическим магнитным по-
2. Фокусировка пучка однородным магнитным полем.
Пучок, расположенный в аксиальном магнитном поле,
находится в равновесном состоянии, если взаимно
уравновешены силы пространственного заряда, цент-
троны. Используя теорему Буша и принятые опре-
деления величин плазменной и циклотронной частоты
шр и <ос, можно получить отношение, которому дол-
жны удовлетворять все равновесные пучки в условиях
пространственного заряда [2, 7, 30]:
когда магнитный поток не пронизывает катод (<осв=
=0). Эго минимальное поле называют бриллюэнов-
ским полем с индукцией
Вь = 8,3 X 10-‘
Получить бриллюэновский поток практически чрез-
вычайно трудно. Введение пучка в магнитное поле
обычно вызывает пульсацию пучка, что влечет за
собой необходимость увеличения магнитного поля для
уменьшения среднего диаметра пучка и обеспечения
требуемого зазора между потоком и системой взаимо-
действия. Следующая проблема заключается в том,
что для каждого напряжения пучка требуется соот-
ветствующая величина индукции магнитного поля при
их взаимной подстройке. Так как бриллюэновский
поток является самым неустойчивым среди равнове-
сных потоков в условиях пространственного заряда,
то для него характерна самая высокая величина перех-
вата пучка системой в режиме ВЧ-насыщения. Обычно
бриллюэновские пучки хорошо фокусируются магнит-
ным полем, индукция которого равна или больше рас-
четной в 1,3 раза (фиг. 6).
Если индукция магнитного поля выбрана такой,
что значительная часть магнитного потока пронизы-
пучок в условиях пространственного заряда. Наиболее
интересный случай имеет место, когда практически весь
магнитный поток проходит через катод. Эго случай
иммерсионного катода или ограниченного потока.
Характерно, что такие условия наступают при индук-
циях магнитного поля, превышающих бриллюэновское
чески нечувствительна к напряжению для всех зна-
чений его ниже некоторой величины. Наилучшее про-
катода. Наиболее эффективная фокусировка (при наи-
Некоторая пульсация пучка наблюдается у всех
равновесных потоков в условиях пространственного
заряда, поскольку трудно регулировать условия вве-
37
дения пучка в магнитное поле. В общем пульсация
пучка должна быть менее 10% его радиуса, а в хорошо
сконструированных пушках она не превышает 1—2%.
Обычно фокусирующее магнитное поле создается
с помощью длинного соленоида, вокруг которого рас-
положен железный экран. Полюсные наконечники со-
леноида имеют отверстия для прохождения пучка.
Как правило, используется магнитное поле с индук-
цией от 200 до 3000 Gs, но иногда (в зависимости от
магнитного материала полюсного наконечника) ин-
дукция магнитного поля достигает 10 000 Gs для ВЧ-
приборов. Наиболее дешевыми являются соленоиды с
проволочной намоткой. Требования, предъявляемые к
размерам, весу и мощности соленоида, можно умень-
шить, если проволоку заменить металлической фоль-
гой (алюминиевой или медной). В случаях, когда вес
и мощность прибора с соленоидом имеют важное зна-
чение, например в бортовой аппаратуре, с успехом
были использованы соленоиды из фольги, намотанной
непосредственно на корпус лампы. Требование увели-
чения мощности магнита, пропорциональной В*, оку-
пается уменьшением веса путем применения провод-
ников обмотки меньшего диаметра.
Большинство электромагнитных систем фокуси-
ровки нуждается в охлаждении. Для магнитов индук-
цией до 400—500 Gs обычно вполне достаточно прину-
дительное воздушное охлаждение, а для магнитов с
более сильными полями необходимо жидкостное ох-
лаждение. Однако были разработаны соленоиды из
фольги на 1000—2000 Gs, которые могут работать с
воздушным охлаждением.
Многие приборы с короткой областью взаимодейст-
вия, в частности клистроны, могут иметь фокусирую-
щую систему с постоянными магнитами. Торцевые по-
люсные наконечники таких приборов соединены внеш-
ними постоянными магнитами, имеющими обычно фор/
му подковы (фиг. 7). Для ламп больших размеров
постоянные магниты могут иметь форму цилиндра,
окружающего лампу, как, например, было сделано
для 25-MW приборов стэнфордского линейного уско-
рителя [31] (фиг. 32). Хотя в случае постоянных маг-
нитов исключается необходимость затрат мощности
на питание и охлаждение, их вес по крайней мере в
2 раза оказывается выше веса соответствующих соле-
ноидов. Однако появление самарий-кобальтовых маг-
нитов позволит значительно уменьшить вес фокуси-
рующей системы на постоянных магнитах (фиг. 7).
Создание магнитных фокусирующих систем с однород-
38
ным полем на постоянных магнитах для ламп большой
длины нецелесообразно в связи с большим весом и раз-
мерами магнитов. Так, например, если при сохранении
подобия необходимо увеличить вдвое расстояние ме-
жду полюсными наконечниками, вес магнитной сис-
темы должен быть увеличен в 8 раз.
3. Магнитные периодические фокусирующие сис-
темы (МПФС). Фокусировка с помощью МПФС осу-
ществляется рядом магнитных линз. Пучок фокуси-
руется каждой линзой; между линзами он расходится
за счет сил пространственного-заряда. Такой тип фо-
кусировки сначала использовался в ЛБВ со спираль-
ными замедляющими системами (32], а позже нашел
 применение в мощных ЛБВ со связанными резонато-
рами, а также в некоторых типах клистронов. Вес
такой системы по сравнению с весом соленоида или
постоянного магнита, создающего однородное поле,
меньше на 1—2 порядка. Однако конструкция МПФС
значительно сложнее, а прохождение пучка хуже, чем
при фокусировке однородным полем; следовательно,
этот метод фокусировки ограничен более низкими ве-
личинами средней мощности лампы. Были разработаны
аналитические методы расчета МПФС [33—35], но при
проектировании часто требуется экспериментальная до-
водка конструкции. В случае магнитноэкранированно-
го катода среднеквадратичное значение периодического
магнитного поля (при равновесном пучке) точно соот-
ветствует значению бриллюэновского поля, как и при
однородном магнитном поле. Однако у пушек с высо-
кой сходимостью пучка желательно проникновение
некоторой части поля к катоду для получения более
плотного пучка электронов [36]. Это увеличивает
требования, предъявляемые к среднеквадратичной
величине индукции магнитного поля. Периодическое
магнитное поле обычно образуется системой полюс-
ных наконечников, чередующихся с аксиально намаг-
ниченными кольцевыми магнитами (фиг. 8). Последние
высокой коэрцитивной силой. Известен другой тип
МПФС (не показано), в которой используются радиаль- .
ложенные на внешнем диаметре полюсных наконечни-
ков и железная внешняя труба для замыкания магнит-
ного потока. В такой конструкции необходимы маг-
ровки пучка с намагниченными кольцами отличается .
меньшим весом и является самоэкранированной, но
ее очень трудно оптимизировать для хорошего токо-
прохождения.
Новые магнитные материалы, разработанные в пос-
леднее Время, упростили задачу создания МПФС.
Старые магнитные материалы алнико (сплав алюми-
ний — никель—кобальт) и феррит бария —были заме-
нены алнико 8 и алнико 9, которые,, хотя и являются
более дорогими материалами, обладают лучшими маг-
энергией, меньшим температурным коэффициентом и
более высокой коэрцитивной силой). Магнитный мэ-
еще более дорогой, и в настоящее время магниты из
движущей силы на единицу длины намагничивания
(в 4 раза больше, чем у алнико 9). Со снижением стои-
рах небольшого веса.
Недостатком МПФС является неудовлетворитель-
ная фокусировка пучка при напряжениях ниже рабо-
чего значения. В связи с этим может возникнуть проб-
лема рассеяния мощности на корпусе прибора, рабо-
тающего в импульсном режиме, при нарастании и
к периоду МПФС полюсные наконечники и магниты
должны обычно располагаться возможно ближе к
 пучку. Удобнее всего это можно выполнить в ЛБВ со
связанными резонаторами, где стенки резонатора мо-
гут служить.магнитными полюсными наконечниками.
Использование МПФС в многорезонаторных клистро-
нах, однако,' задерживается в основном потому, что
пространство между резонаторами клистрона обра-»
благодаря применению в клистроне плавающих маг-
нитных полюсных наконечников.
4. Периодическая электростатическая фокусировка.
Несмотря на то что периодическая электростатическая
фокусировка известна уже давно [37], она не получила
такого широкого распространения, как фокусировка
пучка с помощью МПФС. Причинами этого являются:
трудность анализа, принципиальные ограничения по
фокусирующей способности и сравнительная слож-
ность конструкции прибора. Среди приборов большой
ровка пучка успешно применялась только в клистро-
нах, где пространство между резонаторами исполь-
зуется для фокусирующих электродов. Такая система
фокусировки нашла применение в приборах, работаю-
щих в диапазонах частот от L до С [38—41].
единяются с катодом, поэтому для них не требуется
отдельного источника питания. На электродах элект-
ростатических линз нет оседания пучка, но их емкость
относительно системы взаимодействия увеличивает
требования, предъявляемые к модулятору, в импуль-
сных приборах. В отличие от МПФС при периодической
электростатической фокусировке пучок фокусируется
одинаково хорошо при всех напряжениях пучка, так
как траектории электронов в электростатическом поле
зависят только от геометрии электродов, пока все нап-
ряжения изменяются пропорционально.
Существенным ограничением, препятствующим по-
вышению мощности и частоты, является пробой между
электродами линз и другими элементами лампы. Появ-
ление новых магнитных материалов для МПФС и усо-
вершенствование конструирования полюсных наконеч-
ников для клистронов с МПФС еще более сузили
область применения электростатической фокусировки,
и в настоящее время она используется только в при-
борах небольшого веса.
c. Охлаждение коллекторов и прибора
1. Методы охлаждения. В типичных приборах с
линейным пучком от 50 до 80% подводимой мощности
постоянного тока преобразуется в тепло. Если величина
средней мощности высокая, требуется охлаждение
основных элементов прибора. Несмотря на то что в
охлаждении прежде всего нуждается коллектор, необ-
ходимо охлаждать также и систему взаимодействия
счет теплопроводности), принудительное воздушное,
испарительное (вапотронное), с помощью тепловой
трубки и принудительное жидкостное. Здесь рассмат-
риваются только методы охлаждения коллектора, по-
скольку для охлаждения других элементов прибора
применимы аналогичные методы, а величина отводи-
мой мощности при этом значительно меньше.
Конвекционное и кондуктивное охлаждения распро-
странены в приборах с выходной мощностью порядка
нескольких сотен ватт. Принудительное воздушное ох-
лаждение [42, 43] широко используется в приборах
мощностью до нескольких киловатт. На фиг. 10 пока-
зан типичный коллектор с воздушным охлаждением.
Коллекторы с воздушным охлаждением обычно боль-
жидкости, охлаждающей коллектор, должен состав-
ходной мощности. Характерный перепад давления
составляет 2 kg/cm’-g. На фиг. 11 показано типичное
устройство охлаждения мощных коллекторов.
Вапотронное охлаждение основано на исполь-
зовании скрытой теплоты парообразования при испа-
рении воды вследствие кипения на поверхности кол-
лектора. Пар затем конденсируется в теплообменнике
и в виде жидкости возвращается на коллектор, в ре-
зультате чего образуется замкнутая система. На
поверхности коллектора, находящейся в соприкосно-
вении с кипящей водой, имеется много выступов,
предупреждающих неконтролируемое кипение (ко-
торое может явиться причиной образования слоя
пара, препятствующего последующей теплопередаче).
Таким образом, кипение происходит у основания выс-
знойных передатчиках, где с целью упрощения кон-
струкций и повышения ее надежности желательно
устранить водяной насос и систему труб. Охлаждение
с помощью тепловых трубок (в некоторых ЛБВ) также
основано на вышеупомянутом принципе [46]. В дан-
ном случае сконденсированная жидкость возвраща-
тиля, а не под действием силы тяжести.
Размеры коллектора определяются
удельная рассеиваемая мощность обычно ограничи-.
вается* величиной около 1 kW/cm’. Так как оседание
пучка на коллекторе весьма неоднородно, площадь
той, которая определяется по средней рассеиваемой
мощности. Для импульсных приборов нарастание тем-
пературы в период импульса может оказаться лими-
поверхности
материале, обусловленных расширением и сжатием ,
во время генерации импульсов (47, 48]. Упомянутые
явления особенно важно учитывать для приборов,
работающих в мегаваттном диапазоне мощности.
ше коллекторов с водяным охлаждением из-за более
низкой допустимой удельной мощности рассеяния,атак-
же из-за необходимости охлаждающих ребер |42, 43].
На уровнях ВЧ-мощности выше нескольких киловатт
большие размеры коллектора и системы его воздуш-
ного охлаждения сводят на нет преимущества воздуш-
полного.КПД прибора часто выгодно собирать элект-
роны отработанного пучка при напряжении ниже нап-
ряжения системы взаимодействия. Поскольку в пучке
присутствуют электроны с различными значениями
энергии, увеличение КПД достигается наиболее эффек-
обычно вводится принудительное жидкостное охлаж-
дение. Хотя вода обладает определенными достоинст-
вами в качестве охлаждающей жидкости, при низких
температурах применяются растворы этиленгликоля
различных концентраций, а в бортовой аппара-
туре рабочие жидкости гидравлических систем (сили-
коновые масла). Количество тепла, которое может
передаваться жидкости, пропорционально площади
поверхности, омываемой жидкостью, и коэффициенту
теплопередачи ]44]. Для повышения эффективности
охлаждения используются каналы с большим пери-
метром, но малым поперечным сечением в сочетании
с высокоскоростным турбулентным потоком. Расход
раторных установках. Для промышленных приборов
наиболее распространенными являются одноступен-
чатые коллекторы с рекуперацией; двухступенчатая
рекуперация является практически предельным слу-
чаем. Степень допустимого понижения напряжения
на коллекторе определяется распределением электро-
нов по скоростям в отработанном пучке, которое у,
разных приборов различно. Для клистронов, кото-
рым свойственны высокие КПД (40—50%), трудно
приспособить коллектор с рекуперацией вследствие
большого разброса по скоростям и возможности воз-
щих с коллектора. Однако эти трудности можно пре-
одолеть, увеличив количество секций в коллекторе,
например, до 5—10 [49]. Коллектор с рекуперацией
используется главным образом в ЛБВ с низким эле-
ктронным КПД (20—30%), который можно увеличить
до КПД клистрона, если установить коллектор с
рекуперацией. В типичном случае при помощи одно-
ступенчатого коллектора можно получить 40%-ную
рекуперацию в приборах с высоким уровнем средней
мощности и 50%-ную рекуперацию в менее мощных
приборах. Следовательно, изоляция коллектора дол-
жна быть соответствующей. Степень рекуперации ог-
раничивается обратными электронами, летящими с
коллектора, которые вызывают нагрев системы взаи-
модействия и создают ВЧ обратную связь. Двухсту-
пенчатые коллекторы дают несколько более высокий
полный КПД-ценой усложнения конструкции лампы
и повышения требований к источнику питания.
волноводное окно в виде керамического диска в круг-
лом волноводе (баночная конструкция), к которому
примыкают согласованные с ним прямоугольные волно-
воды [50]. Окно такого типа (фиг. 12) может иметь
полосу 30% при КСВН менее 1,1 и пропускать высо-
кие среднюю и импульсную мощности.
Резонансное полуволновое керамическое окно в
волноводе, показанное на фиг. 13, применяется реже,
хотя способно пропускать самую большую среднюю
мощность. Однако его ширина полосы составляет не
более 10—15%. Его можно использовать непосред-
ственно в прямоугольном волноводе или в качестве
полуволнового резонансного диска в секции круг-
лого волновода, к которой примыкают согласованные
с ней прямоугольные волноводы [51]. Существуют дру-
гие виды окон, но они применяются значительно реже.
Наиболее 'распространенным материалом для окон
является алюмооксидная керамика. Она обладает
весьма низким тангенсом угла потерь (при высокой
степени чистоты вещества) и легко соединяется с ме-
таллами посредством металлизации и высокотемпе-
ратурной пайки. Для приборов очень высокой средней
мощности пригодна керамика на основе окиси берил-
лия благодаря ее высокой теплопроводности. Однако
окись бериллия токсична и поэтому ее не используют,
если высокая теплопроводность не является абсолютно
необходимой. Этот материал чаще служит в качестве
внутреннего изолятора, где опасность воздействия
окиси бериллия в порошкообразной форме почти от-
сутствует.
Потери при передаче мощности в керамических
окнах очень низкие (порядка 0,1% передаваемой мощ-
ности). Следовательно, волноводное окно может про-
пускать несколько киловатт мощности в X-диапазоне
при наличии охлаждения по контуру [52, 53].
Одной из проблем для всех ВЧ-окон, и в особен-
ности для полуволновых резонансных окон, является
наличие паразитных колебаний и «захваченных» мод.
Они возникают при резонансах высших порядков в
волноводе внутри керамики и согласующей секции
окна [54]. Их необходимо устранять при высокой сред-
ней мощности из-за возможности большого погло-
щения мощности, приводящего к разрушению окна.
ряет реек ива ни е керамики вследствие дугового раз-
ряда в волноводе и разрушение в результате термиче-
ских напряжений, связанных с ВЧ-потерями в диэлект-
рике [55], или в результате поверхностного мульти-
пакторного эффекта [56—57]. Для большинства мощ-
ных приборов необходимы детекторы искрения, обра-
щенные непосредственно к выходному окну. В случае
возникновения дуги детектор должен отключить под-
водимую мощность или запереть пучок за несколько
десятков микросекунд.
III. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КЛИСТРОНЫ
В данном разделе обсуждаются многорезонаторные
усилительные клистроны. Другие хорошо известные
типы клистронов (отражательные и двухрезонаторные
клистронные генераторы) здесь не рассматриваются,
хотя многое из сказанного относится и к этим прибо-
Многорезонаторные усилительные клистроны ши-
роко используются в качестве оконечных усилителей
в СВЧ-передатчиках. Типичными применениями в не-
прерывном режиме являются УВЧ телевизионные пе-
редатчики, которые работают на уровнях мощности
до 50 kW, передатчики тропосферной связи, работаю-
щие на частотах L-, S- и С-диапазрнов на уровнях
мощности 1—20 kW, и линии связи «Земля — спут-
ник» на частотах С- и Х-диапазонов с уровнями мощ-
ности 1—10 kW.
Усилительные клистроны получили широкое рас-
пространение в качестве оконечных импульсных уси-
лителей в передатчиках РЛС. Во многих приборах
РЛС, работающих от УВЧ до Х-диапазона, клистроны
используются в качестве мощных импульсных усили-
телей. Большие наземные РЛС работают при импульс-
ной мощности до 10 MW. В подвижных и самолетных
РЛС устанавливаются небольшие легкие клистроны.
Доплеровские РЛС обычно работают при относительно
низкой импульсной мощности — от 100 W до несколь-
ких киловатт, но при высоком коэффициенте запол-
нения до непрерывного режима включительно. Уси- лители с высокой импульсной мощностью также используются в качестве источников питания для линейных ускорителей. Например, питание стенфорд- ского линейного ускорителя длиной ~3,2 km осуще- ствляется от большого числа 24-MW клистронов. Областью применения клистронов, не получив- шей еще широкого распространения, является СВЧ- нагрев. В ряде промышленных процессов (сушка де- , рева, бумаги, краски и чернил, быстрое приготовление пищи в поточных линиях) используются клистроны мощностью 10—100 kW в L- и S-диапазонах. Послед- ние достижения по увеличению КПД должны при- влечь большее внимание к этой области применения клистронов.	Это описание предназначено для тех читателей, кото- рые хотят глубже вникнуть в физику процесса взаи- модействия. Хотя нижеследующее описание посвя- щено, в частности, клистронам, рассматриваемые прин- ципы и терминология в общем также применимы для ЛБВ со связанными резонаторами и гибридных при- боров, которые описываются в последующих разделах. 2. Волны пространственного заряда. В первом приближении сигнал на частоте ш0, налагаемый на электронный пучок, будет переноситься им со скоро- стью о», соответствующей постоянному току пучка (в направлении оси г). Такое распространение может быть представлено в виде (4) Эго было бы верно, если бы модуляция потока (обра-
В. Теория работы 1. Методы анализа. Существуют два подхода к анализу работы приборов с линейным пучком. Первый основан на гидродинамическом представлении Лаг- ранжа, согласно которому рассматриваются отдель- ные электроны и прослеживается их движение в про- странстве взаимодействия. Во втором используется представление Эйлера, согласно которому пучок трак- туется как сплошная масса (жидкость) пространст- венного заряда, где плотность и скорость зарядов в каждой точке определяются без выделения отдельных электронов. Ранее разработанная теория клистронов основывалась на методе Лагранжа при пренебрежении пространственным зарядом. Она была известна как баллистическая теория, по которой электроны приоб- ретают первоначальную ВЧ-добавку к скорости во входном зазоре и не претерпевают дальнейших изме- нений скорости. Модуляция потока (группирование) происходит за счет того, что электроны, вступающие во взаимодействие в различные доли периода ВЧ- колебаний, догоняют друг друга в процессе пролета. Баллистический анализ точен только в случае, когда пространственным зарядом можно пренебречь, а имен- но, когда протяженность пространства дрейфа мала по сравнению с плазменной длиной волны (условие, которое в общем не выполняется в многорезонаторных клистронах). Однако баллистическая теория широко используется для расчета коэффициентов связи и нагрузок на пучок для зазоров резонатора, которые короче по сравнению не только с плазменной, но и с электронной длиной волны. Распространение в трубах дрейфа (пролетных тру- бах) в основном описывается волнами пространствен- ного заряда, согласно представлению Эйлера. Эта тео- рия малого сигнала полностью учитывает эффекты пространственного заряда. Следовательно, режим ма- лого сигнала многорезонаторного клистрона может быть адекватно синтезирован на основе баллистиче- ского анализа для зазоров резонатора и анализа волн пространственного заряда в трубах дрейфа. Для понимания условий большого сигнала, кото- рые всегда имеют место в выходном зазоре (и часто в некоторых предшествующих резонаторах), необ- ходим метод Лагранжа с учетом пространственного заряда. Такой анализ, который более подходит для машинного расчета, нежели ручного, только недавно стал возможен в связи с появлением соответствующих ЭВМ. Краткое описание (в нерелятивистском случае) режима малого сигнала многорезонаторного клист- рона будет Приведено в следующих пяти разделах. 42	зование электронных сгустков) оставалась стационар- ной относительно системы координат, движущейся с пучком. Силы расталкивания пространственного за- ряда внутри сгустков препятствуют этому, и модуля- ция пучка колеблется (относительнодвижущегося наб- людателя) около равновесного распределения плот- ности заряда (пучка постоянного тока). Собственная частота этого колебания, известная как плазменная частота, зависит только от параметров пучка при пос- тоянном токе и геометрии пролетной трубы, и для од- номерного случая (бесконечный пучок) она опреде- ляется только плотностью заряда р«[2|: = У^ж	® где е/т —- отношение заряда к массе электрона, а «о — диэлектрическая проницаемость свободного про- странства. Для пучка в присутствии окружающих электроде» (например, труб дрейфа) эффективные ак- сиальные силы пространственного заряда при пере- менном токе ослабляются наведенными «зеркальными» зарядами в проводнике. Это явление уменьшает плаз- менную частоту до величины ы, = Ru,,	(6) где коэффициент R меньше единицы. Вычисление зна- чений R проводилось для различных геометрий пучка [58, 591. Ограничением такого анализа является то,- что величины переменного тока должны быть неболь- шими по сравнению с величинами постоянного тока (малый сигнал) и что	Практически почти для всех приборов .шд/«,«0,1. Собственные колебания пучка при пониженной плазменной частоте можно рассматривать как две Волны, распространяющиеся в противоположных на- правлениях относительно движущегося наблюдателя. В постоянной системе отсчета эти волны известны как медленные и быстрые волны пространственного заряда; медленная волна имеет фазовую скорость, несколько меньшую, чем фазовая скорость пучка пос- тоянного тока, быстрая волна — несколько ббльшую. Так как каждая волна может возбуждаться до произ- вольной амплитуды, любая характеристика пучка, например ток, может быть записана в виде Цг,	(7) где Л = —
Если известны граничные условия — модуляция по
скорости v (0) и модуляция по току »(0), то о(?) и Цг)
могут быть получены из уравнений, подобных выше-
приведенному,
v(g) = v(0) cos (fi,g) — j —1(0) sin (0,s)
i(s) — i(0) cos G?,s) — j — r(0) sin
(8)
где множитель	опущен, но подразуме-
вается и ро — положительное в пучке.
ментом колебательной системы клистрона. Поскольку
значение резонатора — взаимодействие с электрон-
ным пучком, он должен быть сконструирован так,
чтобы электрическое поле концентрировалось в об-
ласти взаимодействия, которой служит зазор. Боль-
шинство резонаторов берут начало от цилиндриче-
ского резонатора, работающего на низшей ТМ-моде
14, а). Для эффективного взаимодействия с пуч-
ком необходимо сделать заэор довольно коротким,
что в результате дает типичную форму резонатора,
редставленную на фиг. 14, Ь. Эквивалентная схема
резонатора с параметрами, приведенными к зазору,
показана на фиг. 14, с. L и С зависят только от геомет-
рии резонатора: С приблизительно равно низкочастот-
ной емкости зазора. Приведенный к зазору импеданс
резонатора равен
+ JQ------
где а,= 1]/ТС— резонансная частота. Наиболее важ-
ным параметром резонатора клистрона является ха-
рактеристический импеданс
Поскольку произведение усиления на ширину полосы
клистрона пропорционально R/Q, необходимо обеспе-
чить максимальное значение импеданса при минималь-
ном значении емкости зазора С. В случае «квадрат-
ного» резонатора (высота резонатора равна диаметру)
без труб дрейфа j?/Q=376 fi (эталонный критерий).
Практически для «сплющенных» резонаторов с трубами
дрейфа, как показано на фиг. 14, Ь, импедансы резо-
наторов могут находиться в пределах от ~50 до 200 Q.
Резонаторы, используемые на низких частотах, обычно
имеют более высокие импедансы, чем на высоких час-
Полная величина активного сопротивления резо-
натора (фиг. 14, с) определяется тремя компонентами:
Rc. обусловленным потерями резонатора, R,, обуслов-
ленными внешними потерями, связанными с резона-
тором, и Rb, обусловленным нагрузкой пучка (см. сле-
дующий раздел), которое обычно положительно, но
может быть отрицательным и часто. является преоб-
ладающей компонентой полного активного сопротив-
ления, приведенного к зазору.
4.	Взаимодействие в зазоре резонатора. Практи-
чески используемые зазоры взаимодействия конечной
длины с сетками или без сеток можно адекватно оха-
рактеризовать двумя параметрами: 1) коэффициентом
взаимодействия с пучком М, равным отношению тока,
наводимого в зазоре, к величине модуляции тока в
пучке после входа в зазор; 2) шунтирующим сопротив-
лением пучка Rb, которым пучок нагружает резонатор
за счет обмена энергией. Указанные параметры могут
быть вычислены методами баллистического анализа
[601, в котором не учитываются силы пространствен-
ного заряда в зазоре. Этот анализ является хорошим
приближением при условии, что зазор много короче,
чем уменьшенная плазменная длина волны. Коэф-
фициент взаимодействия определяется преобразова-
нием Фурье для электрического поля в заз—
длине зазора между сетками d
азоре. При
С учетом пространственного заряда получаются два
значения М (611: одно для мед ленной волны простран-
ственного заряда (М+). другое — для быстрой волны
43
(Af“). Тогда для зазора между сетками величина
М имеет значения:
заряда (8). При равных коэффициентах связи во всех
зазорах взаимодействия и коэффициентах связи для
быстрых и медленных волн пространственного заряда
(16)
В соответствии с фиг. 15 усиление прибора определяется
выражением
Для максимального использования мощности во вход-
ном резонаторе сопротивление генератора /?ген. дол-
жно быть равно активному сопротивлению резонатора,
выходному зазору (У„1) может быть вычислена из
уравнений (15) и (16). Выражение для усиления пред-
ставляет алгебраическую рациональную дробь с
комплексной частоты полюсы соответствуют резонанс-
ным частотам резонатора; корни числителя выражения
для усиления являются нулями функции и зависят от
всех конструктивных параметров клистрона. Следует
отметить, что многорезонаторный клистрон почти адек-
Этот расчет коэффициента взаимодействия может быть
принят для любого распределения поля в резонаторе,
например для клистронов с удлиненной областью взаи-
модействия. Для бессеточного зазора с острыми кра-
ями трубы дрейфа, показанного на фиг. 14, Ь, коэф-
фициент взаимодействия равен произведению продоль-
ного и радиального коэффициентов:
М = MiMr.	(13)
Эти коэффициенты могут быть вычислены по более
сложным формулам, содержащим функции Бесселя.
Отношение проводимости нагрузки пучка Gb= 1/Rb
ляется по формуле
- — (М-г
(14)
5.	Работа много резонаторного клистрона в режиме
малого сигнала. Характеристики усиления многоре-
зонаторного клистрона в линейном режиме (при малом
сигнале) могут быть непосредственно получены из
выражений, приведенных в предыдущих трех разде-
лах. Фиг. 15 схематично иллюстрирует процесс вза-
имодействия для клистрона с числом резонаторов п.
лентной схемы) имеет вид
Vm = ZJ..	(15)
На фиг. 15 величина /, означает управляющий ток,
создаваемый эквивалентным генератором тока на
входе; все другие величины / являются токами, посту-
пающими от пучка в резонаторы; Z„ представляет
полный импеданс, приведенный к зазору (с учетом
внешней нагрузки при ее наличии) и определяемый
выражением (9). Ток, наводимый пучком в т-м резо-
наторе, возникает в результате суммирования модуля-
ций по скорости во всех предыдущих резонаторах,
которые были преобразованы в модуляции по току
в соответствии с уравнениями волн пространственного
44
довательно, фазовые и амплитудные характеристики
могут быть определены в соответствии с теорией четы-
рехполюсника (см., например, работу (991). Расчет
усиления может быть выполнен вручную, но является
очень трудоемким. Эта задача решается в частности
с помощью ЦВМ. Программы расчета на ЦВМ многоре-
зонаторного клистрона, основанные на анализе волн
пространственного заряда многих видов колебаний,
опубликованы в работе (621, но, как правило, такие
программы являются собственностью фирм.
6.	Выходной контур и эффекты большого сигнала.
Для получения максимальной ВЧ-мощности от пучка
выходной зазор,— минимальной. Кроме того, импеданс
выходного зазора должен иметь оптимальную вели-
точно большим, чтобы затормозить электроны почти,
до полной остановки, но не настолько высоким, чтобы’
значительное их количество было отражено обратно 
в направлении к катоду. При насыщении линейный
анализ оказывается бесполезным; параметры клист-
рона в нелинейном режиме (при большом сигнале)
ЦВМ. Обычно такая теория включает некоторые при-
ближения, например, каждая ВЧ (электронная) длина
волны пучка моделируется жесткими дискретными
зарядами в форме диска числом от 32 до 64. Поведение
каждого заряженного диска должно быть прослежено
при его пролете сквозь лампу с учетом ВЧ-полей резо-
наторов и сил пространственного заряда от всех дру-
гих дисков.
Элементарные теории большого сигнала были раз-
работаны до появления вычислительных машин. Сог-
ласно этим теориям (в большинстве случаев, подтверж-
дающимся экспериментальными результатами), ос-
новная компонента тока ВЧ-поля в выходном зазоре
не может превышать постоянную составляющую тока
пучка более, чем в 1,5 раза. Следовательно, оптималь-
ные сопротивления выходного зазора в 1—2 раза
меньше сопротивления пучка постоянного тока; при
этом типичный коэффициент преобразования состав-
ляет 40—50%. Приближенная формула для оптималь-
ного сопротивления выходного зазора, основанная
на теории малого сигнала, при /=/0 имеет вид
где /?. — сопротивление пучка постоянного тока. RL,
определенное по этой формуле, оказывается исключи-
тельно точным, несмотря на очевидные недостатки вы-
водов.
Для более всестороннего понимания поведения ха-
рактеристик приборов с линейным пучком в условиях
большого сигнала необходимо выполнение расчетов по
детально разработанным программам для ЦВМ, не-
которые из которых опубликованы в работах [63, 641.
Машинный анализ проводился с целью определения
влияния размеров пучка, длины дрейфа и первеанса
на КПД преобразования клистрона [651. Как пока-
зал анализ, КПД снижается при высоком первеансе,
большом диаметре пучка и низком коэффициенте взаи-
модействия.
С. Типичные характеристики клистрона
/. Общие соображения. Любой усилитель может
быть описан электрическими характеристиками и ме-
ханическими параметрами. К электрическим характе-
ристикам относятся: выходная мощность, усиление
и частотная характеристика, а также другие специфи-
ческие характеристики, такие, как амплитудные и
фазовые искажения, возникновение шумов, генерация
гармоник, чувствительность к модуляции и т. д. Ме-
ханические параметры включают: размер, вес и гео-
метрию прибора. Ниже следует описание типичных
характеристик усилительных клистронов.
2.	Получение высокой мощности. Усилительные
клистроны используются для получения больших СВЧ-
мощностей. Эго возможно прежде всего потому, что
в клистронах, как и во всех других усилителях с
линейным электронным пучком, остаточная мощность
пучка рассеивается на коллекторе, который отделен
ванном электронном пучке по существу весь ток пучка
лях токопрохождение составляет 99,9%, хотя обычно
от 2 до 5% пучка оседает на системе взаимодействия.
Способность клистрона выдавать большую мощность
обусловлена также легкостью отвода тепла от его
резонаторов, выделяющегося в результате ВЧ-потерь
и перехвата электронов.
В качестве примера высокомощного прибора можно
назвать усилительный клистрон типа VA-949 AM [171.
Мощность этого усилителя в непрерывном режиме
составляет 250 kW на частоте около 8 GHz, что
приближается к пределу, достижимому при одном
выходном резонаторе в указанном диапазоне; в вы-
ходном резонаторе рассеивается 5kW.
Если обозначить напряжение пучка через V», пер-
веанс — через К и КПД — через п, то выходная мощ-
ность может быть записана в виде
Ро =	(19)
Обычно КПД является функцией напряжения и увели-
чивается при его повышении. Следовательно, выход-
ная мощность приблизительно пропорциональна нап-
ряжению в кубе. На фиг. 16 показаны кривые выход-
ной мощности и тока пучка в зависимости от напря-
жений пучка для типичного клистрона непрерывного
действия мощностью 10 kW.
3.	Усиление и ширина полосы. Многорезонаторный
клистрон по своей природе способен обеспечивать
Высокое усиление. Усиление на каскад составляет,
как правило, 15—20 dB, в результате чего в четырех-
резонаторном усилителе можно получить усиление
свыше 50 dB. Были сконструированы клистроны со
стабильным усилением порядка 100 dB. Предельное
усиление ограничивается вторичными электронами с
коллектора, переносящими энергию с выхода на вход
и вызывающими таким образом регенерацию. Макси-
мальное усиление достигается при настройке всех ре-
зонаторов на одну и ту же частоту (синхронная наст-
ройка). Однако обычно предпоследний резонатор (пред-
оконечный) настраивается вне полосы пропускания в
высокочастотной части диапазона. При такой настрой-
ке усиление понижается приблизительно на 10 dB,
но группирование электронов улучшается, что при-
водит в результате к увеличению выходной мощности
на 15—25%.
Клистрон обычно является узкополосным устрой-
ством. Однако в типичном случае ширина полосы мо-
жет быть увеличена ценой снижения усиления при рас-
строенных контурах. Эго означает, что частоты резо-
натора настраиваются выше и ниже центральной час-
45
I

Разработка широкополосного многокаскадного клист-
рона с расстроенными контурами облегчается при ис-
пользовании машинной программы малосигнального
висимости от частоты. Выбор экспериментальным путем
соответствующих конструктивных параметров лампы
позволит обеспечить плоскую частотную характери-
стику в полосе пропускания при высоком значении
произведения усиления на ширину полосы. На фиг. 17
показан типичный пример настройки для широко-
полосного пятирезонаторного усилителя. Резонаторы
/. 2 и 3 образуют фильтр, в котором добротность резо-
натора / равна половине добротности резонаторов 2
и 3. Резонатор 4 настроен вне полосы пропускания
в высокочастотной части диапазона. Этот резонатор
служит для улучшения группирования электронов и,
следовательно, КПД прибора; кроме того, он препят-
ствует наличию нулевых значений усиления на часто-
тах выше полосы пропускания. Резонатор 5 настроен
на центральную частоту и обеспечивает передачу ВЧ-
энергии от электронного пучка к выходному волно-
воду. Предельная ширина полосы ограничивается
выходным контуром. При соответствующем конструи-
ровании резонаторов группирователя в этой части
прибору можно получить практически любые значения
усиления и ширину полосы. Однако ширина полосы
выходного контура, определяемая соответствующим
импедансом нагрузки выходного зазора, ограни-
чивается проводимостью пучка, коэффициентом взаи-
модействия в зазоре и импедансом резонатора. При-
боры, сконструированные для работы в широкой по-
лосе частот, обычно имеют высокий первеанс пучка
с целью обеспечения низкого импеданса пучка. Кроме
того, более широкая полоса частот достигается при
использовании выходного контура в виде фильтра
(обычно с двойной настройкой).
На фиг. 18 и 19 приведены характеристики частоты
и усиления для типичного усилительного клистрона
непрерывного действия мощностью 10 kW. Такие
кривые характерны для клистрона типа VA-884D,
являющегося четырехрезонаторным усилителем с
расстроенными контурами для обеспечения ширины
полосы немного более 1 %. При такой настройке усиле-
настройке усиление превышает 73 dB. .
Для того чтобы сравнивать по усилению и широ-
кополосное™ различные конструкции, клистронов.
резонаторный) клистрон. Произведение ширины по-,
лосы на усиление сильно зависит от геометрии зазора
взаимодействия и параметров пучка, и оно может быть
записано следующем образом 1671:
0./. А/ __ /?/<?_ R
(20)
Q — добротность, k — первеанс.
4.	Способность к настройке. Несмотря на то, что
они обычно могут настраиваться в значительно более
широком диапазоне частот. Так как почти любое изме-
ную частоту, число возможных способов настройки
неограничено. Гибкая стенка резонатора является
простейшим элементом настройки, но диапазон пере-
стройки при этом ограничен 2—3%. Долговечность
гибкой стенки ограничивается наступлением усталост-
ного разрушения металла.
Более широкий диапазон настройки может быть
достигнут при размещении в резонаторе подвижного
емкостного элемента (лопатки). В этом случае диапа-
зон настройки достигает 10—20%. Долговечность эле-
мента настройки при этом не является проблемой,
так как лопатка может перемещаться посредством
сильфона, размеры которого выбираются достаточно
' большими для обеспечения требуемой долговечности.
К сожалению, при этом способе настройки снижается
КПД усилителя, так как элемент настройки увели-
чивает емкость резонатора и уменьшает его импеданс
AR/Q-, см. (10)1. Приборы с такой настройкой более
узкополосны в низкочастотной части диапазона на-
стройки.
Более совершенная настройка возможна при ис-
пользовании подвижной стенки резонатора со сколь-
зящими контактами, но этот способ дорог ввиду боль-
шой механической сложности. Диапазон настройки
достигает 10—15% и, поскольку настройка индуктив-
ная, изменение импеданса резонатора не является .
ограничивающим фактором. Осуществление такой на-
стройки при высоком уровне мощности стало возмож-
ным недавно в связи с усовершенствованием техноло-
гии получения скользящих контактов вольфрам —
медь в вакууме.
5. Шумы и паразитные колебания на выходе. Мощ-
ность шумов на выходе малошумящего усилительного
клистрона определяется уровнем фона, связанного с
усилением флуктуационных шумов, наводимых во
входном контуре под действиемфлуктуаций амплитуды
и скорости тока электронного пучка. Этот уровень
фона обычно имеет порядок —125 dB/kHz относи-
тельно несущей для фазовых шумов (шумов ФМ),
как показано на фиг. 20. Амплитудные шумы (шумы
AM) обычно на 10 dB ниже вследствие ограничиваю-
щего действия насыщения клистрона. Данные по шу-
мам, приведенные на фиг. 21, показывают влияние
Типичными данными являются (см. также фиг. 21):
Частота	6,2 GHz
57,3 dB
36,6 MHz
2,5.10-‘W
ЛТВ=4,1-10~’1 W/Hz и из фэрмулы (21) коэффициент
шума равен 34,9 dB.
Измеренная величина мощности шума на выходе
составляет 0,25 mW в полосе 36,6 MHz, что соответст-
вует спектральной плотности шума 0,683- 10"’W/kHz.
Поскольку нормальной выходной мощностью на не-
сущей частоте для этого усилителя является 14 kW,
результирующее отношение шума к мощности вычис-
Шум
140<Ю~=°.488, Ю-“—123 dB/kHz.
Из фиг. 21 видно, что при усилении 57 dB отношение
шума к мощности сигнала равно —122 dB/kHz, что
хорошо соответствует величине, определенной по коэф-
фициенту шума.
Необходимо рассмотреть другие возможные источ-
ники шумов. Паразитная модуляция пучка возможна
вследствие нестабильностей, возникающих из-за флук-
туаций концентрации ионов. «Ионные колебания» мо-
мам, приведенные на фиг. л, нинааываю. «м.пнппе —50 dB по отношению к несущей частоте. Эта проблема
изменения усиления (при настройке клистрона). При в основном решается путем хорошей откачки прибора
усилении ниже 60 dB шум прибора маскируется влия- г умрмкшриия конпентпяпии ипнлв и жесткой
ниимн намершслвпип vnvicMtM. я иысшш.	фОКуСИрОВКОЙ Пучка, Обеспечивающей ХОрОШО СКОЛ-
может быть уточнен при измерении коэффициента лимированный пучок без вариаций потенциала вдоль
ШуМа	оси пучка, которые могут оказаться ловушками ионов.
Другие паразитные колебания в клистроне, кото-
рые обычно рассматриваются как шум, происходят
вследствие модуляций. Они могут быть вызваны пуль-
сациями напряжений на электродах. Чувствительность
к модуляциям (AM и ФМ), обусловленным изменени-
ями напряжений, могут быть вычислены по следую-
щим формулам.
В этом случае усиленный шум пучка на выходе
измеряется без подачи входной мощности, и коэффи-
циент шума рассчитывается следующим образом:
(21)
и для фазовой модуляции
Для амплитудной модуляции
где 0в — фазовая длина клистрона (6—10 rad для каж-
дой трубы дрейфа). Частным случаем является моду-
ляция, связанная с подогревателем. Питание подогре-
вателя переменным током приводит к появлению
амплитудной модуляции и соответствующих боковых
полос на уровне 50 dB ниже несущей. Заслуживает
внимания модуляция за счет механических вибраций
(микрофонный эффект), но она обычно незначительна,
за исключением применений в условиях повышенных
вибраций.
В клистронах редко возникают проблемы паразит-
ных колебаний. Однако могут вызывать затруднения
вень гармоник в модулированном электронном пучке
высок, тем не менее благодаря низкому импедансу резо-
наторов на частотах, далеких от резонанса, уровень
выходной мощности гармоник получается низким.
В клистронах обычно мощность второй гармоники вы-
ходного сигнала по крайней мере на 30 dB ниже мощ-
ниже более чем на 50 dB.
6. Механические параметры. Для большинства
в значительной мере фокусирующим магнитом. На
низких частотах размеры резонаторов увеличиваются,
что в свою очередь влечет увеличение размеров и веса
непрерывного действия мощностью 50 kW для УВЧ-
90 kg. Соответствующий фокусирующий электромаг-
нит весит почти 270 kg. Усилитель непрерывного дей-
ствия мощностью 100 kW в X-диапазоне (VA-879)
0,76 m и вес 27,2 kg. Его фокусирующий магнит весит
180 kg. Приборы более низкой мощности предъявляют
меньшие требования к размерам магнита и коллектора
и, следовательно, оказываются значительно меньших
габаритов и веса. Если средняя мощность клистрона
импульсного действия или мощность клистрона неп-
рерывного действия ниже 2 kW, то используется воз-
нитом. Усилитель непрерывного действия мощностью
500 W в диапазоне 8 GHz (VA-914) фокусируется
постоянным магнитом и имеет воздушное охлаждение.
Он весит 7,3 kg (включая магнит) и занимает объем
Для предотвращения работы клистронов в режи-
мах, превышающих допустимые, например при чрез-
мерно высоких ускоряющем напряжении, токе пучка
или токе оседания на систему взаимодействия, широко
применяются логические схемы. Превышение допусти-
мого значения тока оседания особенно опасно, так как
ствия. Исчезновение фокусирующего магнитного поля J
может привести к повреждению прибора за несколько j
миллисекунд вследствие дефокусировки пучка. Для
предотвращения подачи ускоряющего напряжения при 1
отсутствии требуемого фокусирующего тока исполь- I
зуются специальные схемы защиты. Как правило.
видом повреждения является растрескивание выход-
дугового разряда в выходном волноводе. Дуга может
возникнуть при повреждении одного из нескольких
меры защиты, то дуга не исчезнет вплоть до аварии
усилителя. Выходное окно усилителя растрескивается
или в связи с увеличением потерь в окне, обусловлен-
ным высоким КСВН нагрузки, или вследствие дуго-
вого пробоя, возникающего по окну. Дуга в волно-
воде обычно распространяется в направлении ге-
нератора, следовательно, дуга будет существовать
до тех пор, пока она не достигнет окна, где местный
нагрев вызывает катастрофическое разрушение. Учи-
тывая опасность возникновения дуги в волноводе,
используют логические схемы, чувствительные к уве-
личению КСВН и возникновению света в волноводе.
Поскольку высокомощные усилители работают при
Для обеспечения длительного срока службы уси-
лительных клистронов (особенно на высоких уровнях
средней мощности) должны соблюдаться определенные
условия эксплуатации и требования к защите клист-
ронов. На фиг. 22 изображена упрощенная схема вклю-
чения усилительного клистрона непрерывного дейст-
вия с источниками питания и устройствами защиты.
48
может происходить при появлении дугового разряда,
если источник питания имеет низкое внутреннее соп-
ротивление. Вообще Говоря, если энергия, рассеи-
ваемая при разряде, превышает 50J, происходит необ-
ратимое разрушение. Для того чтобы избежать та-
кого повреждения в высокомощных приборах, часто
следует использовать систему быстродействующей за-
щиты в источниках питания и (или) дополнительный
импеданс в цепи катода и модулирующего электрода.
Система быстродействующей защиты, как правило,
имеет электронное управление и срабатывает за не-
сколько микросекунд при превышении тока пу-
чка или возникновении дуги. Так как дуга имеет тен,
денцию нарастать со скоростью несколько тысяч ам-
пер в микросекунду, такое устройство должно быть
весьма быстродействующим. Дополнительная защита
может осуществляться введением в цепь катода соп-
ротивления порядка 100 й, которое может быть до-
пустимо при работе на среднем уровне мощности.
Срок службы мощных приборов очень зависит от
условий эксплуатации и от системы защиты прибора.
При правильных условиях эксплуатации срок службы
клистронов (а также ЛБВ и гибридных приборов)
достигает нескольких десятков тысяч часов.
Е. Последние достижения
1.	Упрошенная настройка, Еще со времени появле-
ния первых многорезонаторных клистронов стала оче-
видной необходимость упрощения системы настройки.
В течение ряда лет предпринимались значительные
• усилия для создания механизма «сопряженной наст-
ройки». Такой подход к упрощению настройки основан
на методе одновременной настройки всех резонаторов
(например, при вращении одной ручки перестраивается
многорезонаторный клистрон по всему диапазону). При
'использовании этого метода были получены некоторые
полезные результаты. Однако во всех случаях схема
«сопряженной настройки» осложнялась тем, что резо-
наторы клистронов, вообще говоря, не имеют одина-
ковой крутизны настройки. Чтобы получить работо-
способное устройство с указанным методом настройки,
необходимо принять специальные меры, обеспечиваю-
щие точное соотношение между частотами резонато-
ров в диапазоне перестройки.
Механизм канальной настройки является послед-
ним достижением, в котором решена проблема сопря-
жения частот резонаторов. В этом случае каналы пред-
варительно настраиваются, а информация о настройке
запоминается в механизме. При выборе нового канала
данный механизм обеспечивает правильное положе-
ние настроечного элемента каждого резонатора, га-
рантируя желаемую частотную характеристику клист-
рона (фиг. 23). Первоначальная установка настроеч-
ного элемента осуществляется на заводе, так что для
настройки прибора не требуется специальной квали-
фикации.
2.	Распределенное взаимодействие. Наиболее расп-
ространенный вид клистронов с распределенным вза-
имодействием достигается путем соединения двух или
нескольких смежных резонаторов1’. На фиг. 24 схе-
матично изображен резонатор пятисекционного клист-
рона с распределенным взаимодействием и для срав-
нения показан однозазорный резонатор клистрона.
Высокий коэффициент взаимодействия может быть
получен только в относительно небольшом диапазоне
скорости пучка вблизи синхронизма. Синхронизм в
этом случае определяется ВЧ-полем, находящимся в
фазе с электронным пучком при резонансе. При рабо-
те на 2 л-виде время пролета электрона между зазорами
составляет 2 л, когда электрическое поле во всех за-


зорах одновременно достигает максимального значе-
ния. Другим обычным рабочим видом является л-вид,
- на котором при максимальной величине ВЧ-напряже-
ния направления электрических полей в соседних
зазорах противоположны. Следует отметить высокую
проводимость нагрузки пучка, которая может приоб-
ретать положительное или отрицательное значение
при изменениях скорости пучка в относительно узких
пределах.
В принципе система с распределенным взаимодейст-
вием, состоящая из п резонаторов, может иметь харак-
теристический импеданс R/Q, который в п раз больше
импеданса одного резонатора. Практически эта вели-
чина несколько меньше в результате компромиссного
выбора формы резонатора для того, чтобы обеспечить
синхронизм при типичных скоростях пучка, а также
в результате ухудшения характеристик резонатора,
обусловленного наличием связи между резонаторами.
Например, двухрезонаторная система с распределен-
ным взаимодействием в типичном случае может иметь
импеданс (и, следовательно, ширину полосы), в 1,5
раза больший импеданса одного резонатора с тем же
размером зазора. Поскольку полное напряжение в
системе с распределенным взаимодействием разделя-
ется между п резонаторами при данном уровне мощ-
ности, токи в каждом резонаторе пропорционально


щий на частоте 805 MHz, тип X-3074В фирмы Varian.
фиг. 26 представлены характеристики клистрона с
высоким КПД. Такие КПД были получены в узкопо-
лосных клистронах с ограниченным диапазоном пере-
стройки. При необходимости широкой полосы или
широкого диапазона перестройки компромиссное ре-
70% даст возможность найти много новых областей
применения СВЧ-энергии. Высокий КПД имеет осо-
бое значение для таких применений, как СВЧ-нагрев
и передача энергии на расстояние.
4. Клистроны с периодической фокусировкой. Пе-
риодическая фокусировка в многорезонаторных клист-
ронах с использованием как электростатических, так
ниже, что приводит к увеличению допустимой мощ-
ности по сравнению с одним резонатором в я* раз.
Преимущества такой конструкции для получения
большого уровня средней мощности были продемон-
стрированы на клистроне X-диапазона со средней
мощностью 1 MW, в котором использована пятирезо-
наторная двухщелевая резонансная замедляющая сис-
тема [681. Наиболее важным достоинством конструкции
с распределенным взаимодействием является увели-
чение средней мощности клистронов непрерывного
действия при узкой полосе частот.
3.	Высокий КПД. Для нахождения параметров,
определяющих КПД клистронов, была проведена боль-
шая теоретическая и экспериментальная работа [691.
Эта работа проводилась в основном при использовании
недавно разработанных программ для ЦВМ, учиты-
вающих условия большого сигнала. Был создан ме-
увеличении ВЧ-тока в пучке путем использования
комбинации резонаторов основной частоты и второй
гармоники в системе группирователя [701. На экспе-
риментальном приборе для промышленного нагрева
мощностью 50 kW был продемонстрирован КПД 75%
[701. Прибор мощностью 80 kW (фиг. 25), работающий
в диапазоне 800 MHz, имел КПД 70% при микропер-
и магнитных, линз дает хорошие экспериментальные
результаты. Последние достижения в расчетах элект-
ронной оптики позволяют преодолеть трудности ана-
лиза любой конструкции линзы. Эти устройства в на-
стоящее время стали применяться практически при
любых значениях уровней импульсных и средних
мощностей. Очевидными преимуществами являются
уменьшение веса <}юкусирующего магнита и исключе-
ние источника питания для магнита.
Существующее состояние разработок, клистронов
непрерывного действия с электростатической фокуси-
ровкой было описано в работе [71] на примере клист-
рона, работающего на частоте 2,1 GHz и обладающего
мощностью 1 kW в непрерывном режиме и КПД 50%
(фиг. 27). Этот прибор весит лишь 2,27 kg и поэтому
является рекордным с точки зрения отношения мощ-
ность/вес, составляющего 440 W/kg, что почти в 5 раз
ббльше, чем в аналогичном приборе с магнитной фоку-
сировкой однородным полем. В другом приборе вы-
ходная мощность в непрерывном режиме достигает
10 kW на частоте 900 MHz при наличии только воз-
душного охлаждения [72].
Магнитные периодические фокусирующие системы
стали использоваться в клистронах совсем недавно.
' Так, например, МПФС введена в клистроне типа VKX-
7752 — импульсйом усилителе X-диапазона с импуль-
сной мощностью 120 kW и средней мощностью 500W.
В клистронах с МПФС длина области взаимодей-
ных клистронах с фокусировкой постоянными магни-
тами. Клистрон типа VKX-7752 является шестирезо-
наторным, имеет высокое значение произведения уси-
ления на ширину полосы, усиление 50 dB, ширину
полосы 2% и вес лишь 3,6 kg.
Ожидается, что такие преимущества, как малые
габариты, вес и компактность, позволят клистронам
с периодической фокусировкой играть все более важ-
ную роль в качестве высокомощных СВЧ-усилителей
с линейным пучком.
/. Мощный коистрон непрерывного действия. Кли-
строн типа VA-884D представляет собой усилитель неп-
рерывного действия мощностью 14 kW в С-диапазоне.
Хотя данный уровень мощности не представляется
необычным по сравнению с другими усилителями, тем
не менее этот клистрон заслуживает внимания, так
как сочетает свойства, характерные для современных
клистронов. Типовые рабочие характеристики клист-
рона VA-884D приведены в табл. 2. Этот пятирезона-
торный клистрон нашел применение в системах связи
Земля — спутник, работающих на высоких уровнях
мощности в непрерывном режиме. Лампа имеет элект-
ромагнитную фокусировку и жидкостное охлаждение.
Особый интерес представляет механизм канальной
настройки, который является составной частью при-
бора. Клистрон может быть настроен на любой из 10
предварительно выбранных каналов в диапазоне наст-
ройки 5,9—6,45 GHz. Каждый канал имеет полосу
по уровню 1 dB шириной приблизительно 75 MHz.
На фиг. 28 представлена фотография клистрона со
встроенным механизмом настройки (безфокусирующего
магнита). На фиг. 29 показаны частотные характери-
стики, полученные с помощью механизма канальной
настройки.
2. Мощный импульсный широкополосный клистрон.
путем соответствующей расстройки промежуточных
резонаторов в требуемой полосе частот и расширения
ных контуров. Как показывают выражения (18) и
(20), это наиболее просто осуществить при высоких
мощностях и первеансах. Для приборов непрерывного
действия мощностью 10—100 kW можно получить по-

КПД, %
52
36
75
16,5
400—450
145
2,5 10-‘

Частота, GHz
Рабочие характеристики мощного клистрона для стенфордского
линейного ускорителя

КПД, %
2,856
2.5
60—360
24
250
250
50-55
-36
пульсных приборах с импульсной мощностью порядка
мегаватт.
Клистрон типа VA-812C (фиг. 30) — один из наи-
более широкополосных клистронов [731. Его рабочие
характеристики приведены в табл. 3. Плоская харак-
теристика в широкой полосе частот достигнута за счет
того, что резонаторы имеют разные зазоры и нагружен-
ности. Конструкция этого прибора была синтезирована
машинными методами, описанными в разделе HI, В, 5.
Полезно отметить, что необходимая частотная харак-
теристика была получена путем выбора частот и доб-
ротностей резонаторов таким образом, что на комплекс-
ной плоскости частот полюсы характеристики (собст-
венные частоты резонаторов) лежат приблизительно
на эллипсе в соответствии с тем, как требуется для
чебышевской характеристики. Характеристика КПД
в полосе пропускания для режима насыщения клист-
рона при постоянной входной мощности приведена
на фиг. 31. Характерно, что КПД широкополосных

ламп ниже узкополосных вследствие большой вели-
чины первеанса, компромиссного выбора импеданса
выходного резонатора и необходимости настройки про-
межуточных резонаторов для обеспечения широкой
полосы, а не высокого КПД.
3. Узкополосный мощный импульсный клистрон для
линейного ускорителя. Одним из лучших известных
клистронов с высокой импульсной мощностью явля-
ется прибор, созданный специально для стенфордского
линейного ускорителя длиной ~ 3,2 km [74]. Хотя
в лабораторных условиях были достигнуты более вы-
сокие импульсные мощности, но среди серийных клист-
ронов эта лампа (по крайней мере на стандартной
частоте) демонстрирует самую высокую импульсную
мощность. Основная конструкция прибора была раз-
работана в Стэнфордском университете, но впоследст-
вии с некоторыми изменениями этот прибор стал вы-
пускаться рядом фирм (тип 8568 фирмы RCA, тип
L-3980 фирмы Litton Industries, тип SAS-159 фирмы
Sperry, тип Х-3051 фирмы Varian).
Рабочие характеристики этого клистрона предста-
влены а табл. 4. При разработке клистрона на уровень
импульсной мощности 24 MW наиболее трудными проб-
лемами, оказались возможность генерации и опасность,
высоковольтных пробоев.
В связи с трудностями изготовления длинных посто-
. янных магнитов трубы дрейфа были сделаны короче
оптимальных, но при этом несколько уменьшился
КПД. Подавление колебаний монотронного типа дос-
тигнуто соответствующим выбором размеров каждого
резонатора, введением ассиметрии и нагрузок в резо-
наторы. Фиг. 32 иллюстрирует конструкцию этого
клистрона с постоянными фокусирующими маг-
нитами.
IV. МОЩНЫЕ ЛБВ
Наиболее распространенный вид ЛБВ имеет спи-
ральную замедляющую систему. Хотя приборы со
спиральной замедляющей структурой (системой) были
разработаны на уровень выходной средней мощности
до нескольких киловатт, в этой статье рассматри-
ваются только ЛБВ со связанными резонаторами, ко-
торые в силу особенностей конструкции могут работать
при большой мощности.
ЛБВ со связанными резонаторами используются
в случаях, когда ширина полосы клистронов оказы-
вается недостаточной. К таким областям применения
ЛБВ относятся многоканальные системы связи, не-
которые радиолокационные системы и системы радио-
противодействия. ЛБВ со связанными резонаторами
используются в этих системах в качестве выходных
усилителей, а иногда в качестве возбудителей для
усилителей М-типа.
Механизм электронного взаимодействия в ЛБВ ана-
логичен механизму взаимодействия в клистроне. Но-
вым является наличие потока мощности вдоль замед-
ляющей системы. Связь между соседними резонаторами
внению с полосами резонаторов при клистронном типе
взаимодействия. Резонаторы по форме подобны клист-
ронным; связь осуществляется с помощью щелей или
петель в торцевых стенках резонаторов. Благодаря
сильной связи между резонаторами ЛБВ имеет ха-

рактеристику типа полосового фильтра. Важным для
взаимодействия ЛБВ является зависимость сдвига
фввы между соседними резонаторами ют частоты. Если
щели связи создают положительную взаимную индук-
тивность между резонаторами, то получается падаю-
зовая характеристика имеет возрастающий характер
175].
В ЛБВ электронный поток должен взаимодейство-
вать с компонентой поля замедляющей системы, имею-
щей возрастающую фазо-частотную характеристику.
Вследствие периодичности замедляющей системы со
ные поля могут быть выражены математически с по-
мощью разложения Фурье [761. Периодичность замед-
ляющей системы, следовательно, может приводить к
возрастанию некоторых компонент с соответствующими
фазовыми характеристиками, как показано на фиг.
33, где изображен график зависимости угловой час-
тоты (<о) от сдвига фазы (₽£) на один резонатор. Отно-
шение <о к р равно фазовой скорости. Для систем с
положительной взаимной индуктивностью между ре-
зонаторами скорость электронного потока должна быть
приблизительно равна фазовой скорости первой прост-
ранственной гармоники прямой волны. В системах с
отрицательной взаимной индуктивностью взаимодейст-
вие осуществляется при синхронизме между электрон-
ным потоком и компонентой замедленной волны, соот-
ветствующей основной ветви характеристики. На фиг.
33 аакже нанесены линии, определяющие скорости
пучка.
В качестве примеров замедляющих систем ЛБВ, в
которых взаимодействие осуществляется на основной
ветви характеристики прямой волны (имеющих от-
	частотой нагружается на каждом конце либо согласо- ванной нагрузкой, либо входной или выходной ли- ниями. Секции обычно «отделяются» друг от друга таким образом, что связь между ними осуществляется только посредством взаимодействия с электронным пучком при пренебрежимо малой электродинамической связи через пролетный канал. Каскадное соединение секций позволяет получить более высокое усиление лампы, чем при одной секции. Таким способом было
	достигнуто стабильное усиление, превышающее 60 dB в полосе более 30%.
имеют отрицательную взаимную индуктивную связь	С. Теоретические соображения /. Необходимость точного анализа. При разработке мощных ЛБВ особенно желательны теоретические ме- тоды расчетов рабочих характеристик ламп [791. Тео- ретический анализ должен включать оценку усиления
рицательную взаимную индуктивность), можно ука- зать замедляющие системы типов, «клеверный лист» [751 и «сороконожка» [771 (фиг. 34). Системы взаимо- действия на основной прямой волне обычно исполь- зуются в импульсных приборах с импульсной выход- ной мощностью не менее 0,5 MW [781. К примерам сис- тем с положительной взаимной индуктивностью между резонаторами относятся системы, работающие на прост- ранственных гармониках (фиг. 35). Эти системы обычно применяются в импульсных ЛБВ или в ЛБВ непре- рывного действия с выходной мощностью от одного до нескольких сотен киловатт. Другим примером системы с положительной взаимной индуктивностью является система с длинными щелями. Эта система работает на основной пространственной гармонике, но на более высокочастотной моде и используется в приборах с выходной мощностью мегаваттного уровня.	в режиме малого сигнала, КПД и стабильности. Для данной цели необходима аналитическая модель, спе- циально разработанная для ЛБВ со связанными резо- наторами, так как ранее созданные модели спираль- ных ЛБВ в этом случае не являются адекватными [801. Все теории ЛБВ [81—851 содержат некоторый ма- тематический аппарат для описания взаимодействия электронного пучка и электрических Полей системы взаимодействия. Математический аппарат для элект- ронного пучка разработан достаточно полно, и в случае малого сигнала довольно точно описывает явления на основании представления волн пространственного заряда, как было изложено выше. Теория Пирса [811 предполагает непрерывное взаи- модействие с полем бегущей волны в системе. Однако, поскольку это поле непрерывное и непериодическое, такие явления, как генерация, вызываемая краевыми эффектами, не могут быть определены. Другие явле- ния, например, нагруженность пучка и эффекты об- ратной волны, на основании модели непрерывного взаимодействия с электрическим полем описываются неадекватно. Для спиральных ЛБВ и других ламп, имеющих малую величину усиления на единицу длины, теория Пирса дает трчное представление процессов' взаимодействия. При использовании модели для рас- чета ЛБВ со связанными резонаторами - оказывается недостаточным складывать раздельное взаимодействие электрического поля с электронным пучком в каждом
	резонаторе. Различным системам со связанными резо-
Фиг. 35. Замедляющие системы со связанными резонаторами, темы имеют положительную взаимную индуктивную	наторами соответствуют несколько отличающиеся уравнения, которые также отличаются от уравнений, предложенных Пирсом. Поэтому для ЛБВ со связан- ными резонаторами потребовался новый математи- ческий формализм, который и был разработан 1791. 2. Анализ ЛБВ со связанными резонаторами.
Характеристики оптимального взаимодействия по- лучены путем точного.расчета геометрии резонатора. Собственная частота резонатора при отсутствии маг- нитной связи, например, определяет высокочастотную отсечку данного типа взаимодействия. Щель связи в свою очередь определяет форму характеристики ы— Р и, в частности, ширину полосы при данном виде вза- имодействия. Импеданс взаимодействия зависит от высоты резонатора (L), а также от геометрии щели и трубы дрейфа.	• ЛБВ со связанными резонаторами проектируется с ограниченным усилением на группу или секцию резо- наторов для обеспечения стабильности. Каждая секция резонатора для уменьшения изменений усиления с 54	Для системы со связанными резонаторами был разра- ботан формализм ее представления в виде эквивалент- ной схемы [861, как показано (для частного случая) на фиг. 36, где с помощью индуктивности учитывается наличие тока, а с помощью емкости — электрическое поле резонатора. Как видно, эквивалентная схема достаточно проста. Потери могут быть приблизительно учтены добавлением сопротивлений в комбинации с индуктивностями и емкостями. Распределенные по- тери в резонаторах обычно моделируются добавлением сопротивлений последовательно с контурными индук- тивностями. Эквивалентная схема системы со щелями, располо- женными на одной линии, используется для расчета
ЛБВ с замедляющими системами типов «клеверный
“лист» и «сороконожка», а также для ЛБВ, работаю-
щих на пространственных гармониках с замедляю-
щими системами, в которых щели расположены на
противоположное расположение щелей, используется
для расчета ЛБВ, работающих на пространственной
гармонике и имеющих противоположное расположе-
ние щелей, и для расчетов ЛБВ со связанными резо-
наторами с длинными щелями (см. работу 187]). Для
вильные фазовые коэффициенты, чтобы обеспечить
соотношение фаз между системой взаимодействия и
электронным пучком. Эго достигается путем прибав-
ления нужного числа сдвигов фазы на л к расчетному
фазовому сдвигу, полученному из эквивалентной схемы.
Электронный пучок и эквивалентная схема связы-
ваются в аналитической модели путем сочетания двух
факторов. Электронный пучок возбуждает ток в соот-
ветствующих элементах (зазорах резонаторов) экви-
валентной схемы, и электрическое поле каждого
элемента взаимодействия создает модуляцию тока и
скорости электронного пучка. Легко могут быть состав-
лены уравнения полного взаимодействия. При опре-
делении наводимого в системе тока и модуляции пучка
надо использовать действительную конфигурацию
электрического поля, так как эта конфигурация важна
для расчета усиления. Следовательно, необходимо опре-
делить конфигурацию поля по возможности точно
(например, путем решения уравнений Лапласа для
зазора). Интегрирование наводимых токов и опреде-
ление эффектов модуляции затем могут быть осущест-
влены численными методами с помощью ЦВМ.
С точки зрения полей взаимодействия в случае
ЛБВ со связанными резонаторами оказываются спра-
заны для клистронов. Отношение /?шу T/Q для каж-
ристикой качества конструкции резонатора. По срав-
нению с клистронами в случае ЛБВ со связанными
> меньшие значения
резонаторами полу________________________
импедансов резонаторов вследствие меньшей свободы
выбора высоты резонаторов при конструировании.
Типичные значения импедансов резонаторов лежат в
пределах 40—120 Q.
Уравнения для анализа в режиме малого сигнала
можно составить в терминах линейной алгебры с по-
мощью матриц преобразования. Методами матричной
алгебры можно найти решения характеристических
корней в нормальных координатах. С другой стороны,
матричное умножение может быть использовано, чтобы
получить матрицы преобразования для отдельных сек-
ций резонаторов и лампы в целом. Последняя мето-
дика применяется для быстрого определения (на ЦВМ)
усиления в режиме малого сигнала. Матричное умно-
жение особенно удобно для вычислений на ЦВМ, ко-
гда замедляющая система является непериодической.
3. Сравнение теоретических и экспериментальных
результатов в режиме малого сигнала. Расчетные хара-
ктеристики, выполненные с помощью описанного здесь
анализа линейного режима (режима малого сигнала).
показаны на фиг. 37 и 38 в сравнении с эксперименталь-
ными данными приборов. Обе лампы имеют замедляю-
щие системы типа связанных резонаторов и работают
на пространственной гармонике. Как видно из пред-
ставленных данных, хорошее соответствие наблюдается
не только по значениям усиления, но и по общему
ходу характеристик.
Кроме того, могут быть проанализированы скорости
электронов, попадающих в область коллектора, и оп-
ределены характеристики коллектора в режиме по-
ниженного напряжения.
олосной Йвв
,=23 kV; /пу,0,
D. Подход к разработке прибора
/. Обеспечение требуемой ширины полосы и малой
•.изрезанности» характеристик. При разработке при-
бора, предназначенного для определенного применения,
в первую очередь рассматриваются требуемые ширина
полосы и усиление. «Холодная» (без пучка) ширина
полосы замедляющей системы выбирается по вели-
чине, в 1,5—3 раза превышающей требуемую «горячую»
(с пучком) полосу. Для получения нужных значений
усиления и ширины полосы проводятся «холодные»
измерения параметров связанных резонаторов и их
подстройка в сочетании с расчетами. Затем определя-
ется приблизительное число резонаторов. Система
взаимодействия со связанными резонаторами разде-
ляется на секции в соответствии с требованиями полу-
чения высокого КПД от выходной секции прибора и
обеспечения удовлетворительных фазовых и амплитуд-
ных характеристик от каждой секции. Для достижения
высокого КПД (88, 89] выходной "Секции необходимо,
Анализ усиления в режиме малого сигнала также
используется для предварительного определения об-
ласти стабильной работы лампы. Этот анализ предус-
матривает определение полюсов усиления при фикси-
рованных значениях ускоряющего напряжения, пере-
менных токе пучка и частоте. Чтобы определить пре-
дел напряжения относительно его рабочего значения,
исследование проводится при различных напряжениях.
Обнаружено, что этот анализ позволяет предсказать
пусковые токи генерации с хорошей точностью.
4. Анализ ЛБВ со связанными резонаторами в ре-
жиме большого сигнала. Анализ нелинейного режима
(режима большого сигнала) ЛБВ со связанными резо-
наторами требует численных методов интегрирования
подобно тому, как это осуществляется в анализе не-
линейных режимов других типов ЛБВ, с подстанов-
кой уравнений, описывающих замедляющую систему
типа связанных резонаторов, вместо уравнений Пирса.
Кроме того, для повышения точности расчетов могут
быть использованы влияние конфигурации поля в
пределах длины каждого резонатора и результирую-
щее возбуждение обратной волны в замедляющей сис-
теме. Для учета эффектов обратных волн необходим
метод итераций в процессе интегрирования. Последо-
вательные приближения повторяются до получения
сходимости обратной волны по фазе и амплитуде.
Сравнение_расчетных и экспериментальных резуль-
татов для ЛБВ, работающих на пространственных
ные трех последовательных приближений при расчете
частотной характеристики КПД. В первом прибли-
жении обратная волна полагалась равной нулю. Сле-
довательно, согласно полученным данным при расчете
узкополосных ЛБВ со связанными резонаторами, до-
пустимо пренебречь взаимодействием с обратной вол-
ной. Процесс группирования также может быть про-
анализирован для облегчения расчета скачков напря-
жения в пучке или уменьшения скорости в системе.
Такая величина усиления может привести к чрезмер-
ной «изрезанностн» частотной характеристики, если
недостаточно тщательно контролируется качество сог-
ласования системы. Кроме того, фазовые и амплитуд-
ные вариации могут возникать даже при полном сог-
ласовании «холодной» системы взаимодействия 190J;
они образуются вследствие дискретного характера
взаимодействия системы со связанными резонаторами
1911. Установлено, что «идеальным» согласованием
для системы является согласование, при котором сис-
тема оказывается нагруженной на ее «горячий» ха-
Частота, GHz
рактеристический импеданс. Для типичных ЛБВ со
связанными резонаторами этот импеданс по существу
является емкостным и для его учета требуется «хо-
лодное» рассогласование с КСВН, примерно равным
1,5.
Однако не всегда целесообразно нагружать сис-
тему взаимодействия точно на величину «горячего»
импеданса. Система, нагруженная на «холодный» им-
педанс, имеет некоторую остаточную «изрезанное™»
характеристики усиления и фазовой характеристики
от каждой из секций резонаторов. Если одинаковые
секции соединяются каскадно, то «изрезанное™» их
фазовых и амплитудных характеристик могут скла-
дываться и приводить к значительным вариациям
выходных характеристик лампы. При соответствую-
щем подборе числа резонаторов в каждой секции
можно обеспечить такое суммирование фазовых и
амплитудных характеристик отдельных секций, что
меньше «изрезанное™» характеристик отдельных сек-
ций. Этот эффект показан на фиг. 40. При усилении
40 dB «изрезанное™» полученных амплитудных ха-
. рактеристик в режиме малого сигнала в полосе шири-
ной 5% составляла менее 1 dB. В данном случае от-
клонения фазочастотной характеристики от линейной
равнялись приблизительно ±5°.
2. Обеспечение высокого КПД. Усиление ЛБВ со
связанными резонаторами чувствительно к скорости
ряющее напряжение пучка и период системы. Однако
такой подбор не обеспечивает условий наилучшей
передачи мощности на выход лампы, поэтому необхо-
дим дополнительный подбор скорости пучка или пе-
риода системы на выходном конце ЛБВ. Как правило,
такой подбор осуществляется либо путем уменьшения
периодов нескольких последних резонаторов для улуч-
шения обмена энергией [92—94], либо путем увели-
чения напряжения пучка у выхода прибора, что при-
водит примерно к одинаковому увеличению КПД при-
бора 195, 961. Повышение КПД в спиральных ЛБВ
также может быть достигнуто путем увеличения пе-
личения периода необходимо повысить напряжение
на выходной секции. Замедляющая система нормально
ленной волной даже без использования резонаторов
с уменьшенной скоростью.
Как указывалось ранее, обратные волны сущест-
венно влияют на КПД ЛБВ. Это явление вызывается
интерференцией волн напряжения в резонаторах, пред-
шествующих выходному. Для минимизации эффекта
интерференции необходим тщательный подбор изме-
нения скорости.
Полный КПД лампы определяется соотношением
между энергией, преобразованной в ВЧ-колебания, и
энергией, рассеянной коллектором. Для обеспечения
изменения обоих названных факторов в желаемом на-
правлении можно соответствующим образом осуществ-
лять подбор характеристик системы. Оптимизация
ЛБВ со связанными резонаторами по КПД является
трудной задачей.
Для ЛБВ со связанными резонаторами были полу-
чены КПД взаимодействия порядка 10—40%. Эти
значения зависят от уровня мощности, частоты, ши-
рины полосы и повторной синхронизации. При исполь-
зовании рекуперации значения полного КПД состав-
ляли 20—55%. Для достижения максимального КПД
в мощных ЛБВ понижение потенциала коллектора не
всегда возможно. Ограничивающими факторами мо-
гут оказаться ток оседания и выделяемая на системе
взаимодействия мощность, шумы и паразитные коле-
бания, влияние коллектора на амплитуду и фазу сиг-
3. Обеспечение стабильности. При разработке ЛБВ
ется также необходимость обеспечения стабильности.
Возможность возникновения генерации может быть
оценена при расчете усиления. При другом подходе
[97] к оценке стабильности, дающем дополнительное
понимание проблемы генерации, рассматривается мо-
нотронный тип взаимодействия [981. Проблема гене-
рации становится особенно сложной в случае, когда
пучок оказывается почти в синхронизме с волной на
краю диапазона частот. Эго соответствует частоте,
при которой сдвиг фазы на один резонатор составляет
л для замедляющих систем типов «клеверный лист»
и «сороконожка», и частоте, при которой сдвиг фаз
составляет 2я на резонатор для ламп, работающих
монотронного взаимодействия, можно установить, что
наблюдается, когда медленная волна пространствен-
ного заряда синхронна с фазовой скоростью системы.
энергии во внешних нагрузках на концах секций за-
медляющей системы или внутренней нагрузкой сис-
темы. Обычно в ЛБВ с широкой полосой частот можно
пределов стабильности по напряжению.
Для согласования замедляющей системы с нагруз-
ками существует специальный прием, заключающийся
в расстройке резонаторов на концах секции замедляю-
щей системы. Получение распределенной или внутрен-
вить несколькими методами. Наиболее широко исполь-
зуются элементы с резонансными потерями и плазмен-
hal, обладающих потерями. Резонансный способ обес-
печивает селективную зависимость потерь от частоты,
стоянные потери в диапазоне частот.
«холодное» согласование развязок достигается раз-
личными средствами. В приборах, проектируемых на
низкую среднюю рабочую мощность, внутри резона-
торов можно размещать «поглощающие вставки». При
более высоких средних мощностях замедляющие сис-
темы согласуются с волноводными или коаксиальными
линиями, заканчивающимися резистивными нагруз-
ками. Волноводные водяные нагрузки особенно удо-
бны для мощных приборов, если охлаждающей жид-
костью служит вода. В одной из конструкций, разра-
ботанных для этой цели, в качестве нагрузки приме-
няется полый керамический цилиндр, расположенный
поперек секции волновода. Вода, протекающая через
керамический цилиндр, действует как среда с поте-
рями, в которой рассеивается ВЧ-мощность. Нагрузки
такого типа могут быть созданы для поглощения всей
выходной мощности лампы.
Е. Типичные хараитерис
ЛБВ
Рабочие характеристики ЛБВ довольно Похожи на
характеристики клистронов, за исключением лишь
некоторого отличия поведения замедляющей системы
со связанными резонаторами от поведения несвязан-
ных резонаторов клистрона. Наиболее существенным
отличием является форма характеристики ЛБВ, вы-
ражающая зависимость усиления от напряжения пу-
чка. Клистрон, как отмечалось выше, может работать
в широком диапазоне напряжений без значительных
изменений характеристик усиления. Допустимые из-
менения напряжения для ЛБВ зависят от рабочей
ширины полосы лампы. При широкой полосе частот
напряжение пучка должно поддерживаться с большой
Нелинейные свойства ЛБВ со связанными резона-
торами весьма близки к нелинейным свойствам клист-
ронов. Нелинейным элементом является электронный
пучок, который, будучи почти одинаковым для обоих
классов приборов, обусловливает подобие их нели-
нейных свойств.
1. Линейные характеристики. Режим малого сиг-
нала, или линейный режим ЛБВ, может быть описан
исходя из постоянства амплитуды, линейности фазо-
ных колебаний, а также чувствительности к ампли-
тудной и фазовой модуляциям. Характеристика уси-
ления и фазочастотная характеристика могут быть
выравнены внешними способами, если желаемые ре-
зультаты не могут быть получены с помощью выше-
описанных методов. Характеристики шумов и паразит-
ных колебаний, как и чувствительность к амплитудной
и фазовой модуляциям ЛБВ, обычно не поддаются
управлению с внешней стороны вакуумной оболочки.
Характеристика усиления и фазочастотная ха-
рактеристика в режиме малого сигнала для типичной
ЛБВ показаны на фиг. 41. Видно, что «изрезанность»
ки. В то же время характер «изрезанности» данных
характеристик довольно схож. Эта характеристика по-
добна характеристике четырехполюсника с минималь-
ной фазой (см., например, работу 199]). Доказатель-
ство того, что ЛБВ всегда удовлетворяет критерию
минимальной фазы, не было получено, но все ЛБВ
со связанными резонаторами, с которыми проводились
измерения или расчеты, обладали этим свойством.
Если используется устройство с минимальной фазо-
вой характеристикой для выравнивания амплитуд-
ной характеристики, то одновременно будет выравни-
ваться и фазочастотная характеристика.
Коэффициенты шума ЛБВ со связанными резона-
торами обычно составляют 30—35 dB. Шум, измерен-
ный при наличии входного сигнала, имеет характер
усиленного флуктуационного шума, но одновременно
могут обнаруживаться и другие шумовые эффекты,
если измерения осуществляются вблизи несущей часто-
ты. Наблюдаемые эффекты относятся к явлениям ре-
лаксации пучка 1100], которые возникают в связи с
появлением и исчезновением ионов в области пучка.
Как было описано раньше для клистронов, с целью
получения малых шумов и минимизации эффектов
релаксации важно обеспечить высококачественное фор-
мирование и фокусировку пучка. Установлено, что
конструкции, гарантирующие малые пульсации пучка,
обеспечивают и наиболее низкий уровень шумов.
Другими факторами, способствующими возникно-
вению шумов, являются пульсации напряжений пита-
ния. Эти эффекты модуляции аналогичны для клист-
ронов и ЛБВ. Однако ЛБВ, вообще говоря, более
чувствительны к модуляции питающих напряжений,
чем клистроны, вследствие большей длины замедляю-
щей. системы.
Типичные значения чувствительности ЛБВ к мо-
дуляции напряжений приведены в табл. 5; в качестве
примера выбрана ЛБВ с мощностью 10 kW, усилением
60 dB и полосой 5%. Чувствительность ЛБВ к измене- ’
с шириной полосы 5% и усилением 60 dB к изменению	
Напряжение	AM	|	ФМ
ifl |flf? if !!	i	Фм "s	I	” s	*	I	0,5 dB на 1%	30° на 1% 0,1 dB на 1%	5° на 1% 0,15dBHal%	7° на 1% 0,02 dB на 1%,	0,5° на 1% 0,00005 dB на 1% 0,001° на 1% 0,00001 dB на 1% 0,0005° на 1% 2,2° на 1 dB
нию напряжений зависит от ширины ее полосы, уро- вня мощности и усиления, поэтому для разных ламп значения, приведенные в таблице, будут различными. В ЛБВ, работающих в импульсном режиме, обра- зование положительных ионов в электронном пучке может также привести к модуляции. В типичной мощ- ной ЛБВ может произойти изменение по фазе на 60° за время от полного отсутствия ионов до полной ион- ной нейтрализации. Следовательно, при использова- нии ЛБВ в импульсных РЛС, где повторяемость фазы является важным фактором, конструкция лампы дол- жна быть такой, чтобы пучок только частично нейтра- лизовался в конце импульса. При жестких требованиях к стабильности фазы в течение импульса или большой длительности импульсов может возникнуть необхо- димость в исключительно высоком вакууме в лампе. В результате ионной нейтрализации могут иметь место также изменения амплитуд, однако требования, предъя- вляемые к стабильности фазы, обычно вызывают необ- ходимость более строгого контроля ионного состояния, чем требования, предъявляемые к стабильности амп- литуды.,	ной характеристики, кроме тех, которые обусловлены наличием реактивностей и проявляются в режиме малого сигнала. Эго приводит к увеличению «изрезан- ное™» фазочастотной характеристики в нелинейном режиме приблизительно на 5% по сравнению с линей- ным режимом, если коэффициент преобразования ам- плитудной модуляции в фазовую равен 2° на 1 dB. При работе ЛБВ с несколькими сигналами проис- ходит уменьшение полной выходной мощности насы- щения, а также проявление эффектов взаимной моду- ляции и возникновение перекрестных помех между каналами. Как в многочастотном, так и в одночастот- ном режимах усиление шумовых сигналов приводит к аналогичному уменьшению мощности насыщения. Уменьшение выходной мощности насыщения при ра- боте с несколькими сигналами составляет приблизи- тельно 1,5 dB по сравнению с одночастотным режимом. Перекрестная модуляция в усилителе происходит в результате проявления эффектов большого сигнала. При использовании ЛБВ в системах связи может по- требоваться работа на четырех и более несущих часто- тах, и возникающие из-за перекрестной модуляции частотные составляющие создают помехи в полосе
2. Нелинейные характеристики. Для большинства областей применения требуется хорошая работа уси- лителя в нелинейном режиме. В режиме большого сигнала усиление уменьшается приблизительно на 4—6 dB по сравнению с усилением в режиме малого сигнала. Такое поведение ЛБВ очень похоже на по- ведение клистрона (аналогичная зависимость выход- ной мощности от входной). По сравнению с режимом малого сигнала в режиме насыщения (максимально возможная выходная мощ- . ность) при возбуждении на одной частоте уменьшается влияние изменения входной мощности на выходную или уменьшается зависимость выходной мощности от частоты. Этот эффект снижает чувствительность к из- менению амплитуды и шумы в боковой полосе частот в пределах нескольких килогерц от несущей. Для клистронов типичное уменьшение амплитудного шума в боковой полосе составляет 10 dB. При работе в режиме большого сигнала возникают гармоники, которые в выходном сигнале обычно на 30 dB ниже уровня основной частоты. Для получения такого низкого уровня выходных гармоник необходимо достаточно слабое взаимодействие пучка с замедляю- щей системой на частотах гармоник. Если существует взаимодействие на, частоте гармоник, то мощность гармоник может возрасти на 10—15 dB. Моды гармоник обычно устраняются благодаря применению таких конструкций замедляющих систем, в которых взаимо-' действие на гармониках подавлено. Фазовая характеристика (в отличие от амплитуд- ной) не имеет насыщения при больших сигналах. В условиях возбуждения на фиксированной частоте вы- ходного сигнала фаза нарастает с увеличением мощ- ности возбуждения. Это происходит потому, что пучок замедляется в результате обмена энергией с ВЧ-вол- ной. Степень зависимости изменения фазы от измене- ния мощности возбуждения называется коэффициен- том преобразования амплитудной модуляции в фазо- вую. Для ЛБВ со связанными резонаторами типич- ной является максимальная величина 2° на 1 dB при работе приблизительно на 3 dB ниже насыщения [9.11. Преобразование амплитудной модуляции в фазовую в режиме больших сигналов может приводить к до- полнительным отклонениям от линейности фазочастот-	частот систем связи. Типичные результаты измерений, полученные на ЛБВ мощностью 8 kW при работе с двумя различными частотами, показывают, что уро- вень сигналов, появляющихся за счет перекрестной модуляции, на 12 dB ниже мощности насыщения. В условиях более низких уровней возбуждения мощность составляющих перекрестной модуляции уменьшается на 3 dB на каждый децибел уменьшения выходной мощ- ности. Характеристики паразитных колебаний ЛБВ так- ’ же изменяются в режиме больших сигналов. Если лампа возбуждается без входного сигнала при пони- женном напряжении пучка, то уменьшение скорости пучка в выходной части лампы, возникающее в ре- зультате энергетического обмена между пучком и вол- ной, при большом сигнале вызывает генерацию, назы- ваемую генерацией за счет входного сигнала. Это яв- ление может быть устранено при правильном конструи- ровании выходной части лампы. 3. Xарактерисгпики в условиях внешних воздействий. На выходные характеристики усилительной ЛБВ либо клистрона могут также влиять внешние воздействия. Удары или вибрации прибора, приводящие к механи- ческому смещению пушки, замедляющей системы или других элементов, могут вызывать модуляцию ВЧ-сиг- нала. В тех случаях, когда необходима очень низкая спектральная плотность шумов, требования вибро- устойчивости могут привести к значительным трудно- стям при конструировании прибора. Кроме жесткости конструкции, необходимо и полное отсутствие механи- ческих резонансов в диапазоне частот вибрации. Меха- нические резонансы будут вызывать чрезмерную моду- ляцию ВЧ-сигнала и могут привести к разрушению прибора. F. Эксплуатация ЛБВ и устройства защиты Эксплуатация мощных ЛБВ и соответствующие проблемы защиты прибора могут оказаться до некото- рой степени более сложными, чем в случае клистронов. Эго связано с тенденцией мощных ЛБВ и генерации при пониженном напряжении пучка и необходимостью работы с рекуперацией для получения максимального 59
Для рекуперации требуется дополнительный высо-
ковольтный источник питания и, следовательно, до-
полнительный источник запасенной энергии. Мощная
ЛБВ требует довольно сложной аппаратуры для обес-
печения оптимальных характеристик и надежной
работы в течение длительного срока службы.
1. Схемы источников питания. Типичные схемы
источников питания для мощных ЛБВ представлены
на фиг. 42. Каждая из этих схем имеет преимущества
и недостатки с точки зрения защиты и работы ЛБВ.
На фиг. 42, а показана простейшая схема, в которой
замедляющая система (корпус) и коллектор ЛБВ за-
землены. В этом случае либо к источнику питания
должны быть предъявлены жесткие требования отно-
сительно точности стабилизации и пульсаций в соот-
ветствии с требованиями, которым должен отвечать
источник ускоряющего напряжения, либо источники
питания замедляющей системы и коллектора должны
быть разделены, с тем чтобы можно было воспользо-
ваться преимуществами, вытекающими из низкой чув-
ствительности коллектора к модуляциям.
вней пульсаций при последовательном соединении ис-
60
точников питания в схеме, изображенной на фиг. 42,Ь,
в общем случае требуются последовательно включае-
мый стабилизирующий элемент и фильтрация полного
ускоряющего напряжения. При параллельном соеди-
нении (фиг. 42, с) источники питания замедляющей
системы и коллектора полностью разделены.
Если ЛБВ работает с рекуперацией при различных
частотах и уровнях входного сигнала, то стабилизатор
источника питания замедляющей системы должен от-
вечать повышенным требованиям. При отсутствии вход-
ного сигнала токопрохождение может быть близким
к 100%, в то время как при максимальном входном
источника питания замедляющей системы долже'Н под-
держивать необходимое напряжение при изменении
тока нагрузки в пределах 0—10% полного тока пучка
либо должна существовать шунтирующая цепь, обес-
печивающая возрастание тока нагрузки источника
питания замедляющей системы при отсутствии сигнала
на входе ЛБВ. Если ЛБВ работает с постоянным вход-
ным сигналом, проблема стабилизации напряжения
питания замедляющей системы становится не такой
сложной, однако необходимо учитывать, что ток осе-
дания при изменении частоты может меняться в отно-
При работе с максимальной рекуперацией может
возникать взаимодействие между источниками пита-
ния, приводящее к низкочастотным колебаниям, если
блоки питания не сконструированы надлежащим обра-
зом. При некоторых режимах работы изменение ус-
коряющего напряжения может вызывать противопо-
ложное изменение тока оседания, создавая в цепи
питания участок с отрицательным сопротивлением.
2. Защита ЛБВ. Требования к защите ЛБВ не-
сколько выше требований к защите клистронов. Вслед-
ствие возможности возникновения генерации при по-
ниженном напряжении пучка процессы включения
и выключения обычно специфичны для каждой сис-
темы. В системах импульсного или непрерывного дей-
ствия, где предусматривается переключение тока пу-
чка, напряжения обычно подаются в последователь-
ности, при которой ток пучка остается равным нулю
до тех пор, пока не будут поданы все напряжения.
чение осуществляется в обратном порядке. В системах
непрерывного действия, где переключение пучка не-
возможно, включение обычно осуществляется путем
быстрого увеличения напряжений так, чтобы время
достижения стабильных значений напряжений не пре-
вышало десятков миллисекунд. В этом случае важно,
чтобы напряжение на коллекторе возрастало прибли-
зительно с такой же скоростью, как и напряжение на
замедляющей системе.
ВЧ-система также должна быть сконструирована
соответствующим образом для обеспечения оптималь-
ной работы ЛБВ, т. е. получения низкого КСВН на
входе и выходе лампы. Предупредить возникновение
дугового разря-" - ————	—
тектора искрег
поводе, которь
ваемого в выходном вол-
входной сигнал не будет выключен достаточно быстро,
ЛБВ может начать генерировать, и тогда дуга будет
поддерживаться без входного сигнала. Рассогласова-
ния нагрузки и источника обычно поддерживаются
на должном уровне с ломощью циркуляторов, уста-
новленных в непосредственной близости от лампы.
Отсутствие удовлетворительного согласования может
привести к генерации ЛБВ, если рассогласование пре-
высит некоторую величину. «Холодный» КСВН сис-
темы должен быть низким по всей полосе частот. Для
получения номинальных рабочих характеристик мак-
симальная величина КСВН источника и нагрузки обы-
чно должна выдерживаться в пределах 1,15—1, а для
предотвращения повреждений лампы — в пределах
1,5—1 или 2—1.
G. Примеры мощных ЛБВ со связанными
В этом разделе приведены параметры и некоторые
рабочие характеристики ЛБВ со связанными резона-
торами, предназначенных для различных областей
применения. Приборы выбраны для иллюстрации не-
которых характеристик, получаемых на основе раз-
личных методов конструирования, которыебыли рас-
смотрены выше.
/. Мощная ЛБВ непрерывного действия X-диапа-
зона. Примером мощной ЛБВ непрерывного действия
с рекуперацией на коллекторе является прибор типа
VTX-6383 фирмы Varian. На фиг. 43 приведены зави-
симости выходной мощности прибора от частоты для
нескольких уровней входного сигнала. Лампа имеет
диодную (двухэлектродную) пушку с ограниченным
потоком и фокусировкой соленоидом. Как лампы, так
и соленоиды взаимозаменяемы. В ЛБВ, работающей на
пространственной гармонике, используется замедляю-
щая система со связанными резонаторами и положи-
тельной взаимной индуктивностью, состоящая из четы-
рех секций резонаторов. Каждая секция заканчивается
оконечной нагрузкой с водяным охлаждением.В прибо-
ре применяется покрытие Kanthal для создания распре-
деленных потерь в резонаторах и коллектор с большим
внутренним диаметром для улавливания вторичных
электронов. Охлаждающая жидкость подводится к кол-
лектору при помощи изолирующих шлангов. Расчет и
конструкция прибора обеспечивают низкую спектраль-
ную плотность шума. Лампа с соленоидом имеет внеш-
ний диаметр 18 и длину 71 ст. Общий вес прибора с
соленоидом равен 36 kg, потребляемая мощность cog-
г. 43. Зависимости выходной мощности от частоты для ЛБВ
типа VTX-6393. ЕП„О11=19,5 kW; /КО„=2.8 А;
£|«wu—|2.5 kV; мощность возбуждения 40 mW (OdB),
L-5253-01 (с разрешения фирмы₽Ш1оп Industries),™"
тавляет 2 kW. Приборы такого типа используются в
наземной аппаратуре связи и РЛС.
2. Мощная импульсная ЛБВ с низким коэффициен-
том заполнения и фокусировкой МПФС. Примером
прибора, имеющего малый вес и механически жесткую
конструкцию, является ЛБВ типа L-5253-01 фирмы
Litton. Фотография этой лампы представлена на фиг.
44. На фиг. 45 показаны зависимости усиления в ре-
жиме малого сигнала и выходной мощности от часто-
ты. В ЛБВ использована диодная пушка и применен
метод модуляции по катоду. Замедляющая система
работает на пространственной гармонике и состоит из
трех секций резонаторов. Стенки резонаторов изготов-
лены из магнитного материала, который создает фо-
кусирующее магнитное поле. Использование самарий-
кобальтового магнитного материала обеспечивает весь-
ма малый вес прибора. Коллектор работает без реку-
перации. В конструкции применяются «поглощающие
вставки», создающие достаточное затухание на верх-
нем краю диапазона частот для подавления низковольт-
ной генерации. Отклонение фазочастотной характе-
ристики от линейной составляет приблизительно ±5°.
Нагрузки в этой конструкции ЛБВ объединены с
замедляющей системой. Они изготовлены из керамики
с потерями и непосредственно связаны с полями резо-
не. 45. Усиление и выходная мощность в режиме малого сиг-
нала ЛБВ типа L-5253-01 (с разрешения фирмы Litton
VTX-5782.


наторов. Размеры прибора составляют 7,6 ст в попе-
речном сечении и 43 ст по длине, вес лампы примерно
равен 5,5 kg. ЛБВ имеет среднюю выходную мощность
~100 W при кондуктивном охлаждении. Эта лампа
предназначена для использования в бортовых или
наземных РЛС, в качестве возбудителя усилителей
управлением и фокусировкой пучка, осуществляемой
соленоидом. Примером ЛБВ с ееточным управлением
является лампа типа VTX-5782 фирмы Varian. В лам-
пе используется катод с профилированной поверх-
ностью, расположенной соосно с теневой и управляю-
щей сетками, описанными выше в этой статье. К уни-
кальным характеристикам данного прибора относятся:
высокое усиление, высокая средняя мощность и
большая ширина полосы рабочих частот в сочетании
с малым весом и компактностью конструкции. На
фиг. 46 представлена фотография прибора. Зависимость
выходной мощности от частоты и параметры приве-
дены на фиг. 47. ЛБВ работает с 40%-ной рекупера-
,=9,9 kV; £,„„=6,65 kV; /с
цией и КПД, равным ~35%. Величина импульсного
тока управляющей сетки составляет ~0,1 % тока пучка
прибора.
ЛБВ с соленоидом весят 25 kg и имеют размеры
12,7x71 ст- Лампы и соленоиды взаимозаменяемы.
По конструкции данная лампа аналогична выше-
описанной ЛБВ типа VTX-6383, за исключением того,
керамики с потерями. Для охлаждения прибора и
соленоида применен хладагент Coolanol 25. Лампа
станционным доступом с временным уплотнением.
4.	Широкополосная ЛБВ со связанными резонатора-
ми мощностью 1 kW в непрерывном режиме. Примером
широкополосной 1-kW ЛБВ непрерывного действия
является прибор типа М-5654 фирмы Teledyne МЕС.
Лампа имеет выходную мощность, близкую к уровню
минимальной мощности приборов со связанными
резонаторами, работающих на пространственных
гармониках и обладает весьма широкой .полосой про-
пускания. Стабильная работа прибора в диапазоне
напряжения 8,5—13 kV обеспечивается введением эле-
ментов с резонансными потерями и тщательным конст-'
руированием оконечных нагрузок.
На фиг.48 приведена зависимость выходной мощно-
сти от частоты для лампы такого типа. Размеры лампы
составляют 16,3 ст в поперечном сечении и 53,3 ст
по длине, вес прибора и соленоида равен 32 kg,
ширина полосы, при которой достигается номиналь-
ная мощность, около 35%. Рекуперация превышает
ный 30%. Благодаря большой ширине полосы эта
лампа нашла широкое применение в бортовых и на-
земных системах радиопротиводействия.
5.	Мощная импульсная ЛБВ. Примером ЛБВ с
па VA-125A фирмы Varian. В этой лампе применя-
ется замедляющая система со связанными резонато-
рами типа склеверный рист», работающая на основной
прямой волне. ЛБВ имеет импульсную мощность
рабельных РЛС. Параметры этой лампы приведены на
фиг. 49.
ния пучка для ЛБВ типа VA-125A.
Замедляюшая система лампы состоит из двух сек-
ций резонаторов, заканчивающихся внутренними раз-
вязками, вблизи которых расположены оконечные
нагрузки, состоящие каждая из четырех керамических
«поглощающих вставок», .заменяющих металлические
выступы в обычном резонаторе типа «клеверный лист».
В лампе применяется диодная пушка с импульсно-
катодной модуляцией. Фокусировка пучка с ограни-
ченным потоком осуществляется соленоидом, коллек-
тор заземлен.
6.	Мощная ЛБВ, работающая в диапазоне милли-
метровых волн. Блестящим примером мощной ЛБВ со
связанными резонаторами, работающей в диапазоне
миллиметровых волн, является прибор типа 819-Н
фирмы Hughes Aircraft Company. Мощность ЛБВ,
работающей в непрерывном режиме с рекуперацией,
составляет 5 kW в диапазоне 55 GHz при ширине
полосы 2% и КПД 34%. В приборе отсутствует раз-
вязка и распределенные потери. Стабильность обуслов-
лена узкополосностью системы и потерями, характер-
ными для приборов миллиметрового диапазона волн.
Применение пучка с микропервеансом 0,1 способ-
ствует понижению требований, предъявляемых к маг-
♦иг. 50. ЛБВ со связанными резонаторами мощностью 5 kW
в диапазоне 55 GHz, тип 819Н (с разрешения фирмы
нитному полю, и позволяет увеличить размеры сис-
темы в большей степени, чем это было бы в случае
использования пучка с более высоким первеансом.
Применение пучков с низким первеансом типично для
приборов, работающих в диапазоне миллиметровых
Получение непрерывной мощности 5 kW на частоте
55 GHz возможно, по-видимому, только в случае за-
медляющей системы ЛБВ со связанными резонаторами.
Клистроны ограничены по уровню мощности, дости-
гаемому в диапазоне миллиметровых волн, вследствие
влияния эффекта тепловой расстройки. На фиг. 50
представлена фотография прибора 819Н.
V. ГИБРИДНЫЕ ПРИБОРЫ
Исследовано несколько гибридных приборов, в
которых использовались комбинации элементов клист-
ронов и ЛБВ, для улучшения рабочих характеристик
по сравнению с характеристиками, которые можно по-
лучить от каждого типа прибора отдельно [101—1031.
Единственным гибридным прибором, нашедшим широ-
рона (возбуждающая секция) представляет собой мно-
горезонаторный клистрон, а выходная — ЛБВ [см.
ной мощности имеет ширину полосы, КПД и плоскую
характеристику усиления, значительно превосходя-
щие соответствующие параметры обычного клистрона
или только одной ЛБВ. Усилительный твистрон явля-
ется прибором высокой импульсной мощности, пре-
вышающей несколько сотен киловатт.
Чтобы оценить преимущества данного гибридного
прибора, необходимо рассмотреть ограничивающие
факторы клистронов и ЛБВ в отдельности. Увеличе-
образом за счет уменьшения добротности резонаторов.
личины. Низкую добротность проще получить в секции
возбуждения клистрона, чем в выходном резонаторе,
поскольку резонаторы секции возбуждения могут
ности. Основным недостатком клистрона является ог-
раничение ширины полосы выходного резонатора; на-
грузка, превышающая оптимальную, уменьшает КПД.
В клистроне мощностью 1 MW можно получить ши-
рину полосы, равную ~5%, а при мощности 10 MW—
порядка 10%.
В ЛБВ мощностью выше 500 kW используются
замедляющие системы, работающие на основной пря-
мой волне. Данные системы имеют более широкую
полосу по сравнению с выходными резонаторами клист-
рона, хотя эта разница значительно меньше выражена,
чем при уровне мощности несколько киловатт. На
уровнях мощности порядка 1 MW и выше замедляю-
щие системы, работающие на основной прямой волне,
обеспечивают полосу 10—15%. Однако эти типы за-
медляющих систем («клеверный лист», «сороконожка»)
имеют значительную дисперсию. Высокий КПД может
быть достигнут в пределах всей рабочей полосы частот,
но усиление значительно падает на краях рабочего
диапазона.
На фиг. 51 показан разрез типичного усилитель-
ного твистрона S-диапазона. Выходная секция, обра-
зованная ЛБВ с замедляющей системой типа «клевер-
ный лист», предназначена в основном для получения
высокого КПД в требуемой ширине полосы. Усиление
на краях полосы на 6—10 dB ниже, чем в центре. В
качестве возбуждающей секции прибора использован
четырехрезонаторный клистрон с расстроенными кон-
турами, имеющий характеристику усиления, допол-
няющую характеристику усиления выходной секции
(фиг. 52). Комбинация двух секций создает относи-
тельно плоскую характеристику усиления по всему ди-
апазону частот. Плоская характеристика усиления и
высокий КПД получены в гибридном приборе благода-
тельноготвист|)она С-диапазона.тип V А-^б.У^ 138kV
ря более эффективному группированию в клистроне на краях полосы, где усиление выходной замедляющей системы низкое. Другое преимущество гибридного прибора перед обычной ЛБВ заключается в том, что резонаторы входной клистронной секции легко наст- раиваются, а характеристика усиления и фазовая характеристика могут быть оптимизированы во время работы прибора. Конструкция усилительного прибора рассчитана с помощью методов, описанных в двух предыдущих разделах. Для расчета клистронной секции, создаю- щей модуляцию по скорости и току, на входе замед- ляющей системы используется анализ волн пространст- венного заряда в режиме малого сигнала. Возбуждение, нарастание волн и последующее насыщение могут быть рассчитаны так же, как и в случае ЛБВ. Величины импульсной и средней мощности усилительных твист- ронов аналогичны величинам мощных клистронов. Усилительные твистроны применяются главным об- разом в мощных наземных или корабельных передат- чиках РЛС. Разработаны приборы, работающие в S- и С-диапазонах с импульсной мощностью 1 — 10 MW, и со средней мощностью ~30kW 11051. В табл. 6 приведены типичные рабочие параметры прибора. Ука- занные уровни средней мощности можно увеличить почти на порядок до проявления принципиальных	
Т.п прибора	VA-I45 | VA-9I5O | VA-146 | VA-145LV
этот, GHz КПД. %	И m<THkWb В°3буЖДе	^2,9-3,1 3,1—3.6 5,4—5,9 3,1—3,5 3,5	7,0	4,0	1,0 7,0	28,0	10,0	1,0 10,0	40,0	20,0	50,0 35,0	30,0	30,0	30,0 117,0	180,0	140,0	80,0 80,0	150,0	95,0	45,0 0.3	3.0	2,0	1,0
ограничений, связанных с ВЧ-потерями системы и
перехватом пучка. На фиг. 53 представлена типичная
диапазона. Величина КПД сравнима с величиной
КПД, которую можно, получить в клистроне (около
40% Bi средней части диапазона). Однако ширина по-
лосы прибора приблизительно на 50% выше той, ко-
ной мощности и того же диапазона. Полный перепад
усиления при постоянной входной мощности состав-
соответствующей ЛБВ.
Поскольку основное усиление создается клистрон-
ной секцией, усиление усилительного твистрона зна-
чем усиление ЛБВ. При изменении напряжения на
10—20% характер зависимости усиления и фазы от
говоря, усиление и фаза не так однородны, как 9то
при более низкой мощности. Вследствие использо-
вания расстроенных резонаторов во входной секции
• на характеристиках твистрона наблюдаются неров-
ности, соответствующие собственным частотам резона-
на ±10° необходимы специальные меры.
Возможность параллельного размещения несколь-
двух типах приборов — многолучевом клистроне 1106)
и многолучевом клистроне бегущей волны [107—108].
Многолучевой клистрон имеет ряд электронных пуч-
ков, каждый из которых проходит через систему взаи-
модействия многорезонаторного клистрона; резонаторы
соседних клистронов связаны друг с другом. Расстоя-
ние между пучками, приблизительно определяемое
размерами ВЧ-резонатора (Хо/2), очень мало, поэтому
используется общий фокусирующий соленоид для всех
пучков. При такой конструкции довольно сложно
получить мощные пучки с хорошей фокусировкой.
Кроме того, максимальное число пучков ограничено
прибор способен выдавать мощность, превышающую
мощность одиночного клистрона оптимальной конст-
рукции. Однако многолучевой клистрон может быть
использован для получения заданной мощности при
более высоком общем первеансе (являющемся суммой
лучевых приборах, и это позволяет работать при более
низком напряжении. Многолучевые клистроны в на-
В многолучевом клистроне типа бегущей волны
системы взаимодействия образованы волноводами, в
которых энергия распространяется перпендикулярно
направлению потока пучка (фиг. 54). Ширина полосы
определяется размерами используемых волноводов
(нагруженных на зазоры взаимодействия); ширина
полосы может быть довольно большой, что и явля-
ется главной причиной заинтересованности, прояв-
ляемой к этому прибору. Для обеспечения широко-
полосное™ каждого зазора импеданс должен быть ниже
импеданса, соответствующего высокому КПД в обыч-
ном однолучевом приборе. Поэтому требуется введение
секции предварительного усиления, в которой ВЧ-
напряжение нарастает до уровня, отвечающего мак-
симальному КПД. Число пучков, необходимых в этой
чению ширины полосы относительно полосы однолу-
чевого клистрона. Средний КПД для клистрона с
двумя уровнями (два волновода с зазорами взаимодей-
ствия) уменьшается на%0% за счет этой секции. Даль-
нейшее уменьшение КПД происходит в том случае,
если вдоль пучка добавлены промежуточные зазоры.
Следовательно, практически клистрон бегущей волны
ограничивается тремя волноводами. Для получения
постоянного напряжения в выходном зазоре, когда
импеданс волновода должен плавно уменьшаться в
направлении потока мощности. Вследствие кумуля-
тивного характера процессов в обоих направлениях
(по пучкам и волноводам) конструкция весьма крити-
чна, и необходимо точное понимание процесса взаимо-
действия в каждом зазоре.
Из нескольких разработанных экспериментальных
многолучевых клистронов бегущей волны наиболее
удачным оказался 12-лучевой импульсный - прибор,
работающий в S-диапазоне. Импульсная мощность
этого прибора равна ~5 MW (коэффициент заполнения
0,001) при ширине полосы 15%, усилении 20 dB и
КПД немного ниже 20%. Такой тип прибора неприго-
ден для получения импульсной мощности ниже
10 MW в связи с необходимостью иметь длинные секции
предварительного усиления, введение которых не оп-
равдано при меньших мощностях. Если трудности
фокусировки пучка будут преодолены, то удастся реа-
лизовать преимущества многолучевого клистрона с
бегущей волной по широкополосности (ширина по-
лосы 10—20% при уровне импульсной мощности около
10 MW, усиление 20 dB, предельный КПД около 30%).
Хотя такие приборы еще не нашли применения, тем
когда невозможно получить требуемую ширину по-
В лампе с быстрой волной взаимодействие проис-
ходит между волной в волноводе, имеющей фазовую
скорость выше скорости света, и пространственно-
периодическим электронным пучком. Поскольку в
этих лампах используются гладкие волноводы со зна-
- в клистронах или в обычных замедляющих системах,
они представляют значительный интерес для приме-

нения при больших уровнях мощности и (или) высо-
ких частотах. В настоящее время практических ламп
с быстрой волной не существует, однако в будущем для
удовлетворения требований высокой средней мощности
на ВЧ возможно дальнейшее развитие этого направле-
Для достижения нарастающего взаимодействия не-
обходима либо непрерывная, либо периодическая связь
между пучком и ВЧ замедляющей системой. Этого
нельзя достигнуть с помощью однородного пучка,
ограниченного скоростями ниже скорости света. Од-
нако пучок, постоянные параметры которого (величина
и направление скорости электронов) находятся в пе-
риодической зависимости от расстояния, будет распро-
странять волны пространственного заряда и (или)
циклотронные волны, состоящие из пространственных
гармоник, часть из которых имеет фазовые скорости
медляющей системе. На фиг. 55 приведена диаграмма
<0—₽ для периодического пучка и волны гладкого
волновода. Взаимодействие происходит на частотах,
где линии гармоник пучка пересекают фазовую ха-
рактеристику волновода. Обычно представляет ин-
терес взаимодействие на первой гармонике пучка.
Схема взаимодействия проста, но возникают боль-
шие практические трудности, связанные с созданием
периодичности пучка, необходимой для получения
для эффективного взаимодействия.
Исследовался целый ряд способов создания пери-
одических пучков: прямолинейного пучка с перио-
дическим изменением скорости [1091 (получаемого в
результате прохождения через электростатические лин-
зы), пучка, инжектируемого под углом к оси волно-
вода, в результате чего образуется спиральный пучок
[1101, и осесимметричного пучка, инжектируемого в
волновод круглого сечения таким образом, что он
пульсирует в сильном однородном магнитном фокуси-
рующем поле [111]. Наиболее многообещающим уси-
лителем с быстрой волной является прибор типа «уби-
трон» (взаимодействие с пульсирующим пучком) (112,
1131. В этом приборе, показанном на фиг. 56, исполь-
зуется полый электронный пучок. Переменное магнит-
ное поле создается с помощью чередующихся железных
и медных дисков, расположенных в волноводе круглого
сечения. В этом волноводе распространяется круговая
электрическая волна типа ТЕ10. Вся система заключена
в фокусирующий соленоид. Взаимодействие происхо-
дит между азимутальной компонентой движения элек-
тронов в периодическом магнитном поле и азимуталь-
ным электрическим полем волновода. Прибор отдает
в импульсе мощность 150 kW (при низком коэффици-
енте заполнения) на частоте 54 GHz при усилении
7 dB в режиме насыщения. Продвижение в область
более высоких частот ограничивается насыщением
полюсных наконечников. Диаметр пролетной трубы
в этом приборе равен 1,1 ст, т. е. приблизительно в
10 раз больше, чем в приборе с медленной волной, что
указывает на возможность получения очень больших
импульсных и средних мощностей на частоте 50 GHz
и более низких частотах.
VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мощные приборы с линейным пучком нашли широ-
ники, где требуются мощности от нескольких сотеи
ватт до мегаватт в диапазоне от УВЧ до СВЧ. В даль-
нейшем эти приборы, по-видимому, займут прочное
положение в передатчиках систем связи, где встретят
наименьшую конкуренцию со стороны других типов
приборов, таких, как лампы с сетками и лампы со*
скрещенными полями. В РЛС и аппаратуре радиопро- _
тиводействия по-прежнему будут использоваться маг-
нетроны или усилители М-типа в зависимости от тре-
буемых характеристик. Область промышленного СВЧ-
нагрева, где до сих пор господствовали магнетроны,
стала доступной и клистронам благодаря последним
достижениям в направлении увеличения КПД прибора.
Мощные приборы с линейным пучком в настоящее
время хорошо изучены. Погоня за более высокими мощ-
ностями, характерная для последних двух десятиле-
тий, в настоящее время почти закончилась. За исклю-
чением очень высоких частот (миллиметровые волны),
один прибор может выдавать более высокую мощность,
чем требуется для современных систем. Основными
задачами являются увеличение ширины полосы и
уменьшение веса и размеров ламп. Однако наиболее
важной задачей продолжает оставаться задача повы-
шения КПД. Ббльшая часть фундаментальных иссле-
дований концентрируется в этом направлении. В об-
ласти клистронов уже достигнуты значительные
66
успехи (КПД до 75%). В области ЛБВ, коотрые явля- ются более сложными приборами, работа по увеличе- нию КПД находится на сравнительно ранней стадии. Путем применения машинных расчетов на основе су- ществующих программ для режима большого сигнала может быть достигнуто существенное повышение эф- фективности основного взаимодействия. Эксплуатационные параметры прибора, которые в прошлом считались второстепенными, в настоящее время играют весьма важную роль в системных при- менениях. Сюда относятся требования по усилению очень малых сигналов, линейности фазочастотной характеристики, низкой чувствительности к величи- нам рабочих напряжений и токов и малый уровень шума (втом числен при наличии внешних воздействий). Достижения в данном направлении будут играть воз- растающую роль при выборе приборов для систем будущего. Благодаря простоте конструкции и небольшой сто- имости предпочтение часто отдается клистронам, если ширина полосы оказывается достаточной. Однако для многих более новых систем требуется более широкая полоса. Этому требованию удовлетворяют ЛБВ и гибридные приборы. Последние достижения в области .клистронов, такие, как уменьшение веса за счет при- менения МПФС, расширение полосы с помощью систем взаимодействия типа фильтров, использование распре- деленного взаимодействия и пучков с высоким перве- ансом могут привести к изменению этой тенденции.	New York: Academic Press, 1951. Ironies. New York: McGraw-Hill, 1964. [3] M. Chodorow and T. Wessel-Berg, “A high-efficiency klystron with (4] A. D. LaRue and R. R. Rubert, “Multi-megawatt hybrid TWT’s ment," Final Tech. Rep., Varian Associates, Rep, RADC-TR-69- 388, Mar. 1970. |7) Р^Пирс, "Теория (^расчет электронных пучков", изд-во |8] Гехтель, Сигер, «Область применения и точность реостатной моделирующей установки, используемой для решения урав- нений Лапласа и Пуассона», ГИРИ. т. 49. №5, стр. 1091- 1099 (май 1961). program,1^NASA Lewis Res. Cen., NASA Tech. Note D-3394, Apr.
ОТ АВТОРОВ	B^ISyrLTKA^voL^^Ss^To^d" *Un' °f the ИеГСе 1УРе’
Авторы выражают благодарность своим коллегам из фирмы Varian и других организаций за предостав- ленные материалы для данной статьи. Особую благо- дарность авторы выражают Лину за просмотр черновых материалов и многие ценные предложения, а также Джину, под руководством которого группа, занимаю- щаяся изданиями технических статей, подготовила рукопись к печати.	Пирса, вызванного тепловыми эффектами и пространствен- । ным зарядом». ТИИЭР, тЛ>7, №3, стр. 114—115(март 1969). шой сходимостью». ТиРИ,'**™, № 8? стр. ^О-ЛМЙ (август 1962). (17) Е. McCune, “A 250-kW CW X-band klystron,’ Varian Associates, Meet., Washington, D.C., Oct. 18-20, 1967.^	.
	[19] L. A.’ Harris, “Toroidal electron guns for hollow beams,” J. Appl.
Арманд Стапранс родился в Латвии в 1931 г. Имеет степень до- ктора философии в области электротехники. С 1955 по 1957 г. работал ассистент-исследоватслем в лаборатории СВЧ-приборов Калифорнийского университета, где занимался плоскими пучка- ми в скрещенных полях, периодическими электронными пучками и взаимодействием с быстрыми волнами. С 1957 г. сотрудничал в фирме Varian Associates, где занимался мощными клистронами гибридными приборами и ЛБВ со связанными резонаторами В настоящее время является руководителем фирмы Varian по раз- работкам ЛБВ со связанными резонаторами н усовершенство- ванных клистронов. Имеет ряд статей по распространению волн пространственного заряда, мощным широкополосным клист- ронам, гибридным приборам с бегущей волной, электронным пуш- кам, пробоям в вакууме. Эрл Маккьюн родился в 1934 г. С 1956 по 1958 г, принимает уча- стие в работах фирмы Varian Associates, Пало-Альто, шт. Кали- форния, в области разработки усилительных клистронов. В на- стоящее время является штатным сотрудником фирмы Varian и занимается мощными СВЧ-приборами. ? области электротехники. С 1950 по 1953 г. сотрудничал в фирме Varian Associates, Принстон, шт. Нью-Джерси. С 1953 по 1957 г работал в качестве ассистент-нсследователя в научно-исследовательской лаборатории электроники Стенфорд- ского университета. С 1957 г. является сотрудником фирмы Va- rian Associates, Пало-Альто, шт. Калифорния, и занимается в	Phys., vol. 30, pp. 826-836, June 1959.* |M| tries, San CarlOT^ CaHL? ContractОЛЗв-039^С-87313?May "1966. Congr.), pp. 583-586, 1963.' ' along magnetron injection beams,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-12, pp. 332-343, June 1965. (2Ы ^онХо’пр^же^раГ^М^Ть иГмЗ»йр*186^Гв7 (27] R. J. Bondley, “High emission density thermionic cathodes,” in Monmouth, N.J., May 24 and 25, 1967). (28) L. A. Harris, “Closely-spaced, aligned grids in vacuum tubes,” IRE Trans. Electron Devices, vol. ED-8, pp. 481-488, Nov. 1961. lion (Amsterdam, The Netherlands, Sept. 1970), pp. 5-28-5-33, 67




Proc. ZRE? vol.

[64]-------, “A 1

June’1972.	’ °' ED 19' P₽ 782 797'
(36) J. L. Rawls, J. R. Ashley, and W. P. Kolb, “PPM focusing of con-
।	1288, Oct'1954. °S,a,iC field"’ J Aptl' Phys- vo1 2S- pp' 1281
Iron Dnices, vol. ED-14, pp. 201-206, Apr. Г967.
ED-13, pp. 439-447, Apr. 1966.




I,” Proc. IRE, vol. 45, pp. 1106-1118, Aug.
York'; Dover, 1953.
[7 ] A.JJRSePt 2dWUlF*l962> “ (	80 M°nmOUth'





радио», M-, 1952.
•„Tech. Note81966-19,nEeb.8'9, 1966.
' 1 waves/ Proc.'IRE. vol. 35, pp. J24-127,Feb. 1947.. ”


 [59] G. M. Branch, Jr., T. G. Mihran, W. Neugebauer, and W. J. Pohl,
193-207, May uSt' T Е1еС,Г0" Dmcts- voL ED 81 »₽•
[90] S. O. Wallender, “Reflexions and gain ripple in TWTV"' 7EEE
(91) W. A. Harman, K. Slocum, and J. A. Ruetz, “High power TWT for








1 ' New York: Van Nostrand, 1945.	d P. С. К ^d 11, “L.

Proc. IRE (Corresp.), vol. 42, p. 263, Feb. 1960.
[103] A. J. Lichtenberg, “Prebunched beam traveling-wave tube studies,
i Dnices, vol. ED-9, pp. 345-351, July 1962.
Meet., Washington, D.C., Oct. 1964.
pp. 247-252, Ma^1962.'
klystron," Final Rep., General Electric Co., Tech. Rep. ECOM-
00007-F, Oct. 1967.