Люминесценция, электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ).

  Люминесценция – это нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

  ЭЛИ предназначены для отображения различной информации в системах управления и контроля. В них используется явление электро-люминесценсии, состоящее в том, что некоторые вещества способны излучать свет под действием электрического поля. По устройству ЭЛИ представляют собой плоский конденсатор (рис. 11.11). На металлический электрод 4 нанесён слой диэлектрика 3 – органической смолы с люми- несцирующим порошком, основу которого обычно составляет сульфид или селенид цинка. Добавление к люминофору активаторов позволяет получать различный цвет свечение: зелёный, голубой, жёлтый, красный, белый. Сверху люминесцирующий слой покрыт электропроводящей прозрачной плёнкой 2. Для предохранения от внешних воздействий служит стеклянная пластинка 1. Если к электродам 4 и 2 приложить переменное напряжение,  то под действием электрического поля в слое 3 возникает свечение.

                            

                Рис. 11.11. Принцип устройства ЭЛИ.

 

  Прозрачный электрод 2 сделан из оксида олова и является сплошным,  а электрод 4 имеет форму цифр, букв или сегментов для получения синтезированных знаков или геометрических фигур. Электрод 4 может быть растровым, состоящим из ряда полос или матричным с большим числом точечных элементов. Они дают светящее изображение на тёмном фоне или тёмное изображение на светящемся фоне. Могут быть одноцветными или многоцветными.

  Наиболее распространены буквенно-цифровые сегментные индика-торы. Для изображения цифр они имеют от 7 до 9 сегментов, а инди-каторы с 19 сегментами позволяют высвечивать все цифры и буквы русского и латинского алфавита. Обычно ЭЛИ оформляются в пласт-массовых корпусах. Для питания их применяется переменное синусо-идальное напряжение 220 В частотой от 400 до 1200 Гц. Линейные размеры высвечиваемых знаков могут быть от единиц до десятков мм и в зависимости от этого потребляется ток от десятых долей mА до десятков mА. Срок службы ЭЛИ составляет несколько тысяч часов. Рабочая температура окружающей среды допускается от - 40° до +50°С. Достоинства ЭЛИ – малая потребляемая мощность при относительно высокой яркости изображения, плоская конструкция, высокая механическая прочность, большой срок службы. Недостаток ЭЛИ – сложная система управления.

 

     2. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ).

  Принцип работы ЖКИ основан на использовании жидких кристаллов, открытых в ХIX веке и представляющих собой некоторые органические жидкости с упорядоченным расположением молекул, характерным для кристаллов. Известно большое число жидкокристаллических веществ (например, холестерин). Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля напряжённостью 2 ÷ 5 кВ/см структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно и жидкость становится непрозрачной.

  Эти индикаторы работают либо в проходящем свете, либо создан-ном каким-либо специальным источником, либо в свете любого источ-ника (искусственного или естественного), отражающегося в индикаторе. Рассмотрим последний наиболее распространённый тип ЖКИ           (рис. 11.12.). Индикаторы такого типа применяются в наручных электронных часах, микрокалькуляторах. Между двумя стеклянными пластинками 1 и 3, склеенными с помощью полимерной смолы 2, нахо-дится слой жидкого кристалла 4 толщиной 10 ÷ 20 мкм. Пластинка 3 покрыта сплошным проводящим слоем 5 с зеркальной поверхностью.

    

          Рис. 11.12. Принцип устройства и работы ЖКИ.

 

На пластинку 1 нанесены прозрачные слои А, Б, В, от которых сделаны выводы (не показаны на рисунке). Эти электроды имеют форму цифр или букв, или сегментов для синтезирования различных знаков. Если на знаковые электроды напряжение не подано, то жидкий кристалл прозрачен, световые лучи внешнего естественного освещения проходят через него, отражаются от электрода 5, выходят обратно и никаких знаков не видно. Но если на какой-то электрод (например, А) подано напряжение,  то жидкий кристалл под этим электродом становится непрозрачным, лучи света не проходят через эту часть жидкости 6 и тогда на светлом фоне виден тёмный знак.

Достоинства ЖКИ: - экономичность: ток, потребляемый для воспроизведения одного знака, не превышает 1 мка. Долговечность ЖКИ составляет десятки тысяч часов.

  Недостаток этих индикаторов – низкое быстродействие. Время появления и исчезновения знака, т.е. время перехода молекул жидкого кристалла из упорядоченного расположения в беспорядочное или обратно доходит до 200 мс.

 

             ЛЕКЦИИ 31. ДИСПЛЕИ, ОПТРОНЫ.

                                   3. Дисплеи.

  Дисплеи – это оконечные устройства информационных систем, служащие для визуального изображения информации и связи человека с машиной.

  Все дисплеи можно разделить на две группы: излучающие свет и модулирующие свет.

  Светоизлучающие дисплеи должны давать свечение достаточной яркости. Особенно большая яркость необходима, если дисплей приме-няется при солнечном освещении. Важен цвет свечения: глаз человека наиболее чувствителен к жёлтому и жёлто-зелёному цвету. Изображение должно быть контрастным. Чем выше отношение максимальной яркости к минимальной, тем выше контрастность. Желательна широкая диаграмма направленности дисплея, т.е. возможность хорошей видимости изображения под разными углами зрения.

  Для управления работой дисплеем применяются токи и напряжения различного вида и амплитуды. Желательна меньшая мощность потреб-ления. Дисплеи, работающие с устройством на ИМС, должны питаться напряжением U  30 В. У дисплеев большого размера, потребляющих значительную мощность, важен высокий к.п.д. Высокое быстродействие   для дисплеев не требуется, т.к. глаз человека не может различить изменения, происходящие быстрее, чем за 0,1 сек. Разрешающая способ-ность дисплея оценивается минимальным размером наблюдаемого элемента. Это может быть квадрат со стороной не менее 50 мкм.

                  Основные типы светоизлучающих дисплеев:

- в электронно-лучевых дисплеях используются электронно-лучевые трубки.

- дисплеи на светоизлучающих диодах имеют небольшие линйные размеры (несколько см) и низкое напряжение питания U  5 В.

- дисплеи на газоразрядных элементах (плазменные) имеют две взаимно перпендикулярные системы электродов в виде проводящих полос. Между электродами инертный газ – неон, ксенон или смесь газов. Такие системы называют газоразрядными индикаторными панелями. Дисплеи с электродами в виде полос могут иметь различное число электродов. Разрешающая способность характеризуется числом линий на 1 мм. Неон даёт оранжевое свечение. Иногда на подложку, на которой расположены электроды, наносят люминофор, дающий свечение другого цвета. Питание этих дисплеев возможно постоянным или переменным током.

- дисплеи на ЭЛИ

                Основные типы светомодулирующих дисплеев:

- жидкокристаллические дисплеи потребляют малую мощность, дают хорошую видимость изображения, даже при высоком уровне внешней освещённости, имеют низкую стоимость, бывают малого и большого размера.

- электрохромные дисплеи, принцип работы их основан на электрохромном эффекте, который заключается в том, что некоторые вещества под действием электрического поля или при прохождении тока изменяют свой цвет. Таким веществом является триоксид вольфрама W . Его плёнка под напряжением приобретает синий цвет. Для этого надо напряжение 0,5 ÷ 1,5 В. При перемене полярности напряжения плёнка приобретает исходный цвет. Эти дисплеи имеют малую мощность потребления и обладают «памятью» некоторое время (минуты и даже  часы) без потребления мощности. Так как электрохромные дисплеи на W  имеют низкое быстродействие и небольшой срок службы, то ведутся работы по созданию других типов дисплеев и по поиску других веществ, обладающих электрохромным эффектом.

- электрофорезные дисплеи, принцип работы их основан на явлении электрофореза, которое состоит в том, что под действием электрического поля в жидкости перемещаются взвешенные частицы (частицы пигмента в окрашенной жидкости), притягиваясь к какому-то электроду или отталкиваясь от электрода в зависимости от знака потенциала. Жидкость выбирается с хорошими диэлектрическими свойствами для уменьшения тока потребления. Пигмент выбирается по цвету резко отличным от жидкости. Напряжение на электрофорезном дисплее – десятки вольт. Срок службы достигает десятков тысяч часов. Быстродействие электрофорезных дисплеев низкое.

 

                                    4. Оптроны.

  Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приёмник излучения, имеющие между собой оптическую связь.

  В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприёмник и создают в нём снова электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приёмник излучения, то его называют оптопарой. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополни-тельными согласующими и усилительными устройствами, называется оптоэлектронной интегральной схемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются электрические сигналы, а связь входа с выходом осу-ществляется световыми сигналами. Цепь излучателя является управля-ющей, а цепь фотоприёмника – управляемой.

                     Важнейшие достоинства оптронов:

- отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприёмником и излучателем. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать  Ом, а проходная ёмкость не превышает 2 πФ и в некоторых оптронах снижается до малых долей пикофарада.

- широкая полоса частот пропускаемых колебаний, возможность пере-дачи сигналов с частотой от 0 до  Гц.

- возможность управления выходными сигналами путём воздействия на оптическую часть.

- высокая помехозащищённость оптического канала, т.е. его невосприим-чивость к воздействию внешних электромагнитных полей.

- возможность совмещения в РЭА с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

                         Недостатки оптронов следующие:

- относительно большая потребляемая мощность, из-за того что дважды происходит преобразование энергии, причём КПД этих преобразований невысок.

- невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость.

- заметное «старение», т.е. ухудшение параметров с течением времени.

- сравнительно высокий уровень собственных шумов.

- необходимость применения гибридной технологии вместо более удобной и совершенной планарной (в одном приборе объединены источник и приёмник излучения, сделанные из разных полупроводников).

Конструктивно в оптронах излучатель и приёмник излучения помещаются в корпус и заливаются оптически прозрачным клеем (рис.11.13). Для использования в гибридных микросхемах выпущены миниатюрные бескорпусные оптроны. Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом. У них между излучателем и фотоприёмником имеется воздушный зазор, в котором может перемещаться светонепроницаемая преграда, с помощью которой можно управлять световым потоком (рис. 11.14 а). В другом варианте оптопар с открытым каналом, световой поток излучателя попадает в фотоприёмник, отражаясь от какого-либо объекта (рис. 11.14 б).

                                  

              Рис. 11.13. Принцип устройства оптопары.

1 – излучатель; 2 – оптически прозрачный клей; 3 – фотоприёмник;

 

       Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фотоприёмниками.

  Резисторные оптопары (рис. 11.16) имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приёмником излучения является фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия для видимого излучения, а для инфракрасного – из селенида или сульфида свинца.

 

    

Рис. 11.14 Оптопары с открытым оптическим каналом.

                1 – излучатель; 2 – фотоприёмник; 3 – объект;

      

                           Рис. 11.15. Различные типы оптопар.

            

Рис. 11.16. Схема включения и условное графическое изображение резисторной оптопары.  

Диодная оптопара имеет кремневый фотодиод и светодиод на арсениде галлия (рис. 11.15 а).

  Транзисторная оптопара имеет в качестве приёмника  кремневый биполярный фототранзистор и светодиод на арсениде  галия             (рис. 11.15 в).

  Остальные виды  оптопар приведены на рис. 11.15 г-з.

  Оптоэлектронные ИМС имеют оптимальную связь между отдельными узлами или компонентами. В этих микросхемах, изготов-ленных на основе диодных, транзисторных и тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприёмников содержатся устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприёмника. Особенность оптоэлектронных ИМС – однонаправленная передача сигнала и отсутствие обратных связей.

 

            ТЕМА 12 ТЕХНИКА СВЧ

           ЛЕКЦИЯ 32 КЛИСТРОНЫ

        1. Пролётные клистроны.

Клистронные генераторы используются для генерирования, усиления и умножения частоты в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн. Принцип действия их основан на управлении электронными пучками по скорости.

Простейшая схема двухрезонаторного клистрона усилителя показана на рис 12.1. В схему входит вакуумный прибор, внешние части двух резонаторов и источники питания. В баллоне вакуумного прибора рас-положены подогревный катод 1, управляющий 2 и ускоряющий 3 элек-троды, все вместе образующие электронную пушку, две пары сеток и коллектор 8. Сетки входят в объёмные резонаторы в качестве обкладок конденсатора. Они выполнены из микронной проволоки и являются прозрачными для потока электронов и непрозрачными для электричес-кого поля, т.е. высокочастотное электрическое поле можно считать лока-лизованным в пространстве между сетками. Управляющий электрод обычно соединяется с резонаторами и имеет потенциал земли. На катод подаётся отрицательное напряжение от источника . В зависимости от мощности клистрона величина бывает от сотен вольт до сотен кило-вольт. Коллектор подключён к источнику небольшого положительного напряжения . Он служит  для улавливания электронов луча. Усиливаемый сигнал вводится во входной резонатор, а усиленный сигнал снимается с выходного резонатора. Оба резонатора могут перестраиваться в некотором диапазоне частот.

Для регулировки тока  луча и выходной мощности на управляющий электрод подаётся отрицательное напряжение  от отдельного источника или от источника . В последнем случае используется делитель напряжения.

Принцип действия пролётного клистрона состоит в следующем. От катода к коллектору движется электронный луч. Пролетая ускоряющий электрод, электроны луча имеют постоянную скорость   V.

     Рис. 12.1. Схема двухрезонаторного  клистронного усилителя.

 

Если входного сигнала нет, то плотность электронов равномерна по всей длине луча. Все электроны попадают на коллектор с одинаковой скоростью V, отдавая ему свою кинетическую энергию. Она выделяется там в виде тепла. В цепи коллектора протекает постоянный ток и выходного сигнала нет.

Если на вход усилителя подан сигнал, то между  сетками входного резонатора , создаётся  переменное  напряжение  = , под действием которого изменяется кинетическая энергия пролетающих через сетки электронов. Будем считать, что расстояние между сетками l мало и каждый электрон пролетает его за очень малую долю периода. Проле-тая сетки резонатора в момент t, электрон имеющий заряд e, получает дополнительную энергию:

                                     e  =                                                (12.1)

что соответствует скорости движения:

                      (12.2)

Таким образом, под действием входного сигнала происходит модуляция (изменение) скоростей электронов в луче.

В положительный полупериод, когда высокочастотный потенциал сетки выше потенциала сетки , электроны ускоряются (v ˃ V), а в отрицательный полупериод замедляются (v ˂ V). К первой сетке резонатора электроны подлетают равномерно, поэтому количество уско-ренных и замедленных электронов одинаково. Следовательно, источник входного сигнала не расходует мощность на модуляцию скорости элек-тронов. Величина нагрузки на источник входного сигнала определяется лишь потерями во входном резонаторе.

В пространстве группирования, т.е. между сетками и , модуля-ция скорости электронов луча превращается в модуляцию плотности. Происходит это потому, что «быстрые» электроны догоняют «медленные». В результате образуются сгустки и разрешение электронов. Наглядно это можно показать на пространственно-временной диаграмме (рис. 12.2). В пространстве группирования электроны движутся с постоянными скоростями, поэтому графиками их пути явля-ются прямые линии, наклон которых к оси времени определяется вели-чинами скоростей. Из рис.12.2 видно, что на некотором расстоянии от сеток входного резонатора пересекаются прямые линии, наклон которых определяется скоростями электронов V, V + Δ V, V – Δ V, где Δ V определя-ется амплитудой управляющего напряжения Следовательно, в сгустки собираются электроны, входящие в пространство группирования в течение полупериода. Центрами группирования являются электроны, пролетающие сетки резонатора в момент перехода напряжения через ноль от отрицательного значения к положительному.

Сетки выходного резонатора располагаются на таком расстоянии от сеток входного резонатора, чтобы в них входили наиболее плотные сгустки электронов.

Через сетки выходного резонатора проходит пульсирующий поток электронов, т.е. пульсирующий конвекционный ток. Первый же сгусток электронов, прошедший через сетки выходного резонатора, возбуждает в нём колебания. Если выходной резонатор настроен на частоту сигнала, то сгустки электронов будут тормозиться высокочастотным полем резо-натора, при этом кинетическая энергия электронов будет передаваться полю резонатора, а потому в резонаторе будут поддерживаться незату-хающие колебания.

 

Рис. 12.2. Пространственно-временная диаграмма полёта электронов.

     Простейший двухрезонаторный усилительный клистрон характеризуется невысоким КПД. Это объясняется  отсутствием фокусирующей системы. Поэтому происходит поперечное расширение луча, перехват электронов луча сетками и недостаточное группирование электронов.

В целях получения высокого к.п.д. в конструкцию клистрона внесён ряд усовершенствований. Для предотвращения поперечного расширения луча электронов применяются фокусирующие системы. У мощных клистронов для фокусировки используется соленоид, а у клистронов средней мощности – постоянные магниты. Вместо сеток используются зазоры в специальных трубках дрейфа, где пролетают электроны (рис.12.3).

      

      Рис.12.3. Резонатор клистрона большой мощности.

 

    Для управления потоком электроном используется не один, а несколько последовательно расположенных вдоль трубки дрейфа резона-торов и соответственно несколько пространств группирования. В много-резонаторном клистроне удаётся получить высокую плотность электронов в сгустках и большой импульс наведённого в выходном резонаторе тока, т.е. большую выходную мощность. Уровень выходной импульсной мощности многорезонаторных клистронов в настоящее время равен десяткам мегаватт, а к.п.д. достиг 50%. Коэффициент уси-ления по мощности бывает порядка десятков дБ.

Применение умножительных клистронов позволяет создавать на СВЧ многокаскадные передающие устройства, в которых задающий генератор работает на более низких частотах и низком уровне энергии. Это обес-печивает высокую стабильность частоты.

 

 

                2. Отражательный клистрон.

                        Назначение и устройство

Отражательный клистрон является маломощным автогенератором сантиметрового диапазона волн. По диапазону рабочих частот клистроны бывают узкодиапазонные и широкодиапазонные. Узкодиапазонные маломощные клистроны используются в качестве гетеродинов в приёмниках сантиметровых волн, работающих на фиксированной волне. Узкодиапазонные клистроны повышенной мощности (до 10 Вт) исполь-зуются в передатчиках радиорелейных линий. Широкодиапазонные клистроны используются в качестве гетеродинов поисковых приёмников и для лабораторных целей. Они характеризуются малой выходной мощностью и широким диапазоном настройки.

По конструктивным признакам отражательные клистроны делятся на стеклянные и металлические. Стеклянные клистроны применяются в диапазоне волн от 2,5 до 60 см, а металлические – короче 3 см. Это объясняется тем, что на волнах менее 3 см затруднена технология изготовления стеклянных клистронов из-за малых размеров резонаторов.

Отражательный клистрон (рис. 12.3 и 12.4) состоит из электронной пушки, одного резонатора и отражателя. В электронную пушку обычно входят катод и ускоряющий электрод. В некоторых конструкциях бывает и управляющий электрод, изменением потенциала которого регулируется ток луча и осуществляется фокусировка.

В баллоне стеклянных клистронов расположены электроды пушки, отражатель и сетки резонатора. Последние крепятся к дискам, которые свариваются со стеклом. На внешние края дисков опирается разъёмный резонатор, настройка которого на рабочую волну осуществляется винтами или плунжерами. В металлических клистронах весь резонатор находится в вакууме. Настройка вакуумных резонаторов производится гибкой диафрагмой, деформация которой вызывает изменение объёма резонатора и расстояние между сетками. Вывод высокочастотной энергии осуществляется петлёй, расположенной в резонаторе.

   Как генератор отражательный клистрон характеризуется двумя особенностями. Во-первых, его КПД очень мал и лежит в пределах 0,03 – 3%. Это не позволяет использовать его в качестве мощного генератора, но не является препятствием для использования в качестве маломощного генератора. Во-вторых, отражательный клистрон может до раз в секунду изменять частоту при изменении напряжения на отражателе. При этом мощность, идущая на управление частотой, меньше, чем при любом другом способе.

 

Рис.12.3. Конструкция стеклянного отражательного клистрона.

Отражательный клистрон был изобретён В. Ф. Коваленко в 1940 году.

 

 

                                    Принцип действия

Для получения автоколебаний клистрон включается в схему, как показано на рис. 12.5. Источник напряжения служит для создания ускоряющего поля, которое формирует луч из электронов, движущихся от катода к отражателю. Ускоряющее поле действует на электроны в пространстве катод – ускоряющий электрод или катод – сетка , если 

 

                        

                    

Рис.12.4. Конструкция отражательного металлического клистрона.

              

 

ускоряющий электрод отсутствует. В этом пространстве электроны дви-жутся равноускоренно и равномерным по плотности потоком. Ускоря-ющее поле сообщает электронам кинетическую энергию. Они пролетают сетки резонатора и по инерции движутся к отражателю.

     Первые электроны, пролетающие сетки резонатора, наводят в них импульс тока и возбуждают в резонаторе колебания. В дальнейшем колебания в резонаторе поддерживаются пульсирующим потоком элек-тронов и превращаются в устойчивые незатухающие колебания, если выполняются условия самовозбуждения. Будем считать, что такие условия выполняются, и рассмотрим установившийся режим.

Под действием переменного напряжения на сетках резонатора проис-ходит модуляция скорости электронов. Положительное напряжение уско-ряет электроны, движущиеся к отражателю, а отрицательное – тормозит. Резонатор не расходует мощность на модуляцию скорости электронов,  так как число ускоренных за период электронов равно числу замедлен-ных электронов, т.е. суммарный баланс мощности равен нулю.

     В пространстве между сеткой и отражателем, называемым пространством группирования, входят электроны с различными скоростями. Там существует постоянное электрическое поле, напряжён-ность которого определяется напряжением  +   = . Это поле тормо-зит электроны, движущиеся от сетки к отражателю, и ускоряет воз-вращающиеся электроны. Так как ускоряющим является напряжение , а тормозящим большее напряжение , то на отражатель электроны не попадают, а все возвращаются обратно (рис.12.5.).

Электрическое поле между сеткой и отражателем должно быть таким, чтобы происходила фокусировка отражённых электронов. Это достигается выбором соответствующей формы отражателя.

     На пути к отражателю и обратно электроны собираются в сгустки, т.е. модуляция скорости электронов превращается в модуляцию плотнос-ти луча. Сгустки электронов проходят зазор резонатора в тормозящем поле, отдают свою кинетическую энергию резонатору и поддерживают там незатухающие колебания.

 

 

 

       Рис. 12.5. Схема питания отражательного клистрона.

    

Образование сгустков электронов наглядно показано на рис.12.6 и рис.12.7. Пусть электроны группы 1 пролетают зазор резонатора в максимальном ускоряющем поле. Они получают максимальный прирост кинетической энергии, пройдут в пространстве группирования наиболь-ший путь , т.е. максимально приблизятся к отражателю, и возвратятся обратно в момент времени (рис.12.6). Электроны группы 2 пролетают резонатор на четверть периода позже, полем резонатора не ускоряются и не замедляются. Они углубляются в пространство группирования на расстояние и возвращаются обратно в зазор резонатора вместе с электронами группы 1. Электроны группы 3 пролетают сетки резонатора на полпериода позже электронов группы 1. Электрическим  полем электроны замедляются и, следовательно, углубляются в пространство группирования на ещё меньшее расстояние а обратно возвращаются в тот же момент времени . Одновременный возврат в зазор резонатора всех трёх групп  электронов, обеспечивается соответствующим выбором напряжений и . Следовательно, при благоприятных  условиях все электроны, пролетающие зазор резонатора в течение половины периода, собираются в пространстве группирования в один сгусток и в обратном направлении пролетают зазор резонатора в максимальном тормозящем поле. Центрами группирования являются те электроны, которые пролетают зазор резонатора без изменения скорости при переходе напряжения от положительного значения к отрицательному напряжению.

Каждый период через зазор проходит один сгусток электронов, которые отдают полю резонатора свою кинетическую энергию, а сами улавливаются сеткой и ускоряющим электродом. Часть этих электро-нов возвращается к отражателю, т.е. вторично проходят зазор резонато-ра.

На основании изложенного можно установить амплитудное и фазовое условия самовозбуждения клистрона. Амплитудное условие состоит в том, что электроны должны быть сгруппированы в сгустки, а плотность и количество электронов в  сгустках не должны быть меньше некоторых минимумов. Фазовые условия состоят в том, что сгустки электронов должны пролетать зазор резонатора в тормозящем поле. Выполнение амплитудного условия обеспечивается, если ток луча больше некоторого минимального значения. При нормальной эмиссии катода и нормальном значении напряжения амплитудное условие автоматически выполня-ется при выполнении фазового условия. Рассмотрим поэтому более подробно фазовое условие самовозбуждения.

                                      Режимы работы

Из рис. 12.6 видно, что сгустки электронов пролетают зазор резонатора в максимальном тормозящем поле, т.е. точно выполняется фазовое условие самовозбуждения, если среднее пролётное время сгустка, т.е. пролётное время центра группирования, равно 3/4T, 7/4T, 11/4T и т.д. или

                           =   n T −  T = T (n −  )                                    (12.3)

где n = 1, 2, 3… - целое положительное число.

Пролётное время центров группирования не зависит от амплитуды переменного напряжения, а определяется лишь величинами ускоряющего и тормозящего постоянных полей. Если, например, плавно изменять напряжение на отражатели от нуля и до − , то будет плавно изменя-ться пролётное время от наибольшей величины до наименьшей. Оче-видно, генерация не возможна, если сгустки электронов будут попадать в ускоряющее поле и отбирать энергию от резонатора. Следовательно,  

Рис. 12.6. Пространственно-временная диаграмма полёта электронов в отражательном клистроне.

 

существует несколько значений пролётного времени или дискретный интервал пролётного времени, т.е. существует ряд режимов работы или ряд зон. Зонам присваиваются номера. При = 0,75 Т (n = 1) зона называется первой, при = 1,75 Т (n = 2)  − второй  и т.д. Формирова-ние одного сгустка электронов при работе в различных зонах показано на рис.12.7. 

Мощность колебаний в резонаторе имеет наибольшее значение, если сгустки электронов испытывают наибольшее торможение. Если пролётное время окажется несколько больше или меньше, то сгустки будут испытывать меньшее торможение и колебательная мощность уменьшится. Следовательно, мощность колебаний в каждой зоне изме-няется от нуля до максимального значения (рис. 12.8).

                                      

Рис.12.7. Формирование сгустка электронов при работе клистрона в       различных режимах.

                                

Обычно наибольшая максимальная мощность получается во второй или третьей зоне (рис.12.9). С дальнейшим увеличением номера зоны мощность уменьшается.

            

 Рис. 12.8. Зависимость мощности в зоне от напряжения на отражателе.

Рис.12.9. Зависимость частоты (а) и мощности (б) от напряжения на отражателе. 

                                 Электронная настройка

Частоту колебаний клистрона можно изменять в широких пределах перестройкой резонатора. В небольших пределах около резонансной частоты её можно регулировать изменением напряжения на отражателе. Этот процесс называется электронной настройкой клистрона. Электрон-ная настройка используется в схемах автоматической подстройки частоты (АПЧ) в приёмниках, в схемах частотной модуляции и в изме-рительной технике.

Если точно выполняется условие (12.3), то при любом значении n частота колебаний одна и та же. Она равна собственной частоте резона-тора. При этом сгустки электронов испытывают наибольшее торможе-ние. Следовательно, в каждой зоне максимальная мощность соответству-ет одной и той же частоте (рис. 12.9).

Допустим, что напряжение на отражателе равно . При этом условии частота генерируемых колебаний совпадает с частотой настрой-ки резонатора (Δf = 0) и выходная мощность клистрона максимальна.

Если несколько увеличить напряжение на отражателе, то пролётное время электронов, образующих сгусток, уменьшится. Электронные сгустки станут чаще пролетать резонатор и частота генерируемых коле-баний повысится. Но мощность вынужденных колебаний уменьшится. При уменьшении  напряжения на отражателе (от величины ) частота колебаний и их мощность уменьшаются (рис.12.9).

Расчёты и эксперименты показывают, что с увеличением номера рабочих зон их ширина уменьшается, а изменение частоты в пределах зоны становится более резким.

Из рис.12.9 видно, что кривая мощности в любой зоне несимметрична. Это объясняется следующим. С увеличением на отража-теле (от центра зоны влево) происходит уменьшение пролётного времени электронов и уменьшение амплитуды напряжения на сетках клистрона. Обе эти причины ухудшают группирование электронов, и поэтому мощность уменьшается резко.

С уменьшением напряжения на отражателе (от центра зоны вправо) также происходит уменьшение напряжения на сетках, на зато увеличи-вается пролётное время электронов, что способствует лучшему группированию электронных сгустков.  Поэтому мощность генерируемых колебаний спадает более плавно.

Эксперименты показывают, что максимально возможное изменение частоты генерируемых колебаний за счёт изменения напряжения на отражателе (диапазон электронной настройки) обычно не превышает   1 - 2% номинальной частоты, которая определяе