Электроника?.. Нет ничего проще! - [112]

Н. — Очень интересное решение. Я полагаю, что таким образом можно решить все проблемы передачи колебаний сверхвысокой частоты.

Л. — Увы, далеко не так! Описанную систему можно успешно применять только для передачи колебаний строго определенной частоты. А в радиолокаторах часто бывает полезно изменять частоту. Коаксиальный же кабель даже с четвертьволновыми опорами-изоляторами далек от совершенства, и поэтому предпочтение отдают трубе обычно прямоугольного сечения, по которой волна проходит в результате многократных непрерывных отражений от стенок. Такое устройство называют волноводом.

Многорезонаторный клистрон

Н. — А теперь я хотел бы спросить тебя, что такое клистрон и как он работает.

Л. — Давай для начала рассмотрим усилительный клистрон с двумя резонаторами. Для этого тебе предварительно нужно познакомиться с объемным резонатором типа румбатрон (так называются резонаторы клистрона). Посмотри на рис. 159 и ты легко поймешь, как он устроен, ты видишь две параллельно расположенные круглые пластины, образующие конденсатор. Пластины соединены между собой множеством проволочных петель, которые образуют параллельно соединенные катушки.

Рис. 159.Две круглые пластинки, соединенные некоторым количеством петель, образуют объемный резонатор.

Бесконечно увеличивая число проволочных петель, мы получим объемный резонатор, сечение которого я изобразил для тебя на рис. 160. По внешнему виду он напоминает покрышку автомобильной шины, между бортами которой натянули круглые куски ткани.

Рис. 160.Разрез румбатрона (объемного резонатора клистрона) по его оси.

Н. — Положительно необходимо привыкнуть к совершенно необычному виду этих колебательных контуров, используемых в технике сверхвысоких частот. И внутри этих резонаторов электроны танцуют свою румбу?

Л. — Да, если тебе нравится такое сравнение. Но правильнее было бы сказать, что электромагнитные поля заставляют электроны исполнять свой танец. Посмотри на рис. 161, чтобы понять, как это происходит.

Рис. 161.Схема двухрезонаторного клистрона. Первый резонатор модулирует электроны по скорости. В пространстве между двумя резонаторами электроны группируются в пакеты и затем возбуждают второй резонатор; на анод поступает лишь постоянный ток.

Катод испускает электроны, а анод их собирает. Между этими электродами я поместил два объемных резонатора. Плоские стенки этих резонаторов сделаны из сетки, чтобы электроны могли проходить сквозь них.

Предположим, что с помощью петли связи я возбуждаю первый резонатор небольшим напряжением сверхвысокой частоты, которое порождает в резонаторе колебания на его резонансной частоте. При прохождении электронов через две сетки резонатора они ускоряются (когда вторая сетка положительна относительно первой) или замедляются (при обратном соотношении потенциалов сеток).

Н. — Это должно породить невообразимую неразбериху. Электроны то ускоряются, то замедляются и в конечном итоге они все должны перепутаться!

Л. — Ты не так далек от истины. Если оставить достаточное расстояние, чтобы быстро летящие электроны смогли догнать двигающиеся медленно, то электроны сгруппируются в пакеты. При расчете клистрона стараются создать такие условия, чтобы наилучшая группировка электронов приходилась на момент их подхода к сеткам второго объемного резонатора. Проходя через второй резонатор, пакеты электронов отдают ему свою энергию и порождают в нем колебания значительно более мощные, чем те, которые использовались для возбуждения первого резонатора.

Н. — Так, значит, клистрон представляет собой усилительную лампу?

Л. — Да, есть клистроны-усилители. Такие лампы позволяют получить наибольшие мощности в импульсе на сверхвысоких частотах. В настоящее время на частоте 3 Ггц удается получить 30 000 квт в импульсе. Но клистрон можно использовать и как генератор. Если выходной резонатор синфазно (без сдвига фазы) соединить с входным, то устройство начинает генерировать.

Н. — Но в этой лампе довольно трудно изменить частоту, так как для этого пришлось бы одновременно изменять настройку обоих резонаторов.

Отражательный клистрон

Л. — Чтобы избавиться от этого недостатка, создали так называемый отражательный клистрон. Эта лампа имеет только один резонатор, на котором создается высокий положительный потенциал, а анод заменен электродом с большим отрицательным потенциалом. Электроны, вылетающие с катода, проходят через резонатор и приближаются к отрицательному электроду, тормозятся им и возвращаются к резонатору. В результате электроны второй раз проходят через резонатор, который, таким образом, выполняет роль и первого и второго резонаторов; при обеспечении необходимой связи лампа начинает генерировать. Отражательные клистроны используются преимущественно в качестве гетеродинов радиолокационных приемников супергетеродинного типа. В этом случае гетеродин создает колебания небольшой мощности, необходимые для возникновения биений с принимаемым колебанием.

Н. — И для этого полученные с клистрона колебания подают на сетку лампы, а на ее другую сетку подают колебания, принятые антенной?

Л. — На таких высоких частотах не рекомендуется пользоваться этим методом. Обычно колебания клистрона-гетеродина направляют в объемный резонатор (кусок волновода), куда вводят также и волновод, идущий от приемной антенны. В том месте, где эти две волны сходятся, помещают крохотный кристаллический детектор, представляющий собой нелинейный элемент, необходимый для выделения биений этих двух волн. В цепи кристалла получают колебания промежуточной частоты (равной разности частот колебаний гетеродина и принимаемого сигнала). Полученные колебания промежуточной частоты усиливают высокочастотным транзисторным или ламповым усилителем.