Werking van het reflex-klystron
Inleiding
Degene die experimen:eert in het gebled van cm- en mm-golven heeft da beschikking over- een heel arsenaal van speciale buizen: versterkers en oscillatoren. Tot de versterkers behoren bijvoorbeeld de hoogfrequenttrioden en de lopende golfbuis, tot de. oscillatoren het magnetron en het reflex-klystron. Deze laatste buis is in principe een buis voor klein vermogen (enkele tientallen milliwatts tot enkele watts). Als zodanig wordt hij op vrij grote schaal toegepast in meetapparatuur, communicatiesystemen en ook de hulp-oscillator in radarsystemen.
Dit grote aantal toepassingen wordt bevorderd door de relatief lage prijs, de eenvoudige voeding en de gemakkelijke modulatie zowel in frequentie als amplitude (on-off bedrijf).
Het met deze reflex-klystrons te bestrijken frequentiegebied strekt zich uit van ongeveer 1000 tot 100.000 MHz corresponderend met golflengten van 30 cm tot 3 mm.
De buizen worden soms uitgevoerd voor een bepaalde frequentie (bakenzenders) toch meestal zijn ze afstembaar over een gebied dat varieert van enige tientallen tot een paar duizend MHz. Deze afstemmogelijkheid staat geheel los van de reeds genoemde mogelijkheid tot frequentiemodulatie waarop nog zal worden terug gekomen.
Het is onze ervaring dat men een goed inzicht kan krijgen in de werking van deze buis door uit te gaan van een laagfrequent model.
Het laagfrequent model
Elke oscillator is in feite niets antlers dan een versterker, waarbij tussen de uitgang (b.v. de anode van een triode) en de ingang (rooster) een passende koppeling is aangebracht. In de elementaire schakeling weergegeven in figuur 1 kan door regeling van de versterking en de terugkoppeling worden bereikt dat voor de frequentie
de spanning V34 zowel wat faze als wat amplitude betreft, gelijk is aan een op het rooster aangesloten spanning V12; er is dan voldaan aan de z.g. genereervoorwaarde. Verbinden we nu 3 met 1, dan is een oscillator verkregen.
Het frequentie-bepalend element bij deze oscillator bestaat uit de parallelschakeling van een zelfinductie en een capaciteit, d.w.z. we veronderstellen dat in de schakeling een bepaald element is aan te wijzen, dat zelfinductie L en een ander element dat de capaciteit C vertegenwoordigt. Nadere bestudering van de trilling van een L-C-kring leert, dat gedurende de trilling voortdurend electrische energie (uit de condensator) wordt omgezet in magnetische energie (in de zelfinductie) en omgekeerd. Bij het opvoeren van de frequentie worden de waarden van L en C zo gering, dat deze realisatie niet meer mogelijk is, maar hierover straks meer.
Bij het gestadig opvoeren van de moeilijkheden als gevolg van de toenemende invloed van parasitaire capaciteiten en van het z.g. looptijdeffect van de buis. Dit laatste hangt samen met de eindige elektronensnelheid waardoor de elektronen in de buis een zeke, e looptijd hebben. Bij zeer hoge frequenties is deze tijd niet meer verwaarloosbaar klein t.o.v. de periodeduur zodat extra fazeverschuivingen optreden.
Deze moeilijkheden zijn bij het reflexklystron vermeden door juist- gebruik te maken van een looptijdeffect. Ook ons laagfrequent model zal dus van looptijd gebruik moeten maken. Samenhangend met dit principe is er ook geen continue terugkoppeling zoals bij de oscillatorschakeling in figuur 1 waar het sinusvormige anodesignaal als zodanig worth- teruggebracht near het rooster. Bij het reflex-klystron wordt gebruik gemaakt van een pulsvormig terugkoppelsignaal zodat ook ons laagfrequent model op dit principe moet berusten.
Figuur 1. Elementaire oscillatorschakeling.
Dit model (figuur 2) zal dus resumerende moeten bestaan uit de onderdelen : frequentie-bepalend element, pulsvormer, looptijdnetwerk en versterker en bevat dus twee elementen meer dan de schakeling uit figuur 1.
Figuur 2. Laagfrequent klystron model.
Voor het afleiden van de genereervoorwaarde voor deze nieuwe schakeling is het nodig even in te gaan op het aanstoten van een trillingskring m.b.v. een impuls.
Op zeker tijdstip dat we gemakshalve laten corresponderen met t = o wordt een stroomimpuls van zeer korte duur gestuurd door een parrallelkring met verliezen. Is de Q van de kring niet te laag dan gaat de spanning over de kring als functie van de tijd eruit zien als getekend in figuur 3 waarbij geldt dat
met α = 1 / 2RC en ωo = 1 / √LC.
Figuur 3. Relatieve spanning van een aangestoten LC-kring als functie van de tijd. (Q=30).
V(t) is de spanning op een willekeurig tijdstip en V(o) die op het tijdstip t = o van de excitatie. Deze spanning V(o) komt in het beschouwde geval overeen met de spanning die de condensator alleen zou hebben bij lading door de stroompuls. Voor f > o gebeuren er twee dingen.
In de eerste plaats treedt er een trilling op waarbij elektrische energie in magnetische wordt omgezet en omgekeerd. Door de aanwezige weer-stand zal de totaal beschikbare energiehoeveelheid echter voortdurend vetminderen, zodat steeds minder voor de instandhouding van het trillingsverschijnsel beschikbaar is en dientengevolge de amplitude hiervan afneemt en wel volgens ε-at (stippellijn). Na het verstrijken van een periode dus voor t = T = 1 /fo = 2π/ωo is at = π /Q geworden. Wat dit voor de amplitude van de trilling betekent is toegelicht in figuur 4. Naarmate Q groter wordt is de amplitude na een periode minder afgenomen. Keren we nu terug near figuur 2.
Figuur 4. Relatieve amplitude van een aangestoten LC-kring als functie van Q (t = T).
Laten we veronderstellen dat de versterker geen fazedraaiing vertoont. Hoe staat het dan met ons probieem : het vinden van de voorwaarden voor oscilleren van deze schakeling. We nemen even aan dat de schakeling at oscilleert en op het tijdstip t = o (fig. 3) heeft een excitatie van de kring plaats gehad.
In de pulsvormer wordt op elke "dalende" nuldoorgang van het ingangsignaal een impuls gemaakt voor de eerste maal bij de doorgang gemerkt A. Wanneer we nu met de variabele vertragingslijn een vertragingstijd instellen dan is aan het fazegedeelte van de genereervoorwaarde voldaan; de impuls zal immers dan een trillingsverschijnsel aanstoten dat precies in faze is met het reeds aanwezige en dit derhalve "versterken". Voor wat betreft de amplitudevoorwaarde kan het volgende worden opgemerkt.
Is de door de impuls opgewekte amplitude groter dan nodig voor de compensatie van de verliezen in de kring gedurende het verstreken tijdsverloop T dan vindt een toename plaats van de amplitude. Infeite zal dit het geval zijn bij het opbouwen van de genereertoestand; enige tijd na het inschakelen zal zich echter een evenwicht instellen waarbij de amplitude constant blijft.
Essentieel is dat de looptijd behalve op ¾T ook op 1¾T, 2¾T enz. ingesteld kan worden. De eindwaarde van de amplitude van de trilling op de kring wordt hierbij steeds kleiner door dempingsverlies in de vertragingslijn.
Een tweede belangrijke eigenschap van deze schakeling is dat bij een vertragingstijd die jets afwijkt van de genoemde waarden toch oscilleren kan optreden. De kring worth nu aangesloten in een iets andere faze met als gevolg een andere opgewekte frequentie maar ook een kleinere amplitude omdat de frequentie nu niet meer gelijk is aan de resonantiefrequentie. De frequentieafwijkingen zijn van de orde van 1%, dus voor een laagfrequent model onbeduidend; voor een reflex-klystron op 10 000 MHz betekent 1% echter een frequentie-variatie van 100 MHz. Het totale verloop van de amplitude wordt als in fig. 5.
Figuur 5. Modi van een reflex-klystron.
Is de looptijdafwijking te groot dan houdt het oscilleren op. Het totale werkgebied wordt dus verdeeld in een aantal kleine gebiedjes rondom de lcoptijdwaarden ¾T, 1¾T enz. Deze gebiedjes worden trillingswijzen of modi (enkelvoud modus) genoemd.
We zullen vervolgens nagaan hoe het reflex-klystron werkt en meer hoe pulsvorming en variabele vertraging hierbij tot stand komen.
Het reflex-klystron
Zoals in de aanvang reeds opgemerkt werd, kunnen we in het onderhavige frequentiegebied geen gebruik meer maken van geconcentreerde zelfinducties en capaciteiten. In pleats daarvan wordt het frequentie bepalend element een zogenaamde trilholte. In deze trilholte in algemene vorm bestaande uit een gesloten metalen doosje bestaat eveneens een wisselwerking tussen het elektrische en het magnetische veld. (Zie ook wat hierover in van september 1961 op blz. 579 werd geschreven). Het vervangschema bestaat dan ook uit een parallelschakeling van een zeifinductie en een capaciteit. We kunnen echter geen bepaalde L en C in de schakeling aanwijzen.
Dit frequentie bepalende element is veelal geheel opgenomen in de omhulling van de Buis.
Figuur 7. Doorsnede van een reflexklystron.
De bouw van een reflex-klystron alsmede de aansluiting van de voedingspanningen in figuur 6a schematisch weergegeven. De gebruikte trilholte (resonator) in in figuur 6b nog eens afzonderlijk in twee projecties getekend. In figuur 7 vindt men een fotografische reproductie van een over de as doorgesneden klystron voor 3 cm golflengte waarin men de genoemde essentiele onderdelen gemakkelijk zal terugvinden. De trilholte bestaat dus uit een gesloten plat doosje met in het midden een indeuking. Ter plaatse van deze indeuking is een perforatie aangebracht, teneinde de door de kathode geemiteerde elektronen de gelegenheid to geven ongehinclerd te passeren. Ter plaatse is het elektrische veld het sterkst, het magnetische veld loopt in cirkels hier omheen.
Figuur 6a. Reflexklystron.
Figuur 6b. Trilholte (resonator).
De richtingen van de beide velden zijn aan elkaar toegevoegd volgens een rechtse schroefbewecing. De E en H varieren sinusvormig met de tijd, waarbij de frequentie (b.v. 9000 MHz) gegeven wordt door de afmetingen van de trilholte.
De door de kathode geemitteerde elektronen zullen worden versneld, dear de resonator-spanning positief is t.o.v. de kathode. We nemen nu aan dat alle elektronen gelijke snelheid vo hebben op het moment dat ze aankomen bij g1. In het diagram van figuur 8 betekent dit dat de dear als functie van de tijd getekende elektronenbanen gelijke hellingen hebben.
Figuur 8. Inhaaleffect bij reflexklystron.
Veronderstellen we nu even, dat er reeds een trilling aanwezig is, dan varieren E en H dus sinusvormig. Dit betekent dat tussen g, en g, een wisselspanning staat, die gedurende de ene halve periode de elektronensnelheld zal vergroten en gedurende de tweede helft verkleinen. Bij het passeren van de roosters krijgen de elektronen dus een snelheid die naar gelang het tijdstip waarop dit plaats vindt groter of kleiner dan vo is. In het diagram betekent dit een grotere respectievelijk kleinere helling.
Een elektron dat passeert op een moment dat de hoogfrequent wisselspanning tussen g1 en g1 nul is, behoudt de snelheid vo. We zien dus dat een uittredende elektronenbundel als het ware gemoduleerd wordt door het wisselveld (snelheidmodulatie). Na het passeren van g2 komen de elektronen in een vertragend veld dat ontstaat door de derde elektrode (de reflector) een spanning te geven, die negatief is t.o.v. de resonator. Dit veld is zo sterk dat de elektronen de snelheid geheel verliezen en terugkeren naar de resonator waarbij ze dan weer versneld worden. De plaats van het omkeerpunt wordt bepaald door:
- de snelheid die het elektron heeft na het passeren van de resonator (o.a. bepaald door het tijdstip waarop dit plaats vindt).
- het spanningsverschil tussen resonator en reflector.
Een elektron dat op een tijdstip in figuur 8 links van P gelegen de resonator passeert, zal dus verder in de reflectorruimte doordringen dan een elektron passerend op het tijdstip P en wel omdat het eerste elektron een grotere aanvangssnelheid heeft. Evenzo zal het elektron passerend op een tijdstip rechts van P minder ver in de reflectorruimte doordringen omdat het een lagere aanvangssnelheid heeft. Onder bepaalde voorwaarden samenhangend met de buisconstructie is het mogelijk ervoor te zorgen dat alle elektronen passerend in de omgeving van P gelijktijdig in de vorm van een pakketje elektronen dus de resonator weer bereiken.
Dit pakketje komt overeen met de stroomimpuls uit het laagfrequentmodel. Door deze impuls wordt de trilling in stand gehouden.
Regeling van de reflectorspanning komt overeen met variatie van de gemiddelde looptijd. Door variatie van deze spanning kan het reflex-klystron in de eerste plaats in de verschillende modi worden gebracht (figuur 5: vertragingstijden %T, VAT enz.) doch bovendien kan door het aanbrengen van kleinere varieties frequentiemodulatie van het reflex-klystron worden verkregen. Deze modulatiemethode is eenvoudig qua principe bovenal omdat deze beinvloeding pleats vindt door middel van de spanning van een niet stroom-voerende elektrode. Praktisch treden er bij grotere frequentie zwaaien enige moeilijkheden op in verband met de lineariteit van de modulatiekarakteristiek doch het zou te ver voeren in dir verband hierop en op de methoden gebruikt om deze lineariteit te verbeteren nader in te gaan.
De aan-uit modulatie met behulp van een blokspanning kan via dezelfde reflector elektrode pleats vinden. Men kiest hierbij een zodanige combinatie van constante reflector-spanning en blokamplitude dat gedurende de ene helft van de periode het klystron is ingesteld op de top van de modus en gedurende de andere helft tussen twee modi in.
De uitkoppeling van de energie uit de trilholte kan b.v. zoals in figuur 7 worden tot stand gebracht door mid-del van een lusje. Dit lusje is dan zo geplaatst dat een deel van het magnetisch veld in de trilholte wordt omsloten. Via deze magnetische koppeling wordt de energie aan het microgolfsysteem toegevoerd.
Ir L. Krul.