МНОГОЛУЧЕВОЙ ПРИБОР О-ТИПА

Полезная модель относится к электронной СВЧ технике, а именно к мощным широкополосным многолучевым приборам О-типа, например, к многолучевым клистронам, работающим при уровне выходной мощности значительно меньшем номинального.
Коллектор клистрона представляет собой по существу объемный СВЧ резонатор, в котором может существовать большое количеством типов волн с разными частотами. Под действием электронного пучка, проходящего через зазор между предколлекторным магнитным полюсом и телом коллектора, возбуждаются вынужденные колебания на одной из частот коллектора. Частота колебаний может находиться как в рабочем диапазоне частот прибора, так и вне диапазона частот. Через изолятор коллектора это излучение выходит в окружающую среду. Для другой радиоэлектронной аппаратуры это излучение представляет собой электромагнитную помеху.
Уровень помехи зависит от величины выходной мощности и максимален при уровне выходной мощности значительно, на несколько децибел, меньшем номинального. В таблице приведен уровень излучения, измеренный в месте нахождения входного усилителя станции при использовании в клистроне предколлекторного узла традиционной конструкции. Измерения проводились в средней части сантиметрового диапазона длин волн на трех частотах с шагом 50 МГц. Определены плотности потока энергии в номинальном режиме и определено значение выходной мощности, при котором плотность потока энергии максимальна.
2
На расстоянии 1 метр от клистрона уровни плотности потока энергии не превышали 20 мкВт/см (санитарные нормы СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96).
Таблица 1.
Номинальный режим
Режим максимального уровня помехи
№ точки
Выходная мощность, Вт.
Плотности потока энергии, мкВт/см<sup>2</sup>
Выходная мощность, Вт.
Плотности потока энергии, мкВт/см<sup>2</sup>
1
1500
5
340
250
2
1400
10
300
800
3
1400
100
200
1000
Таким образом, максимальный уровень помехи наблюдается при работе клистрона в линейном режиме. Такой режим работы является основным для клистронов в выходных каскадах передатчиков наземных станций спутниковой связи. При использовании предварительных транзисторных усилителей, располагаемых обычно максимально близко к входному фланцу прибора, воздействие этого излучения максимально. Даже при несовпадении частоты колебаний коллектора и одной из рабочих частот прибора под действием этой электромагнитной помехи возможно изменение режима работы транзисторов усилителя и отказ аппаратуры.
Традиционными способами уменьшения уровня помехи является изменение зазора между предколлекторным полюсом и коллектором для уменьшения коэффициента взаимодействия электронного потока с возбуждаемым в коллекторе СВЧ полем, изменение внутреннего диаметра коллектора с целью изменения частоты возбуждаемых колебаний, "закорачивание" с помощью четвертьволнового дросселя коллектора и корпуса прибора, например патент США №3392301. Эти способы подходят при наличии возбуждения только на одной частоте, а как отмечено выше, для предварительных транзисторных усилителей представляет опасность сигнал помехи даже любой частоте. Кроме того, при этом остается сильная зависимость уровня излучения от точности изготовления деталей и от величины тепловых уходов размеров узла.
Ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели является многолучевой прибор О-типа, содержащий электронную пушку, магнитную систему, ввод и вывод энергии, коллектор, предколлекторный магнитный полюс и электродинамическую систему (US №5780969). Для снижения уровня излучения различных частот на внешней стороне изолятора коллектора размещены широкополосные поглотителей энергии. Такая конструкция решает задачу, однако усложнение конструкции при этом неизбежно повышает стоимость прибора. Кроме того у приборов с воздушным охлаждением изолятор коллектора может нагреваться до 200°С, что может значительно снизить долговечность поглотителя и клистрона в целом.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в снижении уровня помехи.
В предлагаемой полезной модели решение этой задачи достигается тем, что в моноголучевом приборе О-типа, содержащем электронную пушку, магнитную систему, электродинамическую систему и коллектор и предколлекторный полюс, на указанном полюсе располагается цилиндрическая втулка, изготовленная из немагнитного металлического материала, которая охватывает электронные пучки. Втулка заходит внутрь коллектора и перекрывает зазор между предколлекторным полюсом и коллектором
Существо предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показана традиционная конструкция предколлекторного полюса, коллектора и изолятора. Предложенная конструкция приведена на фиг.2. Приняты следующие обозначения: 1 - предколлекторный полюс, 2 - керамический изолятор, 3 - коллектор, 4 - втулка, 5 - пролетные каналы.
На предколлекторный полюс 1 установлена втулка 4, входящая внутрь коллектора 3. Пролетные каналы 5 находятся внутри втулки. В качестве примера приведена конструкция с одним центральным каналом и одним внешним рядом из 6 пролетных каналов, расположенном на одном диаметре. Коллектор электрически изолирован от электродинамической системы с помощью керамического изолятора 2. В традиционной конструкции промежуток между коллектором 3 и предколлекторным полюсом 1 представляет из себя радиальную линию передачи, характеристики которой сильно зависят от точности изготовления деталей и от величины тепловых уходов. Величина зазора обычно лежит в пределах от 1,5 мм до 2,5 мм и выбирается для различных типов клистронов индивидуально, по минимальному уровню помехи. Для сохранения малого уровня помехи величина зазора должна быть неизменной при воздействии температуры. Точность установки зазора обычно не хуже 0,1 мм.
В предлагаемой конструкции втулка 4 и коллектор 3 представляют собой коаксиальную линию передачи. Для колебаний, возбуждаемых в коллекторе, коэффициент отражения от коаксиальной линии передачи больше, чем для радиальной линии передачи в традиционной конструкции, что обеспечивает снижение уровня помехи. Зависимость коэффициент отражения от тепловых уходов в предложенном случае также меньше, чем для радиальной линии, и она не имеет четко выраженного резонансного вида.
Для уточнения размеров было изготовлено несколько приборов предложенной конструкции с воздушным охлаждением, работающих в средней части сантиметрового диапазона длин волн. На фиг.2 обозначены: D - диаметр расположения центров внешнего ряда пролетных каналов, d - минимальное расстояние между внутренней поверхностью втулки и осями пролетных каналов, L - толщина стенки втулки, М - зазор между внешней поверхностью втулки и коллектором, h - зазор между коллектором и предколлекторным полюсом, Н - высота втулки. При изготовлении макетов внешние размеры конструкции необходимо было сохранить, т.е. при введении втулки изолятор 2 не должен изменяться.
По результатам испытаний и расчетов траекторий электронов в коллекторе были получены оптимальные размеры:
- зазор h составлял от 1,5 до 2,5 мм, при этом точность установки зазора не имеет значения;
- высота Н в 4÷6 раз больше h;
- зазор d не менее 1,5 диаметра пролетного канала;
- зазор М равен 1,5÷2,0 диаметра пролетного канала;
- толщина втулки L 0,8÷1,0 мм.
Были исследованы варианты с двумя вариантами внутренней поверхности коллектора 3. Конической формы, как на фиг.2, и цилиндрической формы. Предложенная конструкция снижает уровень помехи в обоих вариантах Толщина втулки 4 выбрана из требований прочности и хорошего теплооотвода, т.к. часть электронов перехватывается втулкой. Максимальная толщина выбрана с целью сохранения внешних размеров конструкции, поэтому величина 1,0 мм указана для данного прибора и в других конструкциях может быть увеличена. Зазор h в традиционных конструкциях составляет обычно от 1,5 до 2,5 мм, при допуске около 0,1 мм. В нашем случае требования на точность установки зазора были сняты, что упрощает сборку прибора. Уменьшение зазора h может привести под действием тепловых уходов или к короткому замыканию коллектора 3 на предколлекторный полюс 1 и выходу прибора из строя или к самовозбуждению на низкой, несколько мегагерц, частоте. Увеличение зазора h требует увеличения высоты Н втулки 4, что приводит к ее дополнительному нагреву и снижению надежности прибора. Увеличение зазора М между втулкой 4 и коллектором 3 повышает уровень помехи, уменьшение зазора снижает уровень помехи, но также может привести к паразитной генерации на частоте единиц мегагерц. Увеличение высоты втулки 4 снижает уровень помехи, но при этом возникает угроза перегрева и расплавления за счет возрастания оседания электронов при расширении пучков в коллекторе. Уменьшение зазора d приводит к увеличению оседания электронов на втулку 4 и возможному ее оплавлению. В макетах приборах увеличение зазора d не рассматривалось, однако, исходя из модели генерации помехи в приборе, такое увеличение не приведет к повышению уровня помехи.
Были проведены измерения уровня помехи при режимах и параметрах работы прибора совпадающих с испытаниями, результаты которых приведены в таблице 1. Получено снижение плотности потока энергии на 20-25 дБ по сравнению с измерениями таблицы 1. Для определения чувствительности к тепловым уходам размеров изменялся расход охлаждающего воздуха в максимально допустимых пределах. Зависимости от степени нагрева коллектора выявлено не было.
Проведенные измерения показали, что применение предложенной конструкции позволяет значительно снизить уровень электромагнитной помехи при работе клистрона сантиметрового диапазона длин волн на пониженном уровне выходной мощности.