МАЛОГАБАРИТНЫЙ ИСТРОН
SMALL ISTRON

Изобретение относится к технике СВЧ. Прибор предназначен для работы в телевизионной, радиолокационной аппаратуре и аппаратуре для физических исследований в дециметровом диапазоне частот 300-900 МГц, где требуются малые габариты выходного мощного усилителя СВЧ и очень высокие требования к стабильности выходного сигнала, высокий КПД.
1
Известна лампа с индуктивным выходом (патент США №4480210, приоритет 12.05.1982 г., МПК HO1J25/00) аналог заявляемого технического решения. Конструкция этого прибора включает в себя катод, управляющую сетку, анод, сквозь который пропускается электронный поток, однозазорный съемный входной резонатор коаксиального типа, двухконтурную разъемную систему резонаторов, трубы дрейфа, коллектор. Недостатком указанного прибора является отсутствие возможности «сильно» нагрузить входной резонатор, то есть обеспечить величину нагруженной добротности порядка Qвх=25-30, в приборах с высоким сопротивлением электронного луча R>20000 Ом, так как при большой площади (больших размерах) петли связи ее нижняя ветвь располагается близко к катодному электроду, что провоцирует возникновение электрических пробоев по высокому напряжению. Если отодвигать нижнюю ветвь петли от электрода с потенциалом катода, то размер петли уменьшается и возрастает нагруженная добротность входного резонатора, что приводит к снижению уровней коэффициента усиления и КПД прибора.
вх
Известен так же истрон (патент РФ №2518512, приоритет 27.12.2012 г., МПК H01J 25/02), принятый за прототип. Конструкция этого прибора включает катод и управляющую сетку, анод, сквозь который пропускается электронный поток, однозазорный входной резонатор коаксиального типа и выходную фильтровую систему связанных резонаторов. Связь между активным и пассивным резонаторами осуществляется незамкнутой петлей в активном резонаторе, причем петля связи на незамкнутом конце с целью увеличения собственной емкости заканчивается сегментной пластиной, параллельной узкой стенке активного резонатора. Конструктивно входные резонаторы аналога (патент США №4480210) и прототипа (патент РФ №2518512) выполнены идентично. Основным недостатком обоих устройств является невозможность увеличить площадь петли связи в конструкции коаксиального резонатора при малогабаритном исполнении и обеспечить добротность входного резонатора в интервале Q=20-30, что приводит к снижению выходных параметров по усилению и снижению КПД.
Целью изобретения является обеспечение малых габаритов прибора, повышение устойчивости прибора к электрическим пробоям, уменьшение СВЧ потерь во входном резонаторе.
Техническим результатом представленного технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик, в частности, уменьшение габаритных размеров прибора, улучшение надежности и увеличение коэффициента усиления и КПД прибора.
Технический результат достигается тем, что предлагается малогабаритный истрон, включающий катод, управляющую сетку, анод, блокировочные конденсаторы «сетка-земля» и «катод-земля», трубы дрейфа, коаксиального типа входной и выходной резонаторы, коллектор, являющийся также внутренним проводником выходного резонатора коаксиального типа, устройство связи ввода СВЧ-энергии, причем блокировочные конденсаторы «сетка-земля» и «катод-земля» выполнены в форме плоских шайб из металлизированного с обеих сторон диэлектрического материала, где соотношение внешнего диаметра шайбы к диаметру внутреннего отверстия не менее 3:1, а соотношение ширины металлизированной части шайбы к толщине диэлектрического материала шайбы не менее 50:1, при этом отрицательно заряженная пластина, соединенная с катодом или сеткой, находится в центре между заземленными шайбами; устройство связи ввода СВЧ-энергии состоит из нескольких рамок, параллельно соединенных друг с другом с помощью токопроводящих перемычек, при этом размеры рамок и расстояние между крайними рамками должны удовлетворять одновременно следующим условиям:
а
где  - длина рамки, b - ширина рамки, и
а
где  - длина рамки, t - расстояние между крайними рамками.
Для сохранения эксплуатационных характеристик, надежности и обеспечения малых габаритов прибора предлагается использовать два блокировочных конденсатора, состоящих из металлизированных с двух сторон плоских шайб из диэлектрического материала, которые соединены параллельно друг с другом через отрицательно заряженную металлическую пластину между ними. Следует отметить, что емкость блокировочного конденсатора должна быть в 5-10 раз больше, чем емкость между сеткой и катодом (для того, чтобы управляющие напряжение прибора было значительным). Это достигается соответствующим подбором размеров внешнего и внутреннего диаметров шайб, а также толщины диэлектрической части шайбы. Емкость блокировочного конденсатора влияет также на величину потерь во входном резонаторе - чем больше емкость конденсатора, тем меньше потери - поэтому для увеличения емкости в блокировочном конденсаторе отдельные блоки можно соединять между собой контактным способом, при этом должны соблюдаться следующие условия: соотношение внешнего диаметра шайбы к диаметру внутреннего отверстия шайбы не менее 3:1, соотношение ширины металлизированной части шайбы к толщине диэлектрической части шайбы не менее 50:1.
вх
вх
В малогабаритном истроне для обеспечения величины нагруженной добротности Q=25-30 входного коаксиального резонатора с малым внутренним диаметром коаксиала (не превышающим 35 мм) устройство связи ввода СВЧ-энергии представляет собой петлю связи в виде рамки, при этом расстояние между нижней ветвью рамки и внутренним проводником коаксиала, находящегося под потенциалом катода, очень мало (Δ≈1 мм), поэтому при высоком напряжении на катоде (10 кВ и более) существует высокий риск электрического пробоя и выхода из строя вакуумной лампы. Чтобы исключить высоковольтные пробои необходимо увеличить расстояние между нижней ветвью рамки петли связи и внутренним проводником коаксиала, например, уменьшить ширину рамки, однако подобное уменьшение влечет за собой увеличение добротности Q почти в два раза, что приводит к снижению усиления и КПД прибора. Избежать негативных последствий уменьшения ширины рамки можно путем изменения конструкции устройства связи ввода СВЧ-энергии - выполнив петлю связи в виде нескольких узких рамок, соединенных параллельно друг к другу с помощью токопроводящих перемычек. Использование нескольких параллельных рамок позволяет увеличить общую площадь устройства связи ввода СВЧ-энергии, пронизываемого электромагнитными силовыми линиями СВЧ поля, что позволяет добиться уменьшения величины нагруженной добротности входного резонатора прибора до необходимых параметров.
Экспериментальные данные показали, что размеры рамок и максимальное расстояние между крайними рамками (фактически длина перемычки) связаны между собой и должны удовлетворять одновременно следующим условиям:
а
где  - длина рамки, b - ширина рамки,
а
где  - длина рамки, t - длина перемычки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображен разрез предлагаемого малогабаритного истрона.
На фиг. 2 представлен общий вид блокировочного конденсатора.
На фиг. 3 представлен общий вид многорамочной конструкции элемента связи ввода энергии.
На фиг. 4 представлен график экспериментальной зависимости величины нагруженной добротности входного резонатора при использовании традиционной (однорамочной) конструкции петли связи устройства ввода СВЧ энергии и при использовании двурамочной конструкции.
На фиг. 5 представлен график экспериментальной зависимости величины нагруженной добротности входного резонатора от размеров перемычек между рамками для двурамочной конструкции петли связи устройства ввода СВЧ энергии.
Предлагаемый малогабаритный истрон, поперечный разрез которого представлен на фиг. 1, содержит:
1 - катодный узел;
2 - промежуток «катод-сетка»;
3 - анод;
4 - трубы дрейфа;
5 - ввод СВЧ энергии;
6 - входной резонатор;
7 - высокочастотный зазор выходного резонатора;
8 - выходной резонатор;
9 - коллектор;
10 - устройство связи ввода СВЧ энергии входного резонатора коаксиального типа, в виде многорамочной конструкции;
11 - устройство связи выходного резонатора коаксиального типа, состоящее из 1 рамки;
12 - блокировочный конденсатор «катод-земля»;
13 - блокировочный конденсатор «сетка-земля».
Конструктивно блокировочный конденсатор (фиг. 2) представляет собой две металлизированные с двух сторон плоские шайбы (1, 2), соединенные параллельно друг с другом через металлическую пластину (3) между ними.
На фиг. 3 показан общий вид многорамочной конструкции элемента связи ввода энергии, где А) - двурамочная конструкция, Б) - трехрамочная конструкция; а - длина рамок, b - ширина рамок, t - расстояние между рамками (длина перемычек). Количество рамок определяется, исходя из требуемой величины добротности входного резонатора, и ограничено габаритными размерами прибора.
вх
На фиг. 4 показан график экспериментальной зависимости величины нагруженной добротности входного резонатора при использовании традиционной (однорамочной) конструкции петли связи устройства ввода СВЧ энергии и при использовании многорамочной конструкции, где: а) изменение нагруженной добротности входного резонатора при традиционной однорамочной конструкции петли связи устройства ввода СВЧ энергии, б) при многорамочной конструкции. Из графика видно, что традиционная (однорамочная) конструкция устройства ввода СВЧ энергии не позволяет обеспечить необходимую величину нагруженной добротности входного резонатора, в то время как многорамочная конструкция (уже при количестве рамок равном 2) позволяет получить требуемую нагруженную добротность Q=26 при тех же размерах длины и ширины рамки.
На фиг. 5 представлен график экспериментальной зависимости величины нагруженной добротности входного резонатора от размеров перемычек между рамками для двурамочной конструкции петли связи устройства ввода СВЧ энергии. Было проведено исследование зависимости величины нагруженной добротности входного резонатора при фиксированных размерах рамки (45×10 мм) для двурамочной конструкции элемента связи ввода энергии от размеров перемычки t. Размер перемычки ограничен механической прочностью устройства ввода СВЧ энергии многорамочной конструкции и должен обеспечивать достаточное расстояние между элементом связи ввода энергии и внешней стенкой коаксиального входного резонатора, чтобы избежать электрического пробоя.
Заявляемый истрон работает следующим образом.
Высокочастотное напряжение между катодом и сеткой, определяемое параметрами входного резонатора 6 и выходным сигналом, а также постоянное сеточное напряжение и напряжение анода 3 обеспечивают образование в катодно-сеточном пространстве 2 периодической частотой входного сигнала последовательности электронных сгустков. Далее эти сгустки ускоряются анодным напряжением в пространстве между сеткой и анодом 4, проходят через трубу дрейфа 5 и достигают высокочастотного зазора 7 выходного резонатора 8, где они отдают свою кинетическую энергию высокочастотному электрическому полю выходного резонатора, обеспечивая усиления входного сигнала. Далее отработанный многолучевой электронный поток попадает в общий для всех пучков коллектор 9 и рассеивается в нем. Блокировочные конденсаторы 12, 13 изолируют наружную часть корпуса входного резонатора 6 по высокому постоянному напряжению и одновременно обеспечивают замыкание токов при наличии изоляции катодного и сеточного частей входного резонатора. Выходной резонатор 8 коаксиального типа, у которого роль внутреннего проводника выполняет коллектор 9 и устройство связи 10 в виде многорамочной конструкции.
а
Был изготовлен электровакуумный прибор в малогабаритном исполнении в соответствии с заявленным техническим решением. Причем, устройство связи ввода СВЧ энергии состоит из двух медных рамок размерами =45 мм, b=10 мм, соединенных между собой токопроводящими перемычками длиной t=20 мм, а блокировочные конденсаторы «сетка-земля» и «катод-земля» выполнены в форме плоских шайб из металлизированного с обеих сторон диэлектрического материала (фторопласта).
Ниже в таблице 1 приведены параметры заявленного истрона и параметры аналога (клистрода фирмы Eimac - Varian (1)) и прототипа (истрон (2)).
Из таблицы видно, что предлагаемый истрон выгодно отличается от однолучевых известных клистродов по габаритным размерам и величине КПД.