МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОД

Предлагаемое устройство относится к области электронной техники, в частности, к СВЧ - приборам гибридного типа, в которых во входном резонаторе используется квази электростатический способ управления катодным током (модуляция по плотности), а в выходном резонаторе клистронного типа кинетическая энергия электронного пучка за счет эффекта индукции непосредственно преобразуется в энергию выходного сигнала без перехвата электронов на стенки резонатора. Неиспользованная часть энергии электронного пучка рассеивается в коллекторе, вынесенном за пределы области взаимодействия. Такие приборы получили название ламп с индукционным взаимодействием или клистродов, которые широко применяются в качестве оконечных усилителей телевизионных передатчиков и имеют определенные перспективы применения в разнообразных установках СВЧ энергетики (см. Прист Д.Х. Клистрод - необычайно мощная лампа, потенциально пригодная для ТВ-вещания в УВЧ-диапазоне// ТИИЭР, т.70, 1982, с.84-92.).
Известны конструкции однолучевых клистродов - IOТ (см., например, Пат. GB №2277193 А1. кл. H 01 J 23/26 /Sobieradski E.S/ лектронный СВЧ-прибор O-типа. опубл. 19.10.94 г.). Управляющий электрод в этих приборах выполнен из пиролитического графита в виде мелкоструктурной сетки, размеры ячейки которой значительно меньше размера катода и меньше расстояния "катод-сетка". Анод лампы выполнен с отверстием, через которое проходят электроны. Входная электродинамическая система представляет собой коаксиальный резонатор.
Входной резонатор и электронная пушка электрически изолированы по постоянному току и образуют единую электродинамическую систему на высокой частоте. Эта система имеет внутреннюю и внешнюю части, которые разделены изолятором. Причем, внутренняя часть резонатора находится - в электрическом контакте с электронной пушкой, а кольцевой блокировочный конденсатор, образованный внутренними и внешними обкладками коаксиально расположен относительно электронной пушки, причем внутри этого конденсатора расположен изоляционный материал, а внешняя обкладка соединена с анодом.
Однако в однолучевой конструкции мощного клистрода с одним катодом требуется использование высокопервеансного электронного пучка, что приводит к уменьшению электронного КПД из-за вредного влияния на процессы взаимодействия собственного пространственного заряда этого пучка.
От этого недостатка свободны многолучевые клистроды (см., например, Пат. RU №2152102 С1, МКП. H 01 J 23/26 /Лопин М.И. и др./ Электровакуумный прибор СВЧ, ИСТРОН, опубл. 27.06.2000 г.).
В таком приборе катод выполнен в виде совокупности отдельных эмиттирующих поверхностей, формирующих индивидуальные электронные пучки. Труба дрейфа содержит совокупность отдельных продольных каналов с плотной упаковкой для пролета индивидуальных электронных пучков, а электродинамическая система выполнена в виде двух внешних съемных однозазорных резонаторов с механической перестройкой частоты. При плотной упаковке большого числа лучей в пределах одной пролетной трубы усложняется конструкция катодной системы, затрудняется фокусировка лучей, вследствие чего увеличиваются тепловые потери.
Использование в качестве выходной электродинамической системы внешнего однозазорного резонатора, имеющего малое характеристическое сопротивление, ограничивает полосу пропускания прибора, а наличие скользящего контакта
между частями выходного резонатора может привести к подгоранию контактных соединений, что затрудняет эксплуатацию прибора и снижает надежность его работы. Кроме того, остается нерешенной и проблема устранения излучения в местах расположения блокировочных конденсаторов.
Все это вызывает необходимость создания многолучевых гибридных СВЧ-приборов клистродного типа с пространственно-развитыми электронными лучами.
Наиболее близкий к заявляемому по совокупности признаков и, выбранный нами как прототип, многолучевой клистрод с внутренним выходным двухзазорным пространственно-развитым резонатором, резонансные элементы которого имеют симметричную древовидную структуру (Пат. 2084042 RU МКП H 01 J 25/02// Н 01 J 25/04. Клистрод/ А.Ю.Мирошниченко, В.А.Царев; Сарат. гос. техн. Ун-т (Россия). Опубл. В БИ №19, 10.10.97 г.). Этот прибор также содержит пространственно-разделенный коллектор и входной резонатор, металлические части которого электрически изолированы по постоянному току от расположенных осесимметрично на одном радиусе катодов, управляющего электрода с отверстиями, закрытыми мелкоструктурными сетками, расположенными против каждого катода и образующими емкостной зазор.
Металлическая оболочка входного резонатора в прототипе, как и в однолучевых клистродах, состоит из фрагментов с емкостной связью между ними (блокировочных конденсаторов). Через промежутки между фрагментами происходит излучение СВЧ - поля, являющееся вредным фактором окружающей среды. Для устранения этого излучения при работе на длинных волнах (более 0.5 м) требуется применение громоздких дополнительных блокировочных элементов, обычно выполняемых в виде замкнутых на одном конце отрезков четвертьволновых коаксиальных линий (см., например, М.С.Нейман. Курс радиопередающих устройств, ч.2,
Радиопередатчики сверхвысоких частот. Издательство «Советское радио», М, 1958, с.87-88.)
Кроме того, в прототипе не предусмотрена установка механизма перестройки частоты, что затрудняет эксплуатацию прибора.
Техническим результатом полезной модели является улучшение условий эксплуатации прибора и повышение надежности его работы.
Этот технический результат достигается тем, что в многолучевом клистроде, содержащем входной резонатор, металлические части которого электрически изолированы по постоянному току от расположенных осе симметрично на одном радиусе катодов, управляющего электрода с отверстиями, закрытыми мелкоструктурными сетками, расположенными против каждого катода и образующими емкостной зазор, входной резонатор имеет внутреннюю и внешнюю металлические части, разделенные изолятором, на котором закреплены два кольцевых блокировочных конденсатора. Эти конденсаторы отделены один от другого в продольном направлении, причем внутренние обкладки конденсаторов соединены с коаксиальной внутренней частью резонатора, оканчивающуюся емкостным зазором, а внешние обкладки, снабжены дополнительными блокировочными элементами и соединены с внешней частью резонатора, выполненной в виде замкнутого на конце отрезка радиальной линии. Дополнительные блокировочные элементы выполнены в виде кольцевых четвертьволновых полицилиндрических резонаторов. Каждое такое устройство может рассматриваться как система коаксиальных фидеров, причем все они являются продолжением друг друга и включены последовательно. Поэтому на длинных волнах дополнительные блокировочные элементы имеют малую длину и увеличенную ширину. Выполнение внешней части резонатора в виде отрезка радиальной линии позволяет широкую часть блокировочного элемента включить в общую длину этой линии, не увеличивая радиальных размеров ее короткозамыкающей части.
Настройка входного резонатора осуществляется с помощью подстроечного элемента в виде поршня, расположенного на одном из электродов радиальной линии и отстоящего от управляющего электрода на расстояние около трех четвертей длины волны.
Проведенные расчеты показывают, что расстояние между внутренними стенками радиальной линии должно определяться из условия получения максимального значения характеристического сопротивления в резонансном отрезке с длиной, равной трем четвертям длины волны, нагруженном на емкость зазора.
р
где λ - рабочая длина волны, м,
Н - расстояние меду электродами радиальной линии, м;
Rо - начальный (минимальный) радиус радиальной линии, м;
0
С - емкость одного зазора «сетка-катод», Ф;
N - число лучей.
-12
Пример. Для N=4, при Ro=0,085 м и емкости одного зазора, равной Со=1.9 10 Ф из соотношения (1) находим, что на частоте 530 МГц высота резонатора Н=0,06 м.
Минимальное значение расстояния Н определяется из условия нарушения электрической прочности между петлей связи, служащей для возбуждения резонатора, и стенками радиальной линии.
В результате использования перечисленных признаков поставленная задача решена, и при этом обеспечены следующие преимущества. Облегчены условия эксплуатации прибора и повышена надежность его работы, так как утечка ВЧ
энергии в усовершенствованной конструкции прибора, снабженного механизмом перестройки частоты, полностью исключена.
Предложенное техническое решение можно проиллюстрировать чертежом, на которой схематически изображен разрез прибора. Многолучевой клистрод содержит входной резонатор, внутренняя-1 и внешняя-2 металлические части которого электрически изолированы по постоянному току от расположенных осесимметрично на одном радиусе R катодов-3, управляющего электрода-4 с отверстиями, закрытыми мелкоструктурными сетками-5, расположенными против каждого катода и образующими емкостной зазор. Внутренняя и внешняя металлические части резонатора разделены изолятором-6, на котором закреплены два кольцевых блокировочных конденсатора-7 и 8. Эти конденсаторы отделены один от другого в продольном направлении, причем внутренние обкладки конденсаторов соединены с коаксиальной внутренней частью резонатора, оканчивающегося емкостным зазором- 9. Внешние обкладки конденсаторов снабжены дополнительными блокировочными элементами 10 и 11. Эти элементы соединены с внешней частью резонатора, выполненной в виде замкнутого на конце 12 отрезка радиальной линии с расстоянием Н между ее внутренними стенками. Дополнительные блокировочные элементы выполнены в виде кольцевых четвертьволных полицилиндрических резонаторов. Для перестройки резонатора в одной из стенок радиальной линии установлены поршни-13 в виде кольцевых элементов, выполненных с возможностью их перемещения вдоль оси прибора.
Прибор содержит также следующие части:
14 - анод, 15 - трубы дрейфа, 16 - выходной пространственно- развитый резонатор, резонансные элементы которого имеют симметричную древовидную структуру, выполненную в виде опорного ствола-17 и радиальных веток-18, оканчивающихся центральными электродами-19. Между торцами этих
электродов и торцами пролетных труб, закрепленных на боковых крышках выходного резонатора, образуется многолучевой двойной зазор. Прибор содержит также коллекторную систему- 20 с общим числом коллекторов, равным числу лучей.
Клистрод работает следующим образом:
Высокочастотное напряжение между катодом-3 и сеткой-6, соединенной с управляющим электродом-4 и определяемое параметрами входного резонатора и входным сигналом, а также постоянное сеточное напряжение (напряжение смещения) и напряжение анода-14 обеспечивают образование в катодно-сеточном пространстве периодической (с частотой входного сигнала) последовательности электронных сгустков, аналогично тому, как это происходит в триодах и тетродах, работающих в классе "В" или "АВ".
Настройку резонатора на заданную выходную резонансную частоту осуществляют за счет перемещения поршней-13 вдоль оси прибора.
Далее эти электронные сгустки ускоряются анодным напряжением в пространстве между сетками-5 и анодом-14, проходят через индивидуальные пролетные трубы-15, разделяющие входной и выходной резонаторы, и достигают двойного пространственно-развитого зазора выходного резонатора, где они отдают свою кинетическую энергию высокочастотному электрическому полю. После прохождения выходного резонатора отработанный многолучевой электронный поток попадает в индивидуальные для каждого пучка коллекторы 20 и рассеивается в них.
Блокировочные конденсаторы-7 и 8 изолируют внешние-2 и внутренние-1 части входного резонатора по высокому постоянному напряжению и одновременно обеспечивают надежное замыкание высокочастотных токов при наличии дополнительных блокировочных элементов 10 и 11.
Наиболее благоприятные условия блокировки имеют место, если:
полная длина последовательно соединенных отрезков полицилиндрического резонатора, замкнутых на конце (с поправкой на емкость неоднородности и емкость линии у ее разомкнутого конца b) равна четверти дины волны. В этом случае эта линия имеет очень большое сопротивление у своего разомкнутого конца b. Это обеспечивает почти полное замыкание токов высокой частоты через блокировочный конденсатор 7 и 8 без излучения во внешнюю среду. Для увеличения КПД каждый коллектор может быть выполнен в виде нескольких ступеней, на которые могут быть поданы напряжения, обеспечивающие многоступенчатую рекуперацию энергии отработанных электронов.