ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ СВЧ ПРИБОР ГИБРИДНОГО ТИПА, ИСТРОН
ELECTROVACUUM SHF-DEVICE OF HYBRID TYPE, ISTRON

Изобретение относится к электронной СВЧ технике, а именно к электровакуумным СВЧ приборам гибридного типа - клистродам. Приборы такого типа, в частности, применяются в качестве оконечных усилителей телевизионных передатчиков, обеспечивающих передачу сигнала преимущественно в диапазоне дециметрового телевидения (470-860 МГц).
Основными требованиями, предъявляемыми к электровакуумным приборам, применяемым для усиления телевизионного сигнала, являются: обеспечение высокой стабильности выходного сигнала, обеспечение мгновенной полосы в 6÷9 МГц на каждой частоте, а также работы в широкой полосе перестройки выходного мощного усилителя СВЧ и обеспечение высокого КПД. Кроме этого, клистрод должен обладать высокой электропрочностью и продолжительным сроком службы.
Известен многолучевой электровакуумный прибор - клистрод [1], содержащий осесимметрично расположенные электроды - анод, катодную систему, коллектор, перфорированный управляющий электрод и внешнюю электродинамическую систему, состоящую из входного и выходного резонаторов цилиндрической формы, в боковых крышках которых выполнены отверстия для пролета многолучевого электронного потока, катодная система выполнена в виде отдельных катодов, группами расположенных на одном радиусе относительно оси прибора, с центрами, которые совпадают с осями пролетных отверстий, выполненных в боковых крышках и в дополнительно введенных в резонаторы центральных электродах, имеющих форму сегментов, соединенных радиально проводящими элементами с общим опорным проводником цилиндрической формы, установленным по оси прибора на одной из боковых крышек каждого резонатора, причем между торцами центральных электродов и обращенными к ним поверхностями электродов образуется двойной высокочастотный зазор.
Применение в качестве выходной резонансной системы двухзазорного резонатора влечет за собой существенный недостаток данной конструкции - прибор не может обеспечить возможность работы с максимальной эффективностью во всем широком дециметровом телевизионном диапазоне частот. Это обусловлено тем, что при изменении частоты в диапазоне 470÷860 МГц электрическая длина межзазорного промежутка в двухзазорном резонаторе также должна изменяться почти в 2 раза для обеспечения эффективного энергообмена между электронным потоком и высокочастотным полем. Работа перестраиваемого по частоте прибора с двухзазорным выходным резонатором возможна только в узком диапазоне частот, во много раз меньшем, чем требуется для обеспечения работы в диапазоне дециметрового телевидения.
Известен однолучевой электровакуумный прибор гибридного типа [2], конструкция которого включает в себя катод, управляющую сетку, анод, сквозь которые в рабочем режиме пропускается электронный поток, однозазорные входной и активный выходной резонаторы, трубы дрейфа, коллектор, наружный пассивный выходной резонатор, образующий с активным выходным резонатором систему связанных резонаторов, связь в которой между пассивным и активным резонаторами осуществляется элементом, состоящим из незамкнутой петли связи, расположенной в полости активного резонатора, которая соединена с цилиндрической втулкой, находящейся в полости наружного пассивного резонатора, при этом торец цилиндрической втулки параллелен торцевой плоскости ответной втулки в пассивном резонаторе. Подобные приборы производятся фирмами CPI (Канада), E2V (Англия), Thales (Франция), Philips (Нидерланды). Основным недостатком приборов такого типа является необходимость применять высокие ускоряющие напряжения для обеспечения требуемой выходной мощности, что, как следствие, влечет за собой увеличение вероятности СВЧ пробоев на отдельных участках полосы перестройки передатчика и исключает возможность получения высоких уровней мощности (свыше 20 кВт). Как показывают исследования, СВЧ пробой возникает между элементами петли связи и корпусом активного резонатора по причине возникновения высоких напряжений порядка 100 кВ при достижении выходной мощности около 20 кВт.
Известен также многолучевой электровакуумный прибор гибридного типа, имеющий также коммерческое обозначение «Истрон» [3] (прототип), включающий катод и управляющую сетку, анод и трубу дрейфа, сквозь которые в рабочем режиме пропускается электронный поток, однозазорные входной (активный выходной резонаторы, наружный пассивный выходной резонатор, образующий с активным выходным резонатором цепочку связанных резонаторов, и коллектор, при этом катод выполнен в виде совокупности отдельных эмиттирующих поверхностей, формирующих отдельные электронные пучки; сетка выполнена в виде совокупности отдельных управляющих сеток, каждая из которых размещена над своей эмиттирующей поверхностью, а все вместе они укреплены на едином металлическом сеточном держателе; труба дрейфа выполнена при соблюдении соотношения 0,1≅D/λ≅0,5, где D - диаметр трубы дрейфа; λ - длина волны коротковолнового конца рабочего диапазона длин волн, и содержит совокупность отдельных продольных каналов, предназначенных для пролета отдельных электронных пучков, параллельных аксиальной оси прибора, а центры каналов и соответствующих этим каналам эмиттирующих поверхностей и сеток расположены на более чем одной концентрических окружностях.
Данный прибор за счет многолучевой конструкции позволяет обеспечить мгновенную полосу 6÷9 МГц, требуемую для передачи телевизионного сигнала, в достаточно широкой полосе перестройки передатчика (470÷860 МГц), высокий коэффициент преобразования (около 60%), высокую выходную мощность (на уровне десятков кВт). Недостатком данного прибора также является склонность к возникновению СВЧ пробоев между корпусом выходного активного резонатора и находящейся в нем незамкнутой петлей связи по причине возникающих в петле высоких напряжений (до 100 кВ) при выходной мощности более 20 кВт.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение более высокой по сравнению с аналогами электрической прочности и КПД при высокой выходной мощности (более 20 КВт) в многолучевом электровакуумном приборе гибридного типа, предназначенном для работы во всей полосе частот телевизионного дециметрового диапазона (470÷860 МГц).
Технический результат достигается тем, что предлагается электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа, содержащий катод, выполненный в виде совокупности отдельных эмиттирующих поверхностей, формирующих отдельные электронные лучи, управляющую сетку, выполненную в виде совокупности отдельных управляющих сеток, каждая из которых размещена соосно с соответствующей ей эмиттирующей поверхностью, а все вместе они закреплены на едином металлическом сеточном держателе, однозазорный входной резонатор, анод, трубы дрейфа, содержащие совокупность параллельных продольной оси прибора отдельных пролетных каналов для пропускания индивидуальных электронных лучей, каждый из которых соответствует своей эмиттирующей поверхности и управляющей сетке, коллектор, выходной однозазорный активный резонатор и наружный пассивный выходной резонатор, объединенные в систему связанных резонаторов, связь между выходным активным резонатором и наружным выходным пассивным резонатором осуществляется посредством устройства, представляющего из себя незамкнутую петлю, размещенную в полости активного резонатора и соединенную с цилиндрической втулкой, размещенной в полости пассивного резонатора таким образом, что ее торцевая плоскость параллельна торцевой плоскости ответной втулки, расположенной на широкой стенке пассивного резонатора, при этом незамкнутый конец петли связи соединен с пластиной, имеющей форму кольцевого сегмента, в точке середины ее длины, таким образом, что плоскость пластины параллельна узкой стенке активного резонатора, при этом размеры пластины подбираются такими, чтобы обеспечить значение резонансной частоты петли на 10% ниже верхней границы рабочего диапазона прибора.
В предлагаемом электровакуумном СВЧ приборе гибридного типа коллектор может быть выполнен в виде нескольких ступеней, на которые подаются напряжения, обеспечивающие многоступенчатую рекуперацию энергии отработанных электронов.
Наиболее трудной задачей при создании выходной системы связанных резонаторов электровакуумного СВЧ прибора гибридного типа является обеспечение высокой электрической прочности. Наиболее уязвимой для СВЧ пробоев частью мощного электровакуумного СВЧ прибора является устройство связи между активным и пассивным выходными резонаторами.
Для качественного воспроизведения телевизионного сигнала график амплитудно-частотной характеристики выходной системы с учетом влияния электронных лучей должен иметь вид двугорбой кривой с провалом не более 1 дБ в центре и полосой частот по уровню 1 дБ - не менее 9 МГц. Для получения указанной выше характеристики в связанной двухрезонаторной системе требуется петля связи, имеющая большие геометрические размеры. При этом, увеличивая размеры петли связи, мы одновременно увеличиваем паразитные концевые емкости. При таких условиях петля связи сама становится резонатором, а выходная резонаторная система из двухконтурной становится трехконтурной, что приводит к появлению паразитных видов колебаний и искажению выходного сигнала.
Расчетные и экспериментальные данные показали, что необходимая рабочая полоса достигается при соотношении частот в двухрезонаторной связанной системе:
01
02
где ω - парциальная частота активного резонатора, ω - парциальная частота пассивного резонатора.
связь
При малых размерах петли связи (слабая ) резонансная частота петли выше рабочей частоты на октаву и высокочастотных пробоев не возникает. При значительном увеличении размеров петли в устройстве связи возникают интенсивные СВЧ пробои, препятствующие повышению выходной мощности выше 15÷25 кВт в импульсе при необходимой выходной мощности 60 кВт. Этот факт объясняется с помощью эквивалентной схемы двухконтурной системы связанных резонаторов с сосредоточенными элементами, описывающими индуктивность петли, ее емкость на стенку резонатора, а также емкость втулки устройства связи на стенку пассивного резонатора.
02
п
i
Расчеты эквивалентной схемы подтвердили, что при приближении парциальной частоты пассивного резонатора ω к частоте резонанса петли связи ω, на петле возникают напряжения величиной до 200 кВ при выходной мощности прибора 60 кВт в импульсе. Расчет показал, что напряжение на элементах петли связи обратно пропорционально разности между резонансной частотой петли и рабочей частотой прибора ω. При небольших размерах петли ее резонансная частота располагалась в области 1000÷1200 МГц, то есть достаточно далеко от верхней границы рабочего диапазона 860 МГц. Но такая петля, как отмечалось выше, не обеспечивала необходимой связи для получения мгновенной рабочей полосы 9 МГц. Поэтому задача состояла в том, чтобы разработать устройство связи с собственным резонансом, расположенным ниже длинноволновой границы рабочего диапазона. Расчеты показали, что наиболее сильное влияние на резонансную частоту петли оказывают следующие параметры: индуктивность петли связи, емкость петли связи на стенку резонатора и концевая емкость между концом открытой петли и стенкой резонатора. Увеличение емкости петли связи на стенку резонатора приводило также к повышению добротности резонанса петли, что крайне нежелательно из-за появления СВЧ пробоев. Увеличение концевой емкости между концом открытой петли и стенкой резонатора давало необходимый сдвиг резонансной частоты в низкочастотную область, но реализации необходимой величины концевой емкости между концом открытой петли и стенкой резонатора удалось добиться только при введении в конструкцию петли пластины в форме кольцевого сегмента, параллельной узкой стенке активного резонатора.
Помимо сдвига в низкочастотную область резонансной частоты петли подобная конструкция обеспечивает неизменность частоты собственного резонанса при поворотах петли.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображен осевой разрез предлагаемого электровакуумного СВЧ прибора гибридного типа.
На фиг.2 изображена амплитудно-частотная характеристика двухконтурной связанной системы резонаторов.
На фиг.3 изображены настроечные кривые двухконтурной связанной системы резонаторов.
На фиг.4 изображена эквивалентная схема выходной связанной системы резонаторов предлагаемого электровакуумного СВЧ прибора гибридного типа.
Предлагаемый электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа, разрез которого схематично изображен на фиг.1 содержит: катодный узел 1, содержащий индивидуальные эмиттирующие поверхности 2, держатель сеток 3, содержащий индивидуальные сетки 4, промежуток между катодом и сеткой 5, анод 6, трубы дрейфа 7, содержащие индивидуальные пролетные каналы 8, входной резонатор 9, высокочастотный зазор выходного активного резонатора 10, выходной активный резонатор 11, выходной пассивный резонатор 12, устройство связи 13, вывод энергии 14, блокировочные конденсаторы 15, фокусирующие электромагниты 16, коллектор 17. Также показаны геометрические параметры устройства связи 13:1 - ширина полосы, из которой изготовлена петля связи, а - размах петли связи, b - высота петли связи со стороны замкнутого конца, с - высота петли связи со стороны незамкнутого конца, d - расстояние между незамкнутым концом петли связи и узкой стенкой выходного активного резонатора.
i
На фиг.2 изображена амплитудно-частотная характеристика выходной системы с учетом влияния электронных лучей, при этом кривая (а) показывает зависимость при слабой связи между контурами резонаторной системы, кривая (б) - при сильной связи. Также на фиг.2 обозначены: Δω - полосы рабочих частот, ε - уровень неравномерности АЧХ.
На фиг.3 изображены настроечные кривые двухконтурной выходной системы связанных резонаторов и расположения частотной оси резонансов петли связи для трех случаев: 1 - малая петля связи (слабая связь), 2 - большая традиционная петля связи (сильная связь), 3 - большая петля связи, незамкнутый конец которой соединен с пластиной, имеющей форму кольцевого сегмента.
1
1
2
2
3
4
св
На фиг.4 изображена эквивалентная схема выходной системы связанных резонаторов предлагаемого электровакуумного СВЧ прибора гибридного типа с устройством связи. На схеме обозначены следующие элементы: L, C - индуктивность и емкость активного резонатора; L, С - индуктивность и емкость пассивного резонатора; Lн - индуктивность нагрузки; С - собственная емкость петли; С - емкость коаксиального отверстия связи, С - емкость между цилиндрической втулкой и резонатором в пассивном резонаторе.
Предлагаемый электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа работает следующим образом. Высокочастотное напряжение между катодом и сеткой, определяемое параметрами входного резонатора и входным сигналом, а также постоянное сеточное напряжение и напряжение анода обеспечивают образование в катодно-сеточном пространстве периодической с частотой входного сигнала последовательности электронных сгустков. Далее эти сгустки ускоряются анодным напряжением в пространстве между сеткой и анодом, проходят по пролетным каналам, через трубы дрейфа и достигают рабочего зазора активного выходного резонатора, где они отдают свою кинетическую энергию высокочастотному электрическому полю выходной резонаторной системы, состоящей из резонаторов и устройства связи, обеспечивая усиление входного сигнала.
Далее отработанный многолучевой поток попадает в общий для всех пучков коллектор и рассеивается в нем. Блокировочные конденсаторы изолируют наружную часть корпуса входного резонатора по высокому постоянному напряжению и одновременно обеспечивают замыкание высокочастотных токов при наличии изоляции катодной и сеточной частей входного резонатора. Выходная связанная система резонаторов, состоящая из активного резонатора, пассивного резонатора и устройства связи между ними, обеспечивает мгновенную полосу 9 МГц на каждой частоте рабочего диапазона 470÷860 МГц. Фокусировка электронных пучков осуществляется магнитным полем, создаваемым электромагнитами. Для увеличения КПД коллектор может быть выполнен в виде нескольких ступеней, на которые подаются напряжения, обеспечивающие многоступенчатую рекуперацию энергии отработанных электронов.
Был изготовлен электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа в соответствии с предлагаемым изобретением. В таблице приведено сравнение полученных основных параметров с двумя другими СВЧ приборами гибридного типа, рассмотренными выше [2], [3].
Таблица 1
Изделие
Напряжение катода, кВ
Выходная мощность, кВт
Коэффициент усиления, ДБ
КПД, %
Диапазон перестраиваемых частот, МГц
Число лучей
Предлагаемый электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа
26
64
24,5
62
470÷860
18
Клистрод [2]
32
60
22
56
470÷860
1
Истрон (прототип) [3]
20
20
21
42
470÷810
18
Из таблицы видно, что предлагаемый электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа выгодно отличается от лучших известных гибридных приборов СВЧ по таким параметрам, как величина ускоряющего напряжения, уровень выходной мощности, коэффициент усиления и КПД.
Достигнутые результаты, представленные в Таблице 1, получены при следующих геометрических размерах петли связи, изготовленной из металлической полосы таким образом, что углы между отдельными сегментами петли составляют 90°, фиг.1: φ=180°, l=10 мм, а=75 мм, b=60 мм, с=55 мм, d=25 мм. При данных параметрах резонансная частота петли связи равна 407 МГц, что приблизительно на 13% ниже длинноволновой границы рабочего диапазона гибридного прибора 470÷860 МГц. СВЧ пробои не наблюдаются при выходной мощности 65 кВт и ниже.
Источники информации
1. Царев В.А., Мирошниченко А.Ю. Патент РФ №2084042, МПК H01J 25/02, приоритет от 29.06.1994 г.
2. Патент США №4480210, МПК H01J 25/00, приоритет от 30.10.1984 г.
3. Лопин М.И., Победоносцев А.С., Королев А.Н., Мишкин Т.А. Патент РФ №2152102, МПК H01J 25/02, приоритет от 15.10.1998 г.