Многолучевой клистрод

Предлагаемое устройство относится к области электронной техники, в частности к СВЧ-приборам гибридного типа - многолучевым клистродам. Такие приборы применяются в качестве оконечных усилителей телевизионных передатчиков и имеют перспективы применения в устройствах СВЧ энергетики. Полезная модель направлена на улучшение условий эксплуатации прибора и повышение надежности его работы. Указанный технический результат достигается тем, что входной резонатор имеет в составе конструкции два кольцевых блокировочных конденсатора, снабженных дополнительными блокировочными элементами в виде кольцевых четвертьволновых полицилиндрических резонаторов. Такое техническое решение позволяет полностью исключить излучение, не увеличивая радиальных размеров прибора. Для настройки входного резонатора в одной из стенок радиальной линии установлены поршни в виде кольцевых элементов.

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.

где _р - рабочая длина волны, м,

Н - расстояние меду электродами радиальной линии, м;

Rо - начальный (минимальный) радиус радиальной линии, м;

С ₀ - емкость одного зазора «сетка-катод», Ф;

N - число лучей.

Пример. Для N=4, при Ro=0,085 м и емкости одного зазора, равной Со=1.9 10^-12 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.

1. Многолучевой клистрод, содержащий 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, отличающийся тем, что входной резонатор содержит внутреннюю и внешнюю металлические части, разделенные изолятором, на котором закреплены два кольцевых блокировочных конденсатора, отделенные 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.

2. Многолучевой клистрод по п.1, отличающийся тем, что в одной из стенок радиальной линии установлены поршни в виде кольцевых элементов, выполненных с возможностью их перемещения вдоль оси прибора.

3. Многолучевой клистрод по п.1, отличающийся тем, что дополнительные блокировочные элементы выполнены в виде кольцевых четвертьволных полицилиндрических резонаторов.

4. Многолучевой клистрод по п.1, отличающийся тем, что расстояние Н между внутренними стенками радиальной линии выбирается из следующего условия:

H/_рRo 10^-11/C₀ N,

где _p - рабочая длина волны, м;

Н - расстояние между электродами радиальной линии, м;

Ro - начальный (минимальный) радиус радиальной линии, м;

С ₀ - емкость одного зазора "сетка-катод", Ф;

N - число лучей.