СВЧ-УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК H03B9/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к импульсным усилительным и генераторным устройствам на СВЧ-приборах О-типа (клистроны, лампы бегущей волны - ЛБВ и др.), и может быть использовано в разработках аппаратуры для радиолокации, связи, ускорителей и др., самого СВЧ-прибора, входящего в состав устройства.

Для сохранения работоспособности СВЧ-устройства важно контролировать токопрохождение электронного луча на коллектор СВЧ-прибора. Для этого обычно измеряют ток электродинамической системы, который во избежание отказа СВЧ-прибора не должен превышать предельной величины.

У мощных СВЧ-приборов О-типа электродинамическая система обычно глухо соединяется с металлическим корпусом прибора, заземленным через волновод вывода энергии, а также соединенным с корпусом аппаратуры. Это не позволяет измерять ток электродинамической системы непосредственно.

При работе импульсного СВЧ-прибора О-типа ток электродинамической системы определяют как разность катодного и коллекторного токов [1], для чего используют электромагнитное трансформаторное вычитающее устройство с выходным напряжением, величина которого прямо пропорциональна разности токов катода и коллектора.

Для обеспечения возможности измерения тока коллектора последний изолируют от металлического корпуса СВЧ-прибора с помощью полого керамического изолятора так же, как и катод, находящийся под высоким отрицательным потенциалом (коллектор находится под сравнительно низким потенциалом). Наличие изолятора между коллектором и корпусом прибора создает опасность высокочастотного излучения через керамику изолятора во внешнее пространство, что недопустимо по соображениям электромагнитной совместимости, опасности поражения обслуживающего персонала и др. Поэтому в некоторых СВЧ-приборах, у которых излучение через керамику изолятора недопустимо, коллекторный изолятор не применяют. У таких приборов коллектор глухо соединяют с корпусом, в результате чего образуется электромагнитно экранированная система. Однако такая мера устраняет возможность контроля работоспособности СВЧ-прибора посредством выделения и измерения тока электродинамической системы. Другими словами подавление паразитного излучения через керамику изолятора достигается за счет устранения возможности измерения тока электродинамической системы.

У другой группы приборов коллекторный изолятор вводят в конструкцию прибора, но ток электродинамической системы измеряют только на технологических операциях юстировки магнитной фокусирующей системы при отсутствии высокочастотной модуляции электронного луча, т.е. в статическом режиме, когда излучения нет.

В динамическом режиме работы СВЧ-прибора - при высокочастотной модуляции электронного луча и наличии паразитного излучения через керамику коллекторного изолятора последний экранируют электромагнитным экраном, глухо соединенным с корпусом и коллектором. Эта мера, как уже отмечалось выше, образует электромагнитно экранированную систему, устраняет паразитное излучение, но и лишает возможности измерения тока электродинамической системы в динамическом режиме.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа импульсный СВЧ-прибор О-типа [2]. Этот прибор содержит катод, электродинамическую систему, соединенную с заземленным металлическим корпусом, коллектор, отделенный от корпуса прибора полым керамическим изолятором, закрытым электромагнитным экраном, который глухо соединяют с корпусом и коллектором при работе прибора в динамическом режиме (для исключения излучения через керамику изолятора во внешнюю среду).

Недостатком известного прибора является невозможность контроля работоспособности посредством выделения и измерения тока электродинамической системы при работе в динамическом режиме.

Целью изобретения является обеспечение контроля работоспособности устройства посредством выделения и измерения тока электродинамической системы.

Цель достигается тем, что в СВЧ-устройство, содержащее импульсный электровакуумный СВЧ-прибор О-типа с катодом, электродинамической системой, глухо соединенной с заземленным металлическим корпусом прибора и через керамический изолятор с коллектором, который экранирован металлическим экраном, глухо соединенным с корпусом и коллектором прибора, источник питания, положительный полюс которого заземлен, введены импульсный трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между отрицательным полюсом источника питания и катодом, пояс Роговского, размещенный в пространстве между изолятором и экраном, первый, второй и третий разностные усилители, блок восстановления постоянной составляющей, интегратор с интегрирующим конденсатором, ключ, одновибратор и блок управления, причем выводы вторичной обмотки трансформатора тока подключены к входам первого разностного усилителя, выход которого через блок восстановления постоянной составляющей подключен к первому входу второго разностного усилителя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, вход которого подключен к выходу третьего разностного усилителя, к входам которого подключены выводы пояса Роговского, параллельно интегрирующему конденсатору подключены выводы ключа, управляющие входы которого подключены к выводам блока управления, вход которого соединен с выходом одновибратора, вход которого соединен с вводом сигнала запуска устройства и одновременно с управляющим входом источника питания, выход второго разностного усилителя соединен с выводом сигнала, пропорционального току электродинамической системы. Пояс Роговского, как известно, служит для измерения импульсов тока, имеет обычно "воздушный", чаще всего пластмассовый сердечник любой формы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: импульсного трансформаторного тока, пояса Роговского, разностных усилителей, блока восстановления постоянной составляющей, интегратора, ключа, одновибратора и блока управления. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями показывает, что введенные в устройство элементы известны. Однако при их введении в указанные связи между собой и с остальными элементами устройства вышеуказанные элементы проявляют новые свойства, что обеспечивает возможность контроля работоспособности устройства посредством выделения и измерения тока электродинамической системы. В самом деле, импульсный трансформатор тока выделяет сигнал, пропорциональный току катода, который после усиления и восстановления постоянной составляющей поступает на один из входов разностного усилителя. На другой вход этого разностного усилителя поступает сигнал, пропорциональный току коллектора, измеряемый посредством пояса Роговского с последующим усилением и интегрированием внешним интегрирующим устройством.

Для исключения ошибки интегрирования применено обнуление напряжения интегрирующего конденсатора в паузе между импульсами посредством введенного замкнутого в паузе между импульсами и разомкнутого во время импульса ключа. Ключ управляется двухфазным напряжением сигнала. Такой подход исключает помехи, наводимые на сигнальные проводники за счет паразитных связей, а также устраняет шумы, обычно свойственные схемам, если в качестве второго проводника сигнала используется общий провод-корпус, земляная шина, с которыми обычно соединяются различные источники. Двухфазное напряжение сигнала вырабатывается блоком управления, на входе которого действует сигнал одновибратора, который управляется тем же сигналом, что и источник питания. На выходе разностного усилителя формируется сигнал, пропорциональный разности токов катода и коллектора, т.е. пропорциональный току электродинамической системы, который используется для контроля работоспособности устройства. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого устройства, которое содержит импульсный электровакуумный СВЧ-прибор 1 О-типа с металлическим корпусом 2, коллектором 3, электродинамической системой 4, электромагнитным экраном 5 и полым кольцевым керамическим изолятором 6. В пространстве между изолятором 6 и экраном 5 размещен пояс 7 Роговского кольцевой формы. Устройство содержит также источник 8 импульсного питания с управляющим входом, импульсный трансформатор 9 тока, первый разностный усилитель 10, блок 11 восстановления постоянной составляющей, второй разностный усилитель 12, одновибратор 13, блок 14 управления, ключ 15, интегратор 16 с внешним интегрирующим конденсатором 17, третий разностный усилитель 18, ввод 19 сигнала управления устройством, вывод 20 сигнала тока электродинамической системы СВЧ-прибора.

Устройство работает следующим образом.

При включении всех питающих напряжений устройства (фиг. 1) на его элементах появляются импульсные сигналы, временные диаграммы которых представлены на фиг. 2.

На ввод 19 поступает сигнал управления (фиг. 2а), управляющий работой источника 8 питания и одновибратора 13. На катоде прибора 1 появляется модулирующий импульс (фиг. 2б), вызывающий появление тока катода - электронного луча. Ток катода измеряется импульсным трансформатором 9 тока, и на входе разностного усилителя 10 появляется сигнал (фиг. 2в), смещенный относительно нулевой линии из-за потери постоянной составляющей в импульсном трансформаторе 9 тока катода. В блоке 11 происходит восстановление постоянной составляющей и сигнал приобретает форму фиг. 2г. Сигнал с восстановленной постоянной составляющей поступает на один из входов разностного усилителя 12.

Пояс 7 Роговского для измерения тока коллектора 3 прибора 1 работает в дифференцирующем режиме. Сигналы пояса Роговского показаны на фиг. 2,е.

Восстановление сигнала, пропорционального току коллектора 3 прибора 1, производится посредством внешнего интегрирующего устройства 16 с интегрирующим конденсатором 17. Восстановленный сигнал (фиг. 2ж), пропорциональный току коллектора 3, поступает на второй вход разностного усилителя 12, на выходе которого появляется сигнал, пропорциональный разности токов катода и коллектора 3 прибора 1, т.е. току электродинамической системы 4 (фиг. 2з).

Для устранения ошибки интегрирования и повышения помехоустойчивости интегратор 16 выполнен с внешним дополнительным ключом 15, который замкнут (выходное напряжение интегратора обнулено), пока отсутствует входной интегрируемый импульс тока коллектора 3. К моменту прихода сигнала с пояса 7 Роговского ключ 15 размыкается, подготавливая интегратор 16 к работе по своему назначению.

Для управления работой ключа 15 служат одновибратор 13 и блок 14 управления. Импульс управления (фиг. 2а) запускает одновибратор 13, который формирует импульс управления (фиг. 2д) длительностью τ _ов, превышающей длительность модулирующего импульса длительностью τ_и и периодом Т_и.

Импульсы управления через блок 14 управления, в котором осуществляется гальваническая развязка цепей управления от цепей ключа 15, вырабатывает изолированный от корпуса (земли) сигнал, который управляет работой ключа 15, разрешая интегрирование сигнала с пояса 7 Роговского только во время модулирующего импульса (фиг. 2б).

Указанное решение позволяет достигать высоких помехоустойчивости и точности результата интегрирования.

Технико-экономический эффект предложения определяется тем, что введенными элементами и их связями обеспечивается возможность контроля работоспособности устройства по наиболее критичному к перегрузке параметру - току электродинамической системы. Контроль предельной величины этого тока предотвращает отказы устройства по оплавлению элементов электродинамической системы СВЧ-прибора (этот вид отказа является одним из основных). Поэтому контроль функционирования устройства посредством выделения и измерения сигнала, пропорционального току электродинамической системы, является основным условием обеспечения надежной работы устройства.

Другим техническим преимуществом предложенного устройства являются высокие точность измерения тока и помехоустойчивость, так как в устройстве принято обнуление интегрирующего конденсатора в паузе между импульсами и применен двухфазный вывод сигналов с трансформатора тока и пояса Роговского, а также двухфазное управление ключом, устраняющие помехи за счет наличия паразитных связей, а также препятствующие проникновению сигнала помехи по общим нулевым (заземленным) цепям.

По предложенному устройству изготовлено лабораторное устройство и проведено экспериментальное исследование, давшее положительный результат. Подтвержден технический эффект и принято решение о проведении конструкторской разработки. Предполагается внедрение устройства в технологическом оборудовании производства и испытаний СВЧ-приборов.

СВЧ-устройство относится к радиотехнике, а именно к усилительным и генераторным устройствам на СВЧ-приборах О-типа. Цель изобретения - обеспечение контроля работоспособности устройства посредством выделения и измерения тока электродинамической системы. Для этого в СВЧ-устройство, содержащее СВЧ-прибор с катодом, электродинамической системой 4, источник 8 питания, положительный полюс которого заземлен, введены импульсный трансформатор 9 тока, пояс 7 Роговского, три разностных усилителя 10,12,18, блок 11 восстановления постоянной составляющей, интегратор 16 с конденсатором 17, ключ 15, одновибратор 13 и блок 14 управления с соответствующими электрическими связями. Введенные элементы и связи позволяют выделить сигнал, пропорциональный току катода, который после усиления и восстановления постоянной сставляющей поступает на один из входов резонанстного усилителя, а на другой вход поступает сигнал, пропорциональный току коллектора, измеряемый посредством пояса Роговского, с последующим усилением и интегрированием внешним интегрирующим устройством. 2 ил.

СВЧ-УСТРОЙСТВО, содержащее импульсный электровакуумный СВЧ-прибор 0-типа, включающий катод, электродинамическую систему, жестко соединенную с заземленным металлическим корпусом прибора и через керамический изолятор - с коллектором, который экранирован металлическим экраном, жестко соединенным с корпусом и коллектором прибора, и источник питания, положительный полюс которого заземлен, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения контроля работоспособности посредством выделения и измерения тока электродинамической системы, в него введены импульсный трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между отрицательным полюсом источника питания и катодом, пояс Роговского, размещенный в пространстве между изолятором и экраном, первый, второй и третий разностные усилители, блок восстановления постоянной составляющей, интегратор с интегрирующим конденсатором, ключ, одновибратор и блок управления, причем выводы вторичной обмотки трансформатора тока подключены к входам первого разностного усилителя, выход которого через блок восстановления постоянной составляющей подключен к первому входу второго разностного усилителя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, вход которого подключен к выходу третьего разностного усилителя, к входам которого подключены выводы пояса Роговского, к параллельно интегрирующему конденсатору подключены выводы ключа, управляющие входы которого подключены к выходам блока управления, вход которого соединен с выходом одновибратора, вход которого соединен с вводом сигнала управления устройством и одновременно с управляющим входом источника питания, выход второго разностного усилителя является выходом устройства.