КЛИСТРОД Российский патент 1997 года по МПК H01J25/02 H01J25/04 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к СВЧ-приборам гибридного типа триод-клистрон, и может быть использовано в мощных усилителях и генераторах СВЧ-колебаний.

Для длинноволнового и средневолнового диапазона СВЧ актуальной проблемой является создание мощных высокоэффективных усилительных и генераторных приборов с уменьшенными габаритами и массой. В этом диапазоне СВЧ обычно используются СВЧ-тетроды и многорезонаторные клистроны.

Известны СВЧ-клистроны, работа которых основана на скоростной модуляции электронного луча. Они могут быть использованы для усиления и генерации СВЧ-сигналов, имеют большой коэффициент усиления и высокий уровень выходной мощности.

Однако по сравнению с СВЧ-триодами и тетродами клистроны (в режиме с большим КПД) имеют большие габариты и массу (Гайдук В.И. Палатов К.И. Петров Д. М. Физические основы электроники СВЧ. М. Сов. радио, 1971, 599 с.). Кроме того, для получения больших мощностей они требуют больших ускоряющих напряжений, а тетроды имеют невысокий КПД, большие тепловые потери и сравнительно малый срок службы.

От этих недостатков в значительной мере свободны гибридные приборы - клистроды, объединяющие в одном приборе клистрон и СВЧ-триод (или тетрод) (Артюх И.Г. и др. Релятивистские СВЧ устройства сверхбольшой мощности// Обзоры по электронной технике, сер. 1, Электроника СВЧ, М. ЦНИИ "Электроника", 1989, с. 49-50; Прист Д.Х. Клистрод необычайно мощная лампа, потенциально пригодная для ТВ-вещания в УВЧ-диапазоне// ТИИЭР, т. 70, 1982, с. 84-92).

Входная часть таких приборов выполняется с использованием конструктивных признаков вакуумного триода или тетрода, а выходная клистрона. Это позволяет повысить КПД и улучшить массо-габаритные показатели (Сушков А.Д. Меос В.А. Основные достижения и направления развития клистродов//Электронная техника. сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Вып.8 (138), 1992, с. 17-20).

Значительные преимущества перед однолучевыми приборами имеют приборы с пространственно-развитыми электронными потоками (Канавец В.И. Сандалов А.Н. Слепков А.И. Теребилов А.В.// Радиотехника и электроника, 1978, т. 23, N 11, с. 2379-2390; Дубровка Ф.Ф. Найденко В.И. Старченко Е.А.// Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1980, Вып. 7, с. 8-10; Водопьянов Ф.А. Литвинов В.Н.// Межвузовский сб. Колебательные явления в потоках заряженных частиц. Л. СЗПИ, 1978, с. 73-78).

Однако увеличение числа лучей в классических конструкциях СВЧ-приборов (клистронов или клистродов) приводит к соответствующему увеличению площади пространства взаимодействия в резонаторах, возрастанию степени неоднородности электрического поля по радиусу пространства взаимодействия и падению КПД. Если же резонансные системы имеют небольшие размеры пространства взаимодействия (ограниченные условием квазистационарности), то в таких приборах возрастает влияние пространственного заряда в парциальных лучах и затрудняется их фокусировка, увеличиваются тепловые потери.

Все это приводит к необходимости создания многолучевых гибридных СВЧ-приборов клистродного типа с пространственно-развитыми электронными лучами, расстояние между которыми было бы сравнимо с длиной волны. Это требует разработки новых типов резонаторных систем и новых конструктивных схем построения СВЧ-приборов.

Наиболее близкий к заявляемому по совокупности признаков и выбранный нами как прототип клистрод содержит осесимметрично расположенные в вакуумном баллоне анод, катодную систему в виде общего плоского катода, выполненного с возможностью разделения электронного потока на ряд отдельных лучей, коллектор, перфорированный управляющий электрод с мелкоструктурной сеткой и внешнюю электродинамическую систему, состоящую из входного и выходного однозазорных резонаторов с корпусами цилиндрической формы. Боковые крышки выходного резонатора, в которых имеются отверстия для пролета многолучевого электронного потока, выполнены из ферромагнитного материала и служат магнитными экранами и между ними снаружи прибора расположена катушка соленоида (авт. св. N 1035677, "Электронная лампа", кл. H 01 J 21/18, 1983).

Выполнение управляющего электрода мелкоструктурным в сочетании с оптимальным расположением магнитной фокусирующей системы в области выходного резонатора и разделением электронного луча в катодной системе на несколько отдельных лучей с малым пространственным зарядом приводит к повышению КПД в таком устройстве до 70-80% при коэффициенте усиления не более 20 дБ.

Однако использование одного общего плоского (без сходимости луча) катода не позволяет получить долговечность свыше 10000 ч из-за сравнительно большой плотности тока эмиссии с катода (больше 0.5 A/см²), а применение в электродинамической системе однозазорных входного и выходного резонаторов ограничивает коэффициент усиления и полосу усиливаемых частот из-за малого (не более 50 80 Ом) характеристического сопротивления этих резонаторов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение выходных параметров клистрода: повышение коэффициента усиления, расширение полосы усиливаемых частот и увеличение долговечности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в клистроде, содержащем осесимметрично расположенные электроды анод, катодную систему, управляющий электрод, коллектор и электродинамическую систему, состоящую из входного и выходного резонаторов с корпусами цилиндрической формы, в боковых крышках которых выполнены отверстия для пролета многолучевого электронного потока, катодная система выполнена в виде отдельных катодов, центры эмиссии которых расположены на одном радиусе относительно оси прибора и совпадают с осями отверстий в боковых крышках, и в дополнительно введенных центральных электродах, отделенных один от другого по длине окружности на равные расстояния и симметрично установленных внутри корпусов резонаторов, причем каждый из этих электродов своей серединой соединен с помощью радиально направленного проводника со свободным концом общего опорного электрода цилиндрической формы, установленного по оси прибора и имеющего на другом конце электрический контакт одной из боковых крышек резонатора.

Предлагаемое устройство является многолучевым гибридным СВЧ-прибором клистродного типа с электронными лучами, расстояние между которыми сравнимо с длиной волны, что достигается за счет использования новой конструкции электродинамической системы с пространственно-развитой резонансной структурой.

Одной из оптимальных форм выполнения дополнительных центральных электродов, способствующих достижению поставленной цели, является выполнение их в форме частей кругового кольца, отсекаемых радиусами, исходящими из центра, совпадающего с осью прибора. Длина каждой отсеченной части кругового кольца, зависит от числа отверстий и ширины перемычки между ними.

Для создания радиальной симметрии всей резонансной структуры соединение отсеченной части кругового кольца с радиально направленным проводником осуществлено в середине каждой этой части. Эта середина лежит на перпендикуляре, проведенном в середине хорды, соединяющей точки пересечения секущих радиусов и дуги, проходящей по внутреннему диаметру кольца.

В каждом из таких электродов может быть образовано от одного до 4 5 отверстий, расположенных на среднем радиусе кольца, центр которого совпадает с осью прибора и его фокусирующей системы. Общее же число отверстий, и соответственно число лучей, может доходить от одного до 16 20.

За счет увеличения числа лучей достигается повышение КПД и расширение полосы усиливаемых частот.

Когда в дополнительном центральном электроде выполнено всего одно отверстие, то форма этого электрода уже не играет большого значения, она может быть любой, например в виде кольца, ось симметрии которого совпадает с осью эмиссии соответствующего катода, или, например, в виде сегмента, образованного дугой, проходящей по внешнему диаметру кольца и двумя радиусами, исходящими из середины вышеупомянутой хорды.

Резонаторы в этом случае за счет уменьшения суммарной емкости двойных высокочастотных зазоров (число которых равно числу радиально направленных проводников) будут иметь более высокое, чем при большом числе лучей, характеристическое сопротивление (около 200 300 Ом), что способствует повышению коэффициента усиления прибора.

При таком конструктивном выполнении прибора, когда центры эмиссии электронов пространственно разнесены, возможно использование катодов большой площади сферического типа со сходимостью лучей, что позволяет получить высокую долговечность за счет сравнительно небольшой плотности тока эмиссии с каждого катода.

В результате использования перечисленных существенных признаков поставленная задача решена, и при этом обеспечены следующие преимущества. Применение многолучевого двухзазорного резонатора с пространственно-развитой резонансной структурой в качестве входного резонатора позволяет повысить коэффициент усиления в 1,5 2 раза за счет более высокого, чем у однозазорного многолучевого резонатора характеристического сопротивления, а также за счет компенсации активных потерь во входном резонаторе за счет отрицательной электронной проводимости, вносимой электронным пучком в двухзазорный резонатор.

Использование многолучевого двухзазорного резонатора на выходе позволяет увеличить полосу пропускания клистрода пропорционально возрастанию величины характеристического сопротивления.

Выполнение катодной системы в виде отдельных катодов, центры эмиссии которых симметрично расположены на одном радиусе относительно оси прибора, позволяет, во-первых, обеспечить одинаковые условия фокусировки для всех лучей, а во-вторых, повысить ресурс работы клистрода, так как даже при выходе из строя одного или двух катодов прибор будет сохранять работоспособность.

Результаты экспериментальных исследований макета двенадцатилучевого двухзазорного резонатора с пространственно-развитой резонансной структурой, рассчитанного на работу на частоте 715 МГц, показали, что такая электродинамическая система имеет во всех пролетных каналах характеристическое сопротивление порядка 300 Ом, сравнимое с характеристическим сопротивлением однолучевого двухзазорного резонатора и значительно превышающее характеристическое сопротивление многолучевого однозазорного резонатора.

Пространственное разделение электронных лучей позволяет использовать катоды большой площади со сходимостью, что резко снижает плотность тока на катоде и, следовательно, приводит к увеличению срока службы как самого катода, так и всего устройства.

На фиг. 1 показан прибор в разрезе; на фиг. 2 резонатор в разрезе.

Как видно из фиг. 1, клистрод содержит осесимметрично расположенные электроды, образующие катодную систему 1, перфорированный управляющий электрод (сетку) 2, анод 3, который непосредственно соединен с цилиндрическим корпусом электродинамической системы, состоящей из входного 4 и выходного 5 резонаторов. В боковых крышках 6 резонаторов установлены трубки 7 для пролета многолучевого электронного потока. Катодная система выполнена в виде отдельных катодов 8, центры эмиссии которых 9 расположены на одном радиусе R относительно оси прибора 10 и совпадают с осями отверстий в боковых крышках и в дополнительно введенных центральных электродах 11, отделенных один от другого по длине окружности на равные расстояния и симметрично установленных внутри корпусов резонаторов, причем каждый из этих электродов своей серединой 12 (фиг. 2) соединен с помощью радиально направленного проводника 13 со свободным концом общего опорного электрода цилиндрической формы 14, установленного по оси прибора и имеющего на другом конце электрический контакт с одной из боковых крышек резонатора.

Таким образом реализована пространственно-развитая резонансная электродинамическая система, емкостной частью которой является двойной высокочастотный зазор 15, образованный между торцевыми поверхностями дополнительных центральных электродов и поверхностями обращенных к ним электродов. Индуктивная часть резонансной системы включает в себя общий опорный электрод, который одним концом электрически замкнут на корпус резонатора, а другим соединен с параллельно включенными индуктивными элементами в виде радиально направленных проводников.

Одной из оптимальных форм конструктивного выполнения дополнительных центральных электродов 11, является выполнение их в форме частей кругового кольца, отсекаемых радиусами, исходящими из центра, совпадающего с осью прибора (фиг. 2). Длина l_k каждой отсеченной части кругового кольца 16, определяемого внешним и внутренним диаметрами D и d, зависит от числа отверстий и ширины перемычки между ними.

В каждом из таких электродов может быть выполнена группа пролетных отверстий, расположенных на среднем радиусе кольца R, центр которого совпадает с осью прибора 10.

Для создания радиальной симметрии всей резонансной структуры соединение отсеченной части кругового кольца с радиально направленным проводником осуществлено в середине каждой этой части. Эта середина лежит на перпендикуляре 17, проведенном в середине хорды h, соединяющей точки пересечения секущих радиусов и дуги, проходящей по внутреннему диаметру кольца.

Кроме того, круговое кольцо симметрично установлено внутри корпуса резонатора 18 параллельно его боковым крышкам, а середины 12 каждого из дополнительных центральных электродов по окружности равноудалены.

Расстояние d_k, на которое один центральный электрод отделен от другого, зависит от числа отверстий в этих электродах и выбирается таким, чтобы поле одного электрода не влияло на поле другого.

Коллектор 19 имеет кольцевую форму и выполнен из меди. Прибор имеет коаксиальные ввод и вывод энергии 20, 21, расположенные на оси прибора.

Элемент возбуждения 22 входного резонатора емкостной, а выходного 23 индуктивный.

Равномерный отбор мощности от каждой индуктивной ветви, образованной радиально направленным проводником и общим опорным элементом, достигается оптимальным расположением плоскостей, параллельно включенных, петель связи в плоскости расположения радиально направленных проводников.

Перфорированный управляющий электрод имеет мелкоструктурную сетку, которая может быть выфрезерована из пиролитического графита или выполнена из проволоки. На этот электрод может быть подан отрицательный потенциал от источника питания 24.

Корпус резонансной системы соединен с плюсом источника анодного напряжения 25. Развязка между корпусом входного резонатора и катодной системой по постоянному напряжению осуществляется с помощью блокировочной емкости 26, образованной изолированными друг относительно друга торцевыми поверхностями электродов катодной и анодной систем. Боковые крышки 6 выходного резонатора выполнены из ферромагнитного материала и играют роль магнитных экранов. Снаружи прибора в области, ограниченной магнитными экранами, расположена катушка соленоида 27.

Устройство работает следующим образом. На управляющий электрод 2 подается отрицательный потенциал от источника питания 24. Ускорение электронного потока производится под действием напряжения, действующего между катодами 8 и дополнительными центральными электродами 11 и подаваемого от источника анодного напряжения 25. С помощью блокировочной емкости 26 осуществляется развязка по постоянному напряжению между корпусом резонатора 18 и катодной системой 1. СВЧ-сигнал подается во входной резонатор 4 через ввод энергии 20 и емкостной элемент связи 22.

При этом в течение части положительного полупериода СВЧ-напряжения в первом зазоре с катодов 8 катодной системы 1 происходит эмиссия электронов. Центры эмиссии 9 расположены на одном радиусе относительно оси прибора 10 и совпадают с осями отверстий в боковых крышках и в дополнительно введенных центральных электродах.

В отрицательный период СВЧ-поля эмиссия электронов отсутствует. Взаимодействие электронного потока и СВЧ-поля во входном 4 и выходном 5 резонаторах происходит в двойных высокочастотных зазорах 15.

Образованные в положительный полупериод СВЧ-поля электроны, ускоряясь под действием поля центрального электрода 11, соединенного с анодом 3, образуют электронные лучи с малым пространственным зарядом, которые, проходя через трубки дрейфа 7, попадают в выходной резонатор 5 и рассеиваются на коллекторе 19.

Наличие фокусирующего магнитного поля, создаваемого соленоидом 27 в области выходного резонатора 5, и расположение пролетных трубок 7 на равном расстоянии относительно оси прибора, а также использование катодов со сходимостью лучей обеспечивают хорошее токопрохождение в приборе и малый коэффициент заполнения пролетного канала пучком даже при коэффициентах использования ускоряющего напряжения больших единицы. Это способствует получению высокого КПД в приборе.

Боковые крышки 6 выходного резонатора выполнены из ферромагнитного материала и играют роль магнитных экранов. Экранировка катодов от магнитного поля снижает величину магнитной индукции до минимально необходимого бриллюэновского значения.

При угле пролета через двойной зазор входного резонатора 4 меньше чем 180^o группы электронов, взаимодействуя с полем резонатора, отдают часть энергии СВЧ-полю, компенсируя активные потери во внешней цепи резонатора. Это позволяет повысить коэффициент усиления прибора по сравнению с аналогом.

Периодические группы электронов, попадая в тормозящее СВЧ-поле двухзазорного выходного резонатора 5, наводят в резонансной структуре этого резонатора высокочастотные токи, которые, начинаясь с середины 12 дополнительных центральных электродов 11, текут через радиально направленные проводники 13 на общий опорный электрод 14 и с него замыкаются на боковую крышку резонатора 6.

Эти токи создают электромагнитное поле, которое производит эффективный отбор энергии от электронных сгустков, имеющих сравнительно малый пространственный заряд, что позволяет получить высокий КПД (до 75 85%).

Электрическая симметрия резонансной пространственно-развитой структуры достигается тем, что середины дополнительных центральных электродов, выполненных в виде части кругового кольца 16, находящиеся на перпендикулярах 17, проведенных в середине хорды h, соединяющей точки пересечения секущих радиусов и дуги, проходящей по внутреннему диаметру кольца, равноудалены по окружности.

Кроме того, круговое кольцо симметрично установлено внутри корпуса резонатора 18 параллельно его боковым крышкам.

Благодаря этой симметрии, а также вследствие сильной электромагнитной связи на общем опорном электроде 14 (индуктивном элементе), который установлен по оси прибора 10, происходит сложение высокочастотных токов и суммирование мощности, отбираемой от отдельных лучей.

Высокое значение характеристического сопротивления, которое в зависимости от частотного диапазона и числа лучей может находиться в диапазоне от 100 до 300 Ом, позволяет при заданном сопротивлении общего электронного потока снизить нагруженную добротность до 15-20 единиц и расширить полосу пропускания прибора.

Высокочастотная мощность выводится в нагрузку с помощью симметричного индуктивного элемента связи 23, помещенного в пучность высокочастотного тока, и коаксиального вывода энергии 21.

Расположение выводов энергии на оси прибора позволяет уменьшить радиальные размеры прибора и его фокусирующей системы и, следовательно, уменьшить массу всего устройства. Таким образом, предложенное СВЧ-устройство характеризуется: высоким КПД (до 70-80%); увеличенной полосой усиления и долговечностью (ориентировочно в 1,5-2 раза); высоким коэффициентом усиления (около 25 дБ).

Использование: в области электронной техники, в частности в СВЧ-приборах гибридного типа триод-клистрон и в мощных усилителях и генераторах СВЧ-колебаний для длинноволнового и средневолнового диапазона СВЧ. Сущность изобретения: в клистроде, содержащем 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. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Клистрод, содержащий осесимметрично расположенные электроды анод, катодную систему, управляющий электрод, коллектор и электродинамическую систему, состоящую из входного и выходного резонаторов с корпусами цилиндрической формы, в боковых крышках которых выполнены отверстия для пролета многолучевого электронного потока, отличающийся тем, что катодная система выполнена в виде отдельных катодов, центры эмиссии которых расположены на одном радиусе относительно оси прибора и совпадают с осями отверстий в боковых крышках и в дополнительно введенных центральных электродах, отдаленных один от другого по длине окружности на равные расстояния и симметрично установленных внутри корпусов резонаторов, причем каждый из этих электродов своей серединой соединен с помощью радиально направленного проводника со свободным концом общего опорного электрода цилиндрической формы, установленного по оси прибора и имеющего на другом конце электрический контакт с одной из боковых крышек резонатора. 2. Клистрод по п.1, отличающийся тем, что каждый дополнительный центральный электрод выполнен в форме части кругового кольца, отсекаемой радиусами, исходящими из центра, совпадающего с осью прибора.