ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ПРИБОР СВЧ ПРОЛЕТНОГО ТИПА С МОДУЛЯЦИЕЙ ТОКА ПУЧКА Российский патент 1997 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка и может быть использовано как усилитель СВЧ сигнала в телевизионных и связных передатчиках.

Известна конструкция электровакуумного прибора с СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка -клистрода [1] содержащего триодную электронную пушку, пролетный канал, 2 резонатора, расположенные последовательно вдоль пролетного канал, входной и выходной элементы связи и коллектор, причем зазор первого резонатора образован катодом и сеткой пушки. Входной СВЧ сигнал поступает на сетку триодной электронной пушки, в пушке происходит модуляция электронного потока СВЧ напряжением.

Известна конструкция электровакуумного прибора СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка триод-клистрона [2] который является усовершенствованием клистрода, содержащего триодную электронную пушку, пролетный канал, 3 и более резонаторов, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, причем зазор первого резонатора образован катодом и сеткой пушки. Входной СВЧ-сигнал поступает на сетку триодной электронной пушки. Дополнительные резонаторы предназначены для увеличения коэффициента усиления триод-клистрона по сравнению с клистродом за счет дополнительного группирования сгустков электронов, выходящих из пушки.

Наиболее близким к изобретению является конструкция электровакуумного прибора СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка пролетного клистрона с АВС-модуляцией [3] содержащего триодную электронную пушку, пролетный канал, резонаторы, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор. Модуляция тока пучка осуществляется с помощью электрода, расположенного между катодом и анодом пушки.

Во всех этих приборах присутствует триодная электронная пушка, содержащая низковольтный управляющий электрод сетку или диафрагму с потенциалом ниже анодного. Постоянная составляющая тока пучка I₀ и первая гармоника конвекционного тока I_1m пропорциональны величине низкочастотного модулирующего сигнала. Ускоряющее напряжение U₀ при всех уровнях входного сигнала остается неизменным. Коэффициент полезного действия прибора пролетного типа, в конечном счете, определяется процессом отбора энергии от электронного потока. Сгустки электронов тормозятся переменным полем в зазоре выходного резонатора, степень отбора энергии от потока определяется соотношением между ускоряющим напряжением U₀ и амплитудой напряжения на зазоре выходного резонатора U_sm.

Полагая коэффициент взаимодействия всех резонаторов равным 1, получаем условие полного отбора энергии от потока
0,5•I_1m•U_5m I₀•U₀
При оптимальном группировании I_1m/I₀ приближается к 2 и условие полного отбора энергии принимает вид: U_5m U₀. Увеличение U_5m более U₀ не имеет смысла, т. к. при этом электроны сгустка полностью тормозятся переменным полем выходного резонатора и выбрасываются в обратном направлении. В существующих приборах условие полного отбора энергии выполняется только в одном режиме режиме максимального выходного сигнала. Максимальный электронный КПД современных приборов достигает 80 85% При уменьшении выходного сигнала уменьшаются I₀ и I_1m уменьшается переменное напряжение на зазоре выходного резонатора (U_5m < U₀) и от потока отбирается только небольшая часть энергии (U_5m•I₀); электронный КПД прибора уменьшается пропорционально входному сигналу.

Техническая задача изобретения создание электровакуумного прибора СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка, имеющего высокий электронный КПД не только при максимальном входном сигнале, но и в широком интервале изменения входного сигнала.

Это достигается за счет того, что в предпоследнем резонаторе прибора электроны ускоряются за счет мощности, передаваемой в предпоследний резонатор из выходного, причем с увеличением тока пучка электронов энергия возрастает.

Принимая, что I_1m/I₀ 2, получим условие полного отбора энергии потока в виде
U_5m= U_o+ ΔU, (1)
где ΔU приращение энергии электронов.

Поскольку U_5m I_1m / G₅ (где G₅ - эквивалентная проводимость выходного резонатора), то для полного отбора энергии и устранения режима выбрасывания необходимо, чтобы энергия электронов увеличивалась с увеличением конвекционного тока пучка. В зазоре выходного резонатора от электронного потока отбирается мощность P₅= I_o•(U_o+ ΔU), но в нагрузку поступает только мощность, полученная потоком от источника ускоряющего напряжения: P₀ I₀•U₀, а мощность I_o• ΔU передается по линии обратной связи в предпоследний резонатор и расходуется на ускорение электронного потока. Приборы СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка, у которых электронный поток ускоряется в зазоре предпоследнего резонатора за счет энергии, поступающей из выходного резонатора, в литературе не описаны.

Конструктивно задача изобретения решается следующим образом. Предлагаемый прибор, так же, как и известный пролетный клистрон с модуляцией тока пучка, содержит триодную электронную пушку, пролетный канал, резонаторы, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, но в отличие от прототипа в предлагаемом приборе введена линия обратной связи выходного резонатора с предпоследним, фазовая длина которой θ_л близка к целому числу и удовлетворяет условию

а угол пролета канала между предпоследним и выходным резонаторами θ_o при энергии электронов, соответствующий ускоряющему напряжению удовлетворяют условию

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана конструктивная схема прибора.

Прибор содержит триодную электронную пушку 1, резонаторную систему 2, которая включает входной 3, предпоследний 4, выходной 5 и один или несколько промежуточных резонаторов, пролетный канал 6 [причем угол пролета электронов в канале между предпоследним и выходным резонаторами выбран из условия (3)] входной 7 и выходной 8 элементы связи, коллектор 9 и линию обратной связи 10 выходного резонатора с предпоследним, фазовая длина которой выбрана из условия (2).

Расчеты показывают, что при выборе фазовой длины линии обратной связи из условия (2) и угла пролета электронов в пролетном канале из условия (3) энергия электронов возрастает с увеличением входного сигнала (и конвекционного тока пучка). Для обоснования этого положения рассмотрим работу предлагаемого прибора. Триодная электронная пушка 1 формирует электронный поток с током, пропорциональным низкочастотному модулирующему напряжению. На входной резонатор 3 подается СВЧ-напряжение, модулирующее электронный поток по скорости. В резонаторной системе 2 происходит группирование потока в короткие плотные сгустки, для которых I_1m/I₀ близко к 2. В выходном резонаторе 5 от потока отбирается мощность, идущая по линии 10 в предпоследний резонатор 4 и через выходной элемент связи 8 в нагрузку.

Напряжение на выходном резонаторе 5, настроенном на частоту сигнала, устанавливается так, что сгустки приходят в максимум тормозящего напряжения. Резонатор 4 должен иметь волновое сопротивление значительно меньше, чем у выходного, чтобы поступающая из выходного резонатора 5 мощность превосходила мощность, отбираемую резонатором 4 непосредственно от электронного потока. В этом случае напряжение на зазоре предпоследнего резонатора определяется мощностью, передаваемой из выходного резонатора по линии обратной связи 10, причем синхронизация фаз резонаторов 4 и 5 достигается с помощью линии 10, фазовая длина которой удовлетворяет условию (2).

Учитывая, что

и обозначив Φ_u4- Φ_u5 = θ_л,
где Φ_u4 и Φ_u5 фазы напряжения на зазорах резонаторов 4 и 5;
Φ_i4 и Φ_i5 фазы токов в зазорах резонаторов 4 и 5;
ε₄ и ε₅ сдвиги фаз между током и напряжением в зазорах резонаторов 4 и 5, получим θ_л = θ_o+ ε₅- ε₄. (4)
Поскольку ε₅ = π, то θ_л= θ_o- π - ε₄.
При угле пролета электронов в пролетном канале, удовлетворяющем условию (3), сдвиг фаз между током и напряжением в предпоследнем резонаторе 4 определяется соотношением 0 < ε₄ ≅ π/2, т.е. сгустки электронов ускоряются при прохождении зазора предпоследнего резонатора.

Конвекционный ток I_1m создает на зазоре выходного резонатора 5 с проводимостью G₅ напряжение: U_5m I_1m/G₅. Часть мощности выходного резонатора 5 поступает в нагрузку, а часть передается по линии обратной связи в предпоследний резонатор 4 и расходуется на ускорение электронов. Приращение энергии электрона в зазоре предпоследнего резонатора, определяется соотношением
ΔU = U_4msin(θ_o- θ) (5)
где U_4m амплитуда переменного напряжения на зазоре предпоследнего резонатора;
θ угол пролета канала между предпоследним и выходным резонаторами при энергии электронов U_o+ ΔU..

Разность θ_o- θ зависит от энергии электронов

Пренебрегая собственными активными потерями в резонаторах 4 и 5, получаем
P₄/P₅ G₄₅/G₅ (6)
где G₄₅ проводимость, внесенная линией обратной связи в выходной резонатор: G₄₅ m•G_4эл;
G_4эл проводимость предпоследнего резонатора, связывающая мощность P₄, поступающую по линии связи в этот резонатор и напряжение на зазоре U_4m:
P₄ 0,5 • U₄m² • G_4эл (7);
m коэффициент трансформации проводимости предпоследнего резонатора в выходной;
G₅ полная проводимость выходного резонатора:
G₅ G₄₅ + G_н.

Если длина линии связи выбрана близкой к целому числу полуволн, коэффициент трансформации m практически не меняется при изменении тока пучка и проводимости последнего резонатора.

Учитывая (5), (6) и (7), получаем

Для определения коэффициента трансформации m и проводимости нагрузки G_н используем условие полного отбора мощности от электронного потока в режиме максимального тока
U_5m= U_o+ ΔU_max (8)
Обозначая ΔU_max/U_o = k, получаем
G₄₅/G_н k, G_н I_1max/(U₀(1+k)²),

Соотношение (5) принимает вид

Соотношение (9) определяет зависимость ΔU/U_o от I_1m/I_1max для прибора с выбранным углом пролета θ_o и при условии полного отбора мощности от потока при максимальном токе, причем параметр k выбран независимо от θ_o. Анализ (9) показывает, что при оптимальном выборе θ_o и k разность U_5m-(U_o+ΔU) близка к нулю в широком интервале изменения токов вблизи максимального.

В табл. 1 приведен пример расчета предлагаемого прибора с параметрами: U₀ 25000 B, θ_л= π, θ_o= π/2 (что при частоте сигнала 500МГГц соответствует длине пролетного канала между предпоследним и выходным резонаторами 48 мм), k 3. При изменении тока от 8,5 до 42А разность U_5m-(U_o+ ΔU) не превышает 2800 В или 5% от напряжения на зазоре выходного резонатора U_5m, т.е. от потока отбирается практически вся энергия. Поскольку первая гармоника конвекционного тока I_1m в рассматриваемом приборе пропорциональна постоянной составляющей I₀, то электронный КПД прибора во всем интервале изменения конвекционного тока будет близок к электронному КПД для максимального тока.

Итак, показано, что при выполнении условий (2) и (3) приращение энергии электронов в зазоре предпоследнего резонатора увеличивается с увеличением тока пучка, причем разность dU = U_5m-(U_o+ ΔU) может быть сделана достаточно малой в широком интервале изменения тока пучка.

Выбор фазовой длины линии (10) из условия (2) близкой к целому числу полуволн обеспечивает постоянство коэффициента трансформации проводимости предпоследнего резонатора в выходной резонатор. Если условие (2) нарушается, т.е. фазовая длина линии отличается от целого числа полуволн на π/4 и более, то с увеличением проводимости резонатора 4 G_4эл (при увеличении тока пучка) вносимая в резонатор 5 проводимость G₄₅ уменьшается, т.е. уменьшается доля мощности, передаваемая в резонатор 4, а значит и приращение энергии электронов, т. е. положительный эффект не достигается. Наилучшим является выбор фазовой длины линии связи (10), равной целому числу полуволн.

Выбор угла пролета канала (при энергии электронов, соответствующей ускоряющему напряжению) θ_o из условия (3) обеспечивает получение при U U₀ ускоряющей фазы напряжения на зазоре предпоследнего резонатора 4: 0 < ε₄ ≅ π/2 При θ_o > θ_л- π/2 (т.е. ε₄ > π/2) электроны тормозятся в зазоре резонатора 4, при θ_o < θ_л - π (т.е. ε₄ < 0) электроны хотя и ускоряются в зазоре резонатора 4, но приращение энергии уменьшается при увеличении тока, тем самым при нарушении условия (3) положительный эффект не достигается.

Наилучшим является выбор угла пролета канала равным θ_o = θ_л- π/2 (т.е. ε₄= π/2), так как при этом положительный эффект сохраняется при уменьшении угла пролета (вследствие ускорения электронов) на π/2, т.е. в наиболее широком интервале изменения тока пучка и энергии электронов.

Источники информации
1. Патент США N 4.480.210, кл. Н О1 J 25/00, приоритет от 12 мая 1982 г.

2. Патент США N 4.611.149, кл. H O1 J 25/00, приоритет от 7 ноября 1984 г.

3. Корешкова О. Н. Исследования зарубежных фирм в области повышения КПД телевизионных клистронов. Обзоры по электронной технике, сер. 1, Электроника СВЧ, вып. 17, 1990.

Использование: электровакуумные приборы СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка и как усилитель СВЧ-сигнала в телевизионных и связных передатчиках. Сущность изобретения: прибор содержит триодную электронную пушку, резонаторную систему, которая включает входной, предпоследний и выходной резонаторы, пролетный канал, входной и выходной элементы связи, коллектор и линию обратной связи выходного резонатора с предпоследним. Фазовая длина линии обратной связи θ_л выбрана из условия , а угол пролета канала между предпоследним и выходными резонаторами θ_o удовлетворяет условию . Поток ускоряется в зазоре предпоследнего резонатора за счет энергии, поступающей из выходного резонатора, причем с увеличением тока энергия электронов возрастает, что обеспечивает полный отбор энергии от электронного потока при изменении тока пучка в несколько раз. 1 ил., 1 табл.

Электровакуумный прибор СВЧ пролетного типа с модуляцией тока пучка, содержащий триодную электронную пушку, пролетный канал, резонаторы, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, отличающийся тем, что введена линия обратной связи выходного резонатора с предпоследним, фазовая длина которой θ_л выбрана из условия

а угол пролета канала между предпоследним и выходным резонаторами θ_o удовлетворяет условию
м