ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ПРИБОР СВЧ, ИСТРОН Российский патент 2000 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к электровакуумным приборам СВЧ, в которых формирование электронного потока и модуляция его по плотности осуществляется в пространстве катод - сетка, а взаимодействие сгруппированного электронного потока с СВЧ- полем и отбор полезной энергии - в выходном резонаторе. Предложенный нами электронный прибор основан на этом же принципе работы, но существенно отличается конструкцией и, соответственно, характеристиками и возможностями и поэтому желательно дать ему новое наименование. Назовем его "истрон". Наш прибор предназначен для работы в широкой полосе частот, преимущественно в диапазоне, используемом для дециметрового телевидения - 470 - 860 МГц.

Впервые электровакуумный прибор с подобным принципом работы был предложен А. В.Гаевым в 1938 году и назван Inductive Output Tube (IOT) - прибор с индуктивным выходом [1]. Однако в то время не удалось добиться высокой выходной мощности по причине перегрева сетки и ограничений, связанных с недостаточной эмиссионной способностью существовавших тогда катодов. В 80-ых годах двадцатого века некоторые технические проблемы этого плана были преодолены. Американская фирма Eimac-Varian, применив металлопористые катоды и сетки из пиролитического графита, стала выпускать мощные IOT (на десятки кВт) с фирменным названием "клистрод".

Известен электровакуумный прибор IOT, в конструкции которого электронный поток разделен на отдельные пучки ("лучи") за счет выполнения в пространстве от катода до коллектора каналов для пролета электронов [2]. Такая конструкция позволила обеспечить известные для многолучевых приборов по сравнению с однолучевыми преимущества: понизить управляющие напряжения, напряженность и величину фокусирующего магнитного поля. Однако, просто перенос конструктивных решений многолучевых приборов в прибор типа IOT не обеспечивает возможности работы в широкой полосе частот, в частности, требуемой для телевидения. В ряде конкретных приложений приборы [2] вообще непригодны. Так, при использовании двухзазорного выходного резонатора, как это предлагается в [2] , даже при успешном преодолении трудностей, связанных с механической настройкой частоты такого резонатора в широкой полосе частот (470 - 860 МГц), нельзя заставить эффективно работать прибор рассматриваемого класса во всей широкой (почти октавной) полосе частот телевизионного дециметрового диапазона. Действительно, в такой широкой полосе частот существенно, почти в 2 раза, меняется электрическая длина межзазорного промежутка двухзазорного резонатора, которая определяющим образом влияет на эффективность энергообмена электронов и высокочастотного поля. Работа прибора с двузазорным резонатором возможна только в ограничено узкой полосе частот, во много раз меньшей требуемой.

К предложенному нами техническому решению наиболее близок по конструкции, достигаемым параметрам и возможностям реализации прибор [3], который и принят нами за прототип. Конструкция этого известного прибора включает в себя катод, управляющую сетку, анод, сквозь который в рабочем режиме пропускается электронный поток, однозазорные входной и активный выходной резонаторы, трубы дрейфа, наружный пассивный выходной резонатор, образующий с активным выходным резонатором цепочку связанных резонаторов, и коллектор. Известный прибор [3] позволяет обеспечить мгновенную полосу частот в 6,9 МГц, требуемую для передачи телевизионного сигнала, в достаточно широкой полосе пропускания передатчика 470. . . 860 МГц, высокий КПД преобразования (около 60%), высокую выходную мощность (на уровне десятков кВт). Подобные приборы сейчас разрабатываются и поставляются на рынок фирмами США (Eimac - Varian), Великобритании (EEV), Франции (Thomson), Голландии (Philips). Недостатком известных приборов типа [3] является необходимость применять высокие ускоряющие напряжения, а отсюда смириться с большими габаритами источников питания. Известная конструкция имеет также физические ограничения по максимально достижимому коэффициенту усиления. Известная конструкция требует использования сеток большого диаметра, работающих при высоких температурах, например, из пиролитического графита и термокатодов, обладающих высокой эмиссионной способностью.

Технический результат настоящего изобретения состоит в создании нового вида мощных приборов типа IOT, предназначенного для работы во всей полосе частот современного телевизионного дециметрового диапазона, обладающих по сравнению с известными [3] IOT меньшими значениями ускоряющих напряжений, большим коэффициентом усиления, большей надежностью в эксплуатации.

Технический результат достигается на путях использования идеи многолучевости, но реализованной с учетом особенностей IOT. В силу этого предложенная конструкция прибора отличается не только от [3], но и от известных многолучевых конструкций (в частности [2]), а именно расположением отдельных лучей, проходящих в своих каналах, и плотностью тока в этих лучах. Конкретно, технический результат настоящего изобретения достигается следующей совокупностью существенных признаков:
Известные по [3] признаки:
- наличие в конструкции прибора катода, управляющей сетки и анода, сквозь который в рабочем режиме пропускается электронный поток входного и активного выходного резонаторов, трубу дрейфа, наружного пассивного выходного резонатора, образующего с активным выходным резонатором цепочку связанных резонаторов, и коллектора.

Отличные от [3] признаки:
- катод выполнен в виде совокупности отдельных эмиттирующих поверхностей, формирующих индивидуальные 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 содержит совокупность отдельных продольных каналов для пролета индивидуальных электронных пучков, при этом труба дрейфа выполняется с соблюдением условия
0,1 ≤ D/λ ≤ 0,5,
где D - диаметр трубы дрейфа,
λ - длина волны коротковолнового конца рабочего диапазона длин волн,
а центры каналов и соответствующих этим каналам эмиттирующих поверхностей и сеток расположены на более чем одной концентрических окружностях относительно оси трубы дрейфа.

Предложенное решение может быть реализовано рядом вариантов. Укажем некоторые из них, представляющие по нашему мнению наибольший интерес.

Вариант 1. Для повышения эффективности взаимодействия электронных пучков с высокочастотным полем в зазорах резонаторов и достижения мгновенной полосы усиления, требуемой для телевидения, отдельные электронные пучки (эмиттирующие поверхности, соответствующие им сетки и каналы) размещают таким образом, чтобы их общее число
N=1+3n(n+1),
где n - заданное число окружностей.

Вариант 2. Для приборов же, работающих в режимах высоких тепловых нагрузок, пригодна конструкция, в которой центральный луч исключен из топологии размещения отдельных электронных пучков в общем потоке, т.е. количество отдельных электронных пучков равно
N=3n(n+1),
где n - заданное число окружностей.

КПД прибора явно повысится и уменьшатся шумы, если в предложенном приборе коллектор будет выполнен многоступенчатым. Применение такого коллектора обеспечит положительный эффект в высокопервиансном приборе благодаря тому, что низок первианс отдельных пучков.

Таким образом, центральным моментом предложенной конструкции является выполнение в ней особой многолучевой системы.

Смысл этой особенности можно объяснить следующим образом:
Характерной чертой предложенной конструкции, принципиально отличающей ее от [3], является наличие совокупности N отдельных пролетных каналов в пределах единой трубы дрейфа, расположенных в несколько слоев на концентрических окружностях относительно трубы дрейфа. В каждом канале распространяется свой отдельный электронный пучок. Тем самым, в отличие от однолучевого прототипа, устраняется принципиальное физическое ограничение, связанное с сильным и вредным влиянием собственного пространственного заряда высокопервеансного низковольтного пучка.

Низкопервеансные с относительно малым током отдельные электронные пучки легче фокусируются, легче управляются во входном резонаторе и с большей эффективностью передают свою энергию высокочастотному полю в выходном резонаторе. СВЧ- мощность в выходном резонаторе образуется в результате суммирования мощностей, отдаваемых полю многими слаботочными пучками.

Нами установлено, что диаметр единой трубы дрейфа, в пределах которой размещены N индивидуальных каналов, ограничивается величиной, при которой изменение электрического поля по радиусу резонатора не превышает 10%. Это условие удовлетворяется при выполнении соотношения
D/λ < 0,5.
При этом достигается одинаково высокая эффективность взаимодействия электронов и высокочастотного поля для всех отдельных электронных пучков.

Ограничение в сторону уменьшения диаметра трубы
D/λ > 0,1
связано с резким возрастанием плотности тока в отдельных электронных пучках при уменьшении диаметра трубы дрейфа.

Предложенное техническое решение, названное нами "истрон", можно проиллюстрировать чертежом, на которой схематически изображен разрез прибора. Здесь обозначены: 1 - катодный узел, 2 - индивидуальная эмиттирующая поверхность, формирующая отдельный электронный пучок, 3 - держатель сеток, 4 - индивидуальная сетка, 5 - промежуток "катод-сетка", 6 - анод, 7 - части трубы дрейфа, 8 - индивидуальный канал для отдельного электронного пучка, 9 - входной резонатор, 10 - высокочастотный зазор выходного активного резонатора, 11 - выходной активный резонатор, 12 - выходной пассивный резонатор, 13 - устройство связи, 14 - вывод энергии, 15 - блокировочные конденсаторы, 16 - фокусирующие электромагниты, 17 - коллектор.

Истрон работает следующим образом:
Высокочастотное напряжение между катодом 1 и сетками 4, находящимися на держателе сеток 3, определяемое параметрами входного резонатора 9 и входным сигналом, а также постоянное сеточное напряжение (напряжение смещения) и напряжение анода 6 обеспечивают образование в катодно-сеточном пространстве 5 периодическую с частотой входного сигнала последовательность электронных сгустков аналогично тому, как это происходит в триодах и тетродах, работающих в классе "B" или "AB". Далее эти электронные сгустки ускоряются анодным напряжением в пространстве между сеткой 4 и анодом 6, проходят по индивидуальным пролетным каналам 8 первой части трубы дрейфа 7 и достигают рабочего зазора 10 активного выходного резонатора 11, где они отдают свою кинетическую энергию высокочастотному электрическому полю выходной резонаторной системы, состоящей из резонаторов 11, 12 и устройства 13, обеспечивая усиление входного сигнала. Далее, пройдя вторую часть трубы дрейфа 7, отработанный многолучевой электронный поток попадает в общий для всех пучков коллектор 17 и рассеивается в нем. Блокировочные конденсаторы 15 изолируют наружный корпус входного резонатора 9 по высокому постоянному напряжению и одновременно обеспечивают замыкание высокочастотных токов при наличии изоляции катодного и сеточного частей входного резонатора 9. Выходная связанная система резонаторов, состоящая из активного резонатора 11, пассивного резонатора 12 и устройства связи между ними 13, обеспечивает мгновенную полосу частот 9 - 14 МГц на каждой частоте рабочего диапазона 470 - 860 МГц. Фокусировка электронных пучков осуществляется магнитным полем, создаваемым электромагнитами 16. Для увеличения КПД коллектор может быть выполнен в виде нескольких ступеней, на которые подаются напряжения, обеспечивающие многоступенчатую рекуперацию энергии отработанных электронов.

При экспериментальном опробовании были изготовлены ряд образцов, отличающихся требованиями выходных параметров и потому выполненные с различным расположением и количеством лучей. Результаты опробования приведены в таблице.

В нижней строке таблицы приведены данные из рекламы фирмы Eimac-Varian для однолучевых приборов с похожими параметрами. Сравнение явно в пользу нашего прибора.

Таким образом, истрон оказался вполне осуществимым работоспособным прибором СВЧ, выгодно отличающимся от известных приборов того же типа по величине управляющих напряжений и коэффициенту усиления. А благодаря меньшей температуре сетки он обладает и большей надежностью в эксплуатации.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. A.V. Haeff, Electronics, р. 30 - 32, Feb. 1939.

2. Патент РФ N 2084042, кл. HOIJ 25/02, 1994.

3. Патент США N 4480210, кл. 315-4, 1984 (прототип).

Изобретение относится к электронной технике, в частности к ЭВП СВЧ, в которых формирование электронного потока и модуляция его по плотности осуществляется в пространстве катод - управляющая сетка, а взаимодействие сгруппированного потока с СВЧ-полем и отбор полезной энергии - в выходном резонаторе. В приборе электронный поток разделен на отдельные пучки за счет специального расположения индивидуальных пучков в единой трубе дрейфа. Прибор предназначен для использования в широкой полосе частот, преимущественно в диапазоне дециметрового телевидения. Техническим результатом является обеспечение высокого назначения КПД и коэффициента усиления и пониженного значения ускоряющих напряжений. 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Электровакуумный прибор СВЧ, 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, отличающийся тем, что 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. 2. Электровакуумный прибор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что общее число отдельных электронных пучков
N = 1 + 3n (n + 1),
где n - заданное число окружностей. 3. Электровакуумный прибор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что общее число отдельных электронных пучков
N = 3n (n + 1),
где n - заданное число окружностей.