РАДИАЛЬНЫЙ КЛИСТРОД Российский патент 2000 года по МПК H01J25/02 H01J25/04 

Предлагаемое устройство относится к области электронной техники, в частности к гибридным электровакуумным СВЧ приборам типа "тетрод-клистрон", и может быть использовано в качестве мощных усилителей, применяемых, например, в телевизионных передатчиках, а также в качестве генераторов, используемых в устройствах СВЧ нагрева.

Для длинноволнового диапазона СВЧ актуальной проблемой является создание мощных высокоэффективных усилительных и генераторных приборов с уменьшенными габаритами и массой и повышенной долговечностью.

Уровень техники в данной области характеризуется публикациями в общедоступной литературе, в том числе и сведениями, приведенными ниже.

Известны гибридные СВЧ устройства - клистроды, объединяющие в одном приборе клистрон и СВЧ триод (или тетрод) (см. 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 массогабаритные показатели мощных СВЧ усилителей (см. 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).

Например, широко известен клистрод, который 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. 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. (см. а.с. N 1035677("Электронная лампа"), МПК H 01 J 21/18, опубл. 15.08.83, бюл. N 30).

Однако использование одного общего плоского (без сходимости луча) катода не позволяет получить долговечность свыше 10000 часов из-за сравнительно большой плотности тока эмиссии с катода (больше 0.5 А/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. Кроме того, для фокусировки пучка требуется соленоид.

В то же время, в электронике широко известен более эффективный радиальный СВЧ прибор - клистрод с двухзазорными резонаторами и радиальным расположением электронных лучей (см. патент РФ N 1738017, кл. H 01 J 25/00, авторы В. А. Царев и Д.М. Петров). Это устройство наиболее близко к заявляемому по совокупности признаков, и выбрано нами как прототип. Прибор имеет коаксиальную систему электродов, образующих катодный узел, содержащий ряд катодов, установленных на общей трубе, коллекторную систему, а также входной и выходной двухзазорные резонаторы, внутри цилиндрических корпусов которых установлены средние электроды, которые электрически связаны с корпусом соответствующего резонатора внутренними проводниками и имеют отверстия для пролета электронов. Эмиттирующие поверхности катодов имеют плоскую форму, а размеры пролетных отверстий увеличиваются в радиальном направлении пропорционально расстоянию от соответствующего катода до отверстия. Средний электрод каждого резонатора электрически связан с корпусом соответствующего резонатора внутренним проводником и не имеет электрической или магнитной связи с другим резонатором.

Применение двухзазорного резонатора в качестве входной колебательной системы позволяет повысить коэффициент усиления за счет более высокого, чем у клистрода с однозазорными резонаторами характеристического сопротивления, а также за счет компенсации активных потерь во входном резонаторе за счет отрицательной шунтирующей электронной проводимости, вносимой электронным пучком в этот резонатор.

Однако использование плоских (без сходимости лучей) катодов не позволяет получить долговечность прибора свыше 10000 часов. Увеличение размеров пролетных отверстий, вызванное необходимостью обеспечения хорошего токопрохождения, приводит к ухудшению эффективности отбора энергии в выходном резонаторе и уменьшению электронного КПД. Несмотря на то, что масса и габариты прибора могут быть небольшими, полоса пропускания и коэффициент усиления прибора сравнительно малы. Это объясняется тем, что в качестве выходной колебательной системы применен один двухзазорный резонатор с большой сосредоточенной емкостью, обладающий из-за этого невысоким характеристическим сопротивлением. Использование только одного (ограниченного по поперечному сечению) внутреннего четвертьволнового проводника во входном резонаторе не позволяет по лучить высокую собственную добротность входного контура и, следовательно, также приводит к снижению коэффициента усиления прибора.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - улучшение комплекса электрических и массогабаритных параметров клистрода: повышение коэффициента усиления, расширение полосы усиливаемых частот и увеличение долговечности при минимальных габаритах и массе.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в радиальном клистроде, содержащем, катодный узел с рядом отдельных катодов, коллекторную систему, а также входной и выходной двухзазорные резонаторы, внутри цилиндрических коаксиально расположенных корпусов которых установлены средние электроды, которые электрически связаны с корпусом соответствующего резонатора внутренними проводниками и имеют отверстия для пролета электронов, катоды имеют вогнутую эмиттирующую поверхность, выполненную с возможностью формирования сходящихся электронных лучей; средний электрод входного резонатора имеет в отверстиях для пролета электронов мелкоструктурные сетки, по форме повторяющие форму катодов; внутренние проводники во входном и выходном резонаторах изогнуты в средней их части под прямым углом так, что они повторяют форму образующей и основания цилиндрических корпусов этих резонаторов, а корпус выходного резонатора разделен с помощью радиальных перегородок с щелями связи на несколько цилиндрических секторов, в каждом из которых установлены отдельные внутренние проводники, представляющие собой систему электрически или магнитно связанных между собой колебательных контуров, причем внутренние проводники в выходном резонаторе дополнительно изогнуты в начальной их части по дуге окружности и лежат в плоскости, параллельной плоскости основания корпуса этого резонатора. Оптимальное решение поставленной задачи достигается тем, что катоды имеют вогнутую эмиттирующую поверхность сферической формы, выполненную с возможностью формирования сходящихся цилиндрических электронных лучей, микропервеанс Pμ которых выбран из условия, что расстояние от катода до коллектора L и размер пролетных отверстий D определяются соотношением
Pμ ≤ 38,1(D/L)².
В результате использования перечисленных существенных признаков поставленная задача решена, и при этом обеспечены следующие преимущества.

Вогнутая (сферическая или цилиндрическая) форма катодно-сеточной системы обеспечивает формирование сходящихся (цилиндрических или ленточных) электронных лучей, что уменьшает плотность тока на катодах и увеличивает долговечность прибора. Кроме того, это позволяет обойтись без применения специальной фокусирующей системы для сохранения поперечного сечения каждого луча на всем протяжении его движения от сетки до коллектора. Оптимальную длину пучка и размер пролетных отверстий для цилиндрических пучков можно оценить по известной формуле (см. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. -М. : Сов. радио, 1966). Например, для клистрода, рассчитанного для работы на частоте 500 МГц и имеющего ускоряющее напряжение 10 кВ длина пучка L не превышает 100 мм, а диаметр пролетных отверстий D-20 мм. При этом предельный микропервеанс одного луча может достигнуть 1.5 мкА/В^3/2.

Оптимальная форма изгиба внутренних проводников (они повторяют форму соответствующих частей корпуса этого резонатора) позволяет уменьшить габариты резонаторов, а также избежать, благодаря наличию разных по волновому сопротивлению отрезков полосковых линий, образованных внутренними проводниками и корпусом резонатора, появления нежелательных видов колебаний (обертона) на частоте, близкой к третьей гармонике усиливаемого сигнала. Уменьшение габаритов выходного резонатора достигается за счет "Г-образной" формы внутренних проводников, изогнутых в начальной их части по дуге окружности.

Разделение корпуса выходного резонатора с помощью радиальных перегородок с щелями связи на несколько цилиндрических секторов и установка в этих секторах отдельных внутренних проводников оптимальной формы превращает этот резонатор в фильтровую систему. При этом полоса усиления прибора расширяется, а амплитудно-частотная характеристика имеет более крутые фронт и спад.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид прибора, на фиг. 2 - прибор в разрезе.

Как видно из фиг. 1, радиальный клистрод, содержит катодный узел с рядом отдельных катодов 1, коллекторную систему 2, а также входной 3 и выходной 4 двухзазорные резонаторы, цилиндрические корпуса которых имеют в основании 5 кольцевую форму, и образующие цилиндров 6 перпендикулярны к плоскости оснований. Внутри корпусов расположены средние электроды 7. Эти электроды, электрически связаны с корпусом соответствующего резонатора внутренними проводниками 8 и имеют отверстия для пролета электронов 9. Катоды 1 имеют вогнутую эмиттирующую поверхность 10, выполненную с возможностью формирования сходящихся цилиндрических или ленточных электронных лучей. Средний электрод 7 входного резонатора - 3 имеет в отверстиях для пролета электронов 9 мелкоструктурные сетки 11, по форме повторяющие форму катодов 1. Входной резонатор представляет собой электрически замкнутый на конце отрезок четвертьволновой или полуволновой полосовой линии, нагруженной на емкость двойного зазора между средним электродом и цилиндрическими частями корпуса резонатора. На фиг. 1 показан один из возможных вариантов конструкции входного резонатора, в котором средний электрод связан с корпусом внутренними проводниками 8 и 12 так, что полная длина внутренних проводников не превышает половины длины волны основного противофазного вида колебаний. При таком варианте (вследствие симметрии) обеспечивается наибольшая однородность электрического высокочастотного поля в двойном зазоре. Возможен также вариант конструкции с одним внутренним проводником 8. Длина этого проводника не должна превышать четверти длины волны основного противофазного вида колебаний.

Корпус выходного резонатора 4 разделен с помощью радиальных перегородок 13 с щелями связи 14 на несколько цилиндрических секторов, в каждом из которых установлены отдельные внутренние проводники 8. Прибор снабжен устройствами ввода 15 и вывода 16 энергии. Элемент связи входного резонатора с передающим трактом 17 - емкостной, а выходного 18 - индуктивный. Прибор может быть снабжен устройством для механической перестройки частоты входного резонатора в широком диапазоне частот, которое выполнено, например, в виде кольцевого поршневого элемента 19, размещенного в области максимума высокочастотного тока. Для подачи на электроды входного резонатора напряжения смещения и устранения излучения в местах разрыва его корпуса имеется система блокировочных (разделительных) емкостей 20. Устранение электрической связи между входным и выходным резонаторами достигается, как и в известных однолучевых клистродах, установкой в корпусе выходного резонатора запредельных трубок дрейфа 21, торцевые части которых, обращенные к катодам, играют одновременно роль анодов 22. Для упрощения эксплуатации и настройки входной резонатор может быть разделен на вакуумную и невакуумную части герметичной керамической перегородкой 23.

В конструкции прибора могут быть предусмотрены подстроечные конденсаторы 24 для резонаторов фильтровой системы. Прибор может иметь, например, воздушную систему охлаждения 25.

Оптимальной формой внутренних проводников, при которой достигается высокое характеристическое сопротивление резонансной системы при наименьших габаритах и массе прибора является такая форма, при которой внутренние проводники 8, 12 во входном и выходном резонаторах изогнуты в средней их части под прямым углом так, что они повторяют форму образующей 6 и основания 5 цилиндрических корпусов этих резонаторов, то есть имеют "Г-образную" форму.

Внутренние проводники 8 в выходном резонаторе, отделенные друг от друга радиальными перегородками 13, дополнительно изогнуты в начальной их части 26 по дуге окружности с радиусом R. Эта окружность лежит в плоскости, параллельной плоскости основания корпуса выходного резонатора. Такое конструктивное выполнение обеспечивает компактность конструкции выходной резонансной системы.

Устройство работает следующим образом: СВЧ сигнал подается во входной резонатор. Во входном резонаторе блокировочная емкость 20 выполняет роль устройства, изолирующего катодную систему по высокому напряжению от корпуса входного резонатора. К электродам 1,11 ("сетка-катод") подведено постоянное напряжение от источника смещения, так что в отсутствие СВЧ сигнала прибор оказывается полностью запертым. При подаче во входной резонатор через емкостной элемент связи 17 входного сигнала в первом зазоре этого резонатора в положительный полупериод высокочастотного напряжения происходит эмиссия электронов с катодов. Так как прибор обычно работает в режиме с отсечкой тока, то в отрицательный полупериод эмиссия электронов с катодов отсутствует. При угле пролета через двойной зазор входного резонатора меньше чем 180 градусов группы электронов, взаимодействуя с противофазными полями двойного зазора, отдают часть энергии СВЧ полю. Это позволяет повысить коэффициент усиления прибора, по сравнению с аналогом. Образующиеся таким образом электронные сгустки распространяются в радиальном направлении, следуя друг за другом с частотой приложенного напряжения. Ускорение сгустков происходит за счет подачи высокой разности потенциалов между катодами - 1 и анодами 22. Электронные сгустки проходят затем через короткие трубки дрейфа 21, имеющие размеры, запредельные для рабочей частоты, где они испытывают небольшую группировку.

Промодулированные по плотности электроны отдают свою кинетическую энергию в каждом из отдельных четвертьволновых двухзазорных резонаторов. В этих резонаторах, образованных замкнутыми на конце внутренними проводниками 8, установленными внутри разделенного на сектора корпуса выходной резонансной системы, возбуждается π-вид колебаний. Так как резонаторы имеют щели связи 14, то они представляют собой систему электрически или магнитно последовательно связанных между собой колебательных контуров, то-есть фильтровую систему. Процесс передачи энергии от электронных лучей полю выходной резонансной системы происходит подобно тому, как в результате скоростной модуляции электроны отдают свою энергию в выходном резонаторе многолучевого клистрона с фильтровой системой. Вывод энергии в нагрузку осуществляется индуктивным элементом связи 18, установленным в одном из резонаторов.

Не израсходовавшие энергию электроны затем поступают в коллекторную систему и оседают на ее стенках аналогично тому, как это происходит в клистроне. В приборе, имеющем сравнительно малый пространственный заряд отдельных пучков, осуществляется так называемая "фокусировка за счет пространственного заряда". При этом кроссовер располагается примерно на половине длины пучка от катода до коллектора. В коллектор пучок поступает, имея, за счет динамической расфокусировки, несколько больший диаметр, чем во входной части прибора, поэтому при типичном для многолучевых клистродов отношении длины пучка к диаметру луча, равном примерно 1/5, реально достижимый микропервеанс одного луча не должен превышать значений 1-1.2 мкА/В^3/2.

Использование: электронная техника, например телевидение. Сущность изобретения: радиальный клистрод содержит катодный узел с рядом отдельных катодов, коллекторную систему, а также входной и выходной двухзазорные резонаторы, внутри цилиндрических коаксиально расположенных корпусов которых установлены средние электроды, которые электрически связаны с корпусом соответствующего резонатора внутренними проводниками и имеют отверстия для пролета электронов, катоды имеют вогнутую эмиттирующую поверхность, выполненную с возможностью формирования сходящихся электронных лучей, средний электрод входного резонатора имеет в отверстиях для пролета электронов мелкоструктурные сетки, по форме повторяющие форму катодов, внутренние проводники во входном и выходном резонаторах изогнуты в средней их части под прямым углом так, что они повторяют форму образующей и основания цилиндрических корпусов этих резонаторов, а корпус выходного резонатора разделен с помощью радиальных перегородок с щелями связи на несколько цилиндрических секторов, в каждом из которых установлены отдельные внутренние проводники, представляющие собой систему электрически или магнитно связанных между собой колебательных контуров, причем внутренние проводники в выходном резонаторе дополнительно изогнуты в начальной их части по дуге окружности и лежат в плоскости, параллельной плоскости основания корпуса этого резонатора. Катоды имеют вогнутую эмиттирующую поверхность сферической формы, выполненную с возможностью формирования сходящихся цилиндрических электронных лучей, микропервеанс Pμ которых выбран из условия, что расстояние от катода до коллектора L и размер пролетных отверстий D определяются соотношением Pμ ≤ 38,1(D/L)². Технический результат: улучшение комплекса электрических и массогабаритных параметров клистрода, повышение коэффициента усиления, расширение полосы усиливаемых частот и увеличение долговечности при минимальных габаритах и массе. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиальный клистрод, содержащий катодный узел с рядом отдельных катодов, коллекторную систему, а также входной и выходной двухзазорные резонаторы, внутри цилиндрических коаксиально расположенных корпусов которых установлены средние электроды, которые электрически связаны с корпусом соответствующего резонатора внутренними проводниками и имеют отверстия для пролета электронов, отличающийся тем, что катоды имеют вогнутую эмиттирующую поверхность, выполненную с возможностью формирования сходящихся электронных лучей, средний электрод входного резонатора имеет в отверстиях для пролета электронов мелкоструктурные сетки, по форме повторяющие форму катодов, внутренние проводники во входном и выходном резонаторах изогнуты в средней их части под прямым углом так, что они повторяют форму образующей и основания цилиндрических корпусов этих резонаторов, а корпус выходного резонатора разделен с помощью радиальных перегородок с щелями связи на несколько цилиндрических секторов, в каждом из которых установлены отдельные внутренние проводники, представляющие собой систему электрически или магнитно связанных между собой колебательных контуров, причем внутренние проводники в выходном резонаторе дополнительно изогнуты в начальной их части по дуге окружности и лежат в плоскости, параллельной плоскости основания корпуса этого резонатора. 2. Радиальный клистрод по п.1, отличающийся тем, что катоды имеют вогнутую эмиттирующую поверхность сферической формы, выполненную с возможностью формирования сходящихся цилиндрических электронных лучей, микропервеанс Pμ которых выбран из условия, что расстояние от катода до коллектора L и размер пролетных отверстий D определяются соотношением Pμ ≤ 38,1(D/L)².