Способ защиты СВЧ-усилителя на электронно-вакуумном приборе с управляющим электродом Советский патент 1993 года по МПК H03F1/52 

Изобретение относится к области радиотехники, частности к передающим и усилительным устройствам СВЧ-диапазона.

Целью настоящего изобретения является повышение быстродействия.

На фиг.1 приведен пример функциональной схемы СВЧ-усилителя, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - диаграммы напряжений в различных точках устройства; на фиг.З - возможная схема дискриминатора пробоев в ЭВП.

Устройство (фиг.1), реализующее предлагаемый спос об, состоит из усилительного ЭВП (клистрона) 1, источника 2 питания ЭВП, подмодулятора 3, модулятора 4, резистора 5, дискриминатора 6 пробоев, генератора 7. Отрицательный вывод источника 2 питания ЭВП соединен с общими выводами модулятора 4, генератора 7, дискриминатора 6 пробоев и подключен через резистор 5 к катоду клистрона 1, а положительный вывод соединен с коллектором клистрона 1 и корпусом. Резонаторы клистрона 1 также

соединены с корпусом. Выходы модулятора (/) 4 и генератора 7 соединены,вместе и под- Г ключены к управляющему электроду клист- рона. Управляющий вход подмодулятора 3 & является входом синхронизации всего устройства, а еыход подмодулятора 3 соединен с входом модулятора 4 и одним из входов дискриминатора 6 пробоев, при этом вто- ч рой вход дискриминатора б подключен к О катоду клистрона 1. Выход дискриминато- 00 ра 6 пробоев соединен с управляющим вхо- QQ дом генератора 7 и управляющим входом QQ подмодулятора 3., i В устройстве (фиг.1), реализующем предлагаемый способ, в качестве усилительного ЭВП использован клистрон с управляющим электродом. Источник 2.питания ЭВП может быть выполнен в виде повышающего трансформатора с выпрямителем и фильтрующим узлом. В качестве подмодуляторэ 3 можно использовать одновибратор, например микросхему К155АГЗ, Модулятор 4 может быть выполнен по любой схеме.

Дискриминатор 6 пробоев может быть выполнен на логических элементах и одновиб- раторе, например, как представлено на фиг.З, Генератор 7 должен вырабатывать на своем выходе серии импульсов запирающего клистрон напряжения с длительностью и периодом следования импульсов в несколько микросекунд и амплитудой, равной или превышающей напряжение запирания кли-. строна, вырабатываемое модулятором- 4. Возможно использование модулятора 4 для формирования этих импульсов.

Устройство, реализующее предлагаемый способ защиты СВЧ-усилителя на ЭВП с управляющим электродом работает следующим образом.. ..- : . ..:,..

На СВЧ вход усилителя подается сигнал в виде СВЧ-мощности; При поступлении импульса синхронизации (момент времени ti, на фиг.2) на вход синхронизации устройства подмодулятор 3 вырабатывает импульс установленной длительности {фиг.2, б), который поступает на вход модулятора 4 и преобразуется им в импульс напряжения (управляющий сигнал) на управляющем электроде клистрона (фиг.2, в), отпирающий его. Через клистрон протекает рабочий ток (фиг.2г) от источника 2 питания ЭВП; на выходе СВЧ-усилителя появляется импульс мощности СВЧ (фиг.2,е). При этом сигнал на выходе дискриминатора б пробоев отсутствуете генератор 7 выключен. После окончания импульса подмодулятора (момент времени t2, фиг.2) модулятор 4 формирует на управляющем электроде клистрона 1 уровень напряжения, запирающий клистрон. .Протекание рабочего тока через клистрон 1 прекращается, сигнал на выходе СВЧ-усилителя становится равным нулю. Дзлее работа СВ Ч усилителя 4 в нормальном режиме повторяется в изложенной последовательности. ; . :; .. ; .; - . ,

..При возникновении пробоя межэлектродного промежутка клистрона 1 управляющий электрод-катод (момент времени ta... фиг.2) запирающее напряжение на управляющем электроде клистрона (фиг.2, в) уменьшается, клистрон 1 отпирается и через него .начинает протекать рабочий ток (фиг.2, г). С появлением тока клистрона при отсутствии импульса подмодулятора на выходе диск- римииатора 6 пробоев появляется сигнал, который, попадая на управляющий вход подмодулятора, блокирует на определенный период времени его работу и работу модулятора. Подача сигнала управления на .управляющий электрод ЭВП прекращается, Этот сигнал, одновременно с тем, включает генератор 7, который формирует на .управляющем электроде клистрона 1 им0

5

0

5

0

5

0

5

.0

5

пульсы запирающего напряжения с периодом следования TV. Спустя определенное время после возникновения первого сигнала пробоя межэлектродиого промежутка управляющий, электрод-катод сигнал на выходе дискриминатора 6 пробоев пропадает, при этом генератор 7, выдавший к этому моменту времени серию импульсов запирающего напряжения, выключается, подмодулятор 3 разблокируется и СВЧ-усилитель может работать в обычной последовательности.;

Суть предлагаемого способа защиты в описанном СВЧ-усилителе заключается в следующем.

Предварительно, перед началом работы СВЧ-усилителя находят пороговую величину энергии, выделяемой в межэлектродном промежутке ЭВП управлякщий электрод- катод при его пробое, ниже которой исключено инициирование разрядом в этом промежутке пробоя межэлектродного промежутка ЭВП резонаторы-катод. Нахождение указанной пороговой величины производят путём подачи на электроды ЭВП рабочих напряжений и формирования на управляющем электроде импульсов напряжения, вызывающих пробой межэлвктродного промежутка управляющий электрод-катод. При этом, последовательно изменяя энергию, выделяемую в межэлектродном проме- жутке управляющий электрод-катод, находят искомую пороговую величину. Для формирования указанных импульсов напряжения можно использовать генератор 7 или отдельный специальный генератор. Изменение энергии, выделяемой в меж- з лектродном промежутке управляющий электрод-катод, осуществляют изменением амплитуды импульса тока разряда и его продолжительностью, которые определяются характеристиками разрядного контура и генератора.

Далее регулируют модулятор 4 и генератор 7 СВЧ-усилителя так, чтобы энергия, вводимая ими в межэлектродный промежуток ЭВП управляющий электрод-катод, была фиксирована и не превышала упомянутой пороговой величины.

В процессе работы СВЧ-усилителя при возникновении пробоя межэлектродного промежутка управляющий электрод-катод, благодаря фиксации энергии, выделяемой в этом промежутке, пороговой величиной, исключается возможность перерастания этого пробоя в пробой межэлектродного промежутка резонаторы-катод и последующее неизбежное отключение источника питания 2 ЭВП. При этом пробой промежутка фиксируют и подают на управляющий электрод

ЭВП серию импульсов запирающего напряжения, с энергией каждого, не превышающей пороговой величины. Амплитуда этих импульсов может несколько превышать формируемый модулятором уровень запи- рающего клистрон напряжения. Благодаря наличию пауз между импульсами запирающего напряжения достигается гашение разрядов в межэлектродном промежутке управляющий электрод-катод, которые мо- гут возникать в нем под воздействием этих импульсов запирающего напряжения. Обычно подача на управляющий электрод первых нескольких импульсов приводит к последовательному пробою межэлектрод- ного промежутка управляющий электрод- катод, и возникновению микроразрядов. Благодаря упомянутому выше ограничению энергии, выделяемой при пробое в межэлектродном промежутке, эти пробои также не перерастают в пробой межэлектродного промежутка ЭВП резонаторы-катод. Под действием микроразрядов происходит разрушение микронеодиородностей на поверхности электродов ЭВП, которые об- разевались в процессе его работы, Этим самым устраняется причина возникиове- . ния пробоев межэлектродного промежутка ЭВП, пррбои прекращаются и на управляющем электроде устанавливается постоян- ный уровень запирающего напряжения.

Период следования импульсов, формируемых на управляющем электроде еостав- ляет для различных ..усилительных ЭВП 5-15 мкс. Его выбирают Экспериментально таким, чтобы исключить инициирование микроразрядом в межзлектродном промежутке ЭВП, вызванным предыдущим импульсом, пробой этого промежутка последующим импульсом напряжения. Такое инициирование может быть, например, связано с недостаточным временем восста- ,новленмя локального вакуума в межэлектродном промежутке после микроразряда. Количество импульсов запирающего напряжения, формируемое на управляющем электроде после возникновения пробоя межэлектродного промежутка управляющий электрод-катод, определяется необходимой степенью разрушения микро- неоднородностей в указанном промежутке для надежного запирания тока ЭВП, Это количество импульсов определяется экспериментально и составляет, как правило, 5-20. Очевидна целесообразность ограничения длительности серии импульсов исходя из предельно допустимой длительности импульса тока ЭВП, превышение которой неизбежно приводит к перегреву ЭВП,

ухудшению вакуума в нем и пробою вследствие этого промежутка резонаторы-катод.

После окончания серии импульсов, формируемых на управляющем электроде ЭВП, и установления запирающего напряжения постоянного уровня СВЧ-усилитель готов к дальнейшей работе. При этом перерыв в его работе в результате последовательности указанных выше действий не превышает десятков микросекунд, что означает повышение быстродействия защиты СВЧ-усилителя и достижение указанной в формуле цели путем реализации предлагаемого технического решения. Дополнительно к этому достигается повышение надежности по сравнению с прототипом за счет исключения из схемы формирующей линии и токоог- раничивающих элементов, улучшаются массогабаритные характеристики устройства, повышается его КПД.

П р и м е р. Рассмотрим СВЧ-усилитель на ЭВП с управляющим электродом, у которого запирающее напрях еиие на управляющем электроде составляет 7 кВ. В отдельном эксперименте, последовательно изменяя величину энергии в межэлёктрод- ном промежутке ЭВП управляющий элект- род-катод, зарегистрировали пороговую величину этой энергии в Дж, ниже которой исключено инициирование разрядом, в промежутке управляющий электрод-катод пробоя межэлектродного промежутка резонаторы-катод. Модулятор и генератор (был введен в СВЧ-усилитель дополнительно для формирования на управляющем электроде ЭВП импульсов запирающего напряжения) были отрегулированы так, чтобы вводимая ими в межэлектродный промежуток управляющий электрод-катод -при его пробое энергия не превышала зарегистрированной пороговой величины, В ходе работы СВЧ-усилителя фиксировали -пробой меж- злектродного промежутка ЭВП управляющий электрод-катод и подавали на управляющий электрод импульсы запирающего напряжения амплитудой 8,5 кВ с периодом 15 мкс. Количество импульсоа в серии составило 5. В результате указанных действий по защите СВЧ-усилителя вынужденные перерывы в его работе, связанные с пробоем межэлектродного промежутка ЭВП управляющий злектрод-катод ократи- лись с 0,5 с до 200 мкс при исключении пробоев промежутка ЭВП резонаторы-катод, что свидетельствует о достижении цели изобретения - повышении быстродействия защиты СВЧ-усмлителя. Кроме того, из СВЧ- усилителя-прототипз были исключены высо- ковольтные гасящие конденсаторы, что

обеспечило повышение надежности м улучшение массогабаритных характеристик,

Таким образом, предлагаемый способ защиты позволяет в сравнении со способом-прототипом значительно повысить быстродействие защиты СВЧ-усилителя при одновременном улучшении его массогабаритных характеристик и надежности. Форму л а изобретения Способ защиты СВЧ-усмлителя на электронно-вакуумном приборе с управляющим электродом, основанный на подаче СВЧ- сигнала на вход СВЧ-усилигеля, фиксации пробоя в электронно-вакуумном приборе (ЭВП) и подаче сигнала управления, о т л и

5

чающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, перед подачей СВЧ-сигна- ла подают сигнал управления, определяют предельно допустимую величину энергии в промежутке управляющий электрод-катод ЭВП, при которой отсутствует пробой промежутка резонатор-катод ЭВП, фиксируют величину этой энергии, после подачи СВЧ- сигнала при фиксации пробоев промежутка управляющий электрод-катод ЭВП прекращают подачу сигнала управления и подают на управляющий электрод импульсы запирающего напряжения, энергия каждого из которых не превышает предельно допустимой величины.

. кбыходу (юдмодулятора

Фиг.2.

Использование в качестве передающего и усилительного устройства СВЧ-диапазона. Сущность изобретения: способ основан на подаче СВЧ-сигнала на вход усилителя, фиксации пробоя в электронно-вакуумном приборе (ЭВП) и подаче сигнала управления. Предварительно определяют предельно допустимую величину энергии в промежутке управляющий электрод-катод ЭВП и ее фиксируют. После подачи СВЧ- сигнала при наличии пробоев прекращают подачу сигнала управления и подают на управляющий электрод импульсы запирающего напряжения, энергия каждого из которых не превышает предельно допустимой величины. 3 ил.