Электронно-лучевой умножитель частоты Советский патент 1980 года по МПК H03B19/10 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано, в частности в качестве высокостабильного источника гармонических колебаний для радиоизмервтепьной аппаратуры. Известен умножитель частоты, содерн ждщий электрюннопучевую трубку (ЗЛТ) с системой круговой развертки, маску, состоящую из прозрачных и 1епрозрач- ных секторов, накладываемую на экран трубки, фотоэлемент и формирователь. В трубке используется люминофор с коротким послесвечением. Вращающийся электронный луч генерирует световые импульсы, которые воспринимаются, усиливаются и преобразуются в элект рические импульсы фотоумножителем 1ц. Недостатками известного умножителя частоты являются низкий КПД, обусловленный большими потерями сигнала, возникаюшими в процессе преобразования энергии электронного луча в световые импульсы, и последующего преобразов ния указанных световых импульсов в электрические импульсы либр гармоничес-, кие сигналы; большие искажения выходного сигнала, также обусловленные двойным преобразованием энергии, которые приводят к тому, что выходной сигнал сильно отличается от монохроматического. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является умножитель частоты, содержащий ЭЛТ с системой круговой развертки, преобразователь электронного потока, выполненный в виде впрессованного в трубку кольца, обра;з6ванного торцами чередующихся прозрачных и непрозрачных гибких световодов, формирователь и фотоэлементы, причем прозрачные световоды объединены в и , каждый из которых оптически связан с соответствующим фотоэлементом а выходы фотоэлементов через формирователи и схему разделения подключены к выходному зажиму умножителя 2. Данному умножителю частоты присуши те же недостатки, что и описанному выше. Цель изобретения - уменьшение коэ(} фициенга гармоник. Поставленная цель достигается тем, что, в электроннолучевой умножитель час тоты, содержащий ЭЛТ, с электронностатическим отклонением луча, отклоняющие пластины которой соединены с генераторами развертки, электронная пушка и коллектор которой соединены с соответствующими источниками питания. Коллектор выполнен из двух металлических пластин, установленных перпендикулярно оси ЭЛТ и соединенных с выводами катушки индуктивности, расположенной между металлическими пластинами, причем в одной из металлических пластин выполнены равномерно по окружности отверстия, а на второй металлической пластине выполнены выступы, расположенные против отверстий первой металли ческой пластины. На чертеже представлен электроннолучевой умножитель частоты. Умножитель частоты содержит ЭЛТ 1 с электронной пушкой 2 и системой откл отклоня1ощих пластин 3, первую металлическую пластину 4 с отверстиями, рас положенными по окружности на равном расстоянии друг от друга, вторую металлическую пластину 5, катушку 6 индуктивности, подключенную к указанным пластинам, генератор развертки, состоящий из фазовращателя 7 и задающего генератора 8. Умножитель частоты работает слецую щим образом. Для того, чтобы электронный поток, попадающий в пространство взаимодействия через отверстия в пластине 4, эффек тивно взаимодействовал с высокочастотным полем колебательного, контура необходимо на пластине 5 расположить по окружности выступы так, чтобы над каждым отверстием пластины 4 был выступ. Для увеличения верхней частоты диапазона рабочих частот умножителя пластина 5 может быть изготовлена в виде кольца, либо от колебательного контура целесообразно перейти к колебательной системе с распределенными параметрами Напряжение умножаемой частоты от задающего генератора 8 поступает на фазовращатель 7, а затем на систему от клоняющих пластин 3. Под действием это tx) напряжения ocyщecтвляefcя круговая развертка, и. электронный луч описывает окружность на пластине 4. Радиус окруж ности, описываемой электронным лучом, выбирается равным радиусу окружности. на которой расположены отверстия в пластине 4. Таким образом, при круговой развертке электронный поток проходит через отверстия и задерживается промежутками между ними, в результате чего непрерывный электронный поток преобразуется в пульсирующий. Металлические пластинь 4, 5 и катушка 6 индуктивности образуют колебательный контур, резонансная частота которого выбирается равной заданной частоте выходного сигнала. Очевидна, что пространство между пластинами 4 и 5 представляет собой пространство взаимодействия пульсирующего электронного потока с высокочастотным электрическим полем указанного колебательного контура. Электроны, прошедшие через пространство взаимодействия и отдавшие часть своей кине- тич еской энергии высокочастотному полю, оседакзт на пластине 5, выполняющей также и роль коллектора. Форма пульсирующего тока, протека- 1ощего в пространстве взаимодействия, представляет собой полседовательность импульсов, трапециевидной формы. В наиболее неблагоприятном случае, когда диаметр тока луча, ширина отверстий и расстояние между ними равны, последовательность импульсов близка по форме к треугольной. Прежде чем оценить КПД данного умножителя частоты, выясним, можно ли пренебречь инерцией электронов в диапазоне рабочих частот. Для этого примем, что ускоряющее напряжение QI Лежит в пределах (, - 1ОО.О В. Торда скорость электронов при влете в пространство взаимодействия имеет величину v.o,(i,a-.9)-ici|-. Если длина пространства взаимодействия, определяемая расстоянием от пластины 4 до поверхности выступа пластины 5 порядка нескольких миллиметров, например 3 мм, то время .пролета электрона, имеющего скорость У , составляет величинуfcpjj.Qir( 1,58-2,5) с, и для . частоты С выходного сигнала, равной - 100 МГц, угол пролета составляет величину дп(.о - 5,7 - 9 . Если учесть, что в результате взаимодействия электронов с высокочастотным полем скорость их уменьшается, а угол пролета увеличивается, то в самом неблагоприятном случае он составляет не более Следовательно, инерцию электронов можно не учитывать и очи-

тать, что амплитуда первой гармоники наведенного тока равна амплитуде первой гармоники конвекционного тока.

Нетрудно показать, что для послецрвательности импульсов треугольной формы амплитуда первой гармоники наведенного тока минимальна, а для последовательности прямоугольных импульсов максимальна. Поэтому в наиболее часто встречающемся случае для последовательности импульсов трапецеидальной .формы ее величина лежит в пределах

ТЛо /2.

(icT)

Hi г

кпд умножителя оценивается следующим образом.

3u4)ti ,

)

где . - мощность, развиваемая электронным потоком в контуре умножителя; Р - мощность, потребляемая от

источника питания J - амплитуда напряжения на

контуре умножителя; Зл - ГОК луча электронной пушки Поскольку электронный поток взаимодействует с высокочастотным подем колебательной системы резонансного типа, то отношение характеризующее э4 ;фвктивность использования ускоряющего напряжения, может достичь достаточно большой величины

0, . ЕСЯ

Тогда КПД умножителя лежит в пределах

O..ba,.

Как следует из описания, в данном рдножителе частоты используется прямое преобразование кинетической энерг электронов тока луча в энергию высокочастотных колебаний в отличие от известного, в котором используется двойное преобразование энергии (энергии электронного луча в световую и затем световой - в электрическую (в фотоумножителях). В результате потери энергии в предлагаемом умножителе частоты значительно меньше, а следовательно, в выше КПД. Выходной сигнал умножителя частоты весьма близок к монохроматическому, что также обусловлено отсутствием двойного преобразования энергии электронного потока.

При больших, коэффициентах умножения умножитель частоты выгодно отличается от обычных ламповых и транзисторных умножителей частоты, так как КПД этих умножителей убывает пропорционально кратности умножения, а КПД предлагаемого умножителя от нее не зависит. Так, при коэффициентах умножения больше 50 КПД указанных умножителей частоты на порядок ниже, чем КПД предлагаемого умножителя частоты.

Предлагаемый умножитель частоты позволяет получить На выходе-сигнал, более -близкий по форме к синусоидальному, чем

ламповые и полупроводниковые умножители при больших кратностях умножения. Это объясняется тем, что в обычных умножителях происходит первоначально искажение тока основной частоты,

ток становится богатым гармоническими составляющими, кратными умножаемой частоте. Чем выше кратность умножения, тем труднее выделить нужную гармонику. Поэтому в обычных умножителях вы-

ходной сигнал содержит не только гармонику нужной частоты, но и ослабленные в той или иной степени соседние гармоники.

Ток луча в пространстве йзаимодействия также содержит гармоники,но они оказываются разнесенными друг от друга на величину, кратную коэффициенту умножения, и поэтому сильно осл бляются колебательным контуром. Это досто-

инство умножителя не противоречит физическому смыслу и объясняется тем, что пополнение энергии в контуре осуществляется в каждый период высокочастотного напряжения (как в режиме усиления), тогда как в обычных умножителях пополнение энергии в контуре происходит один раз за несколько периодов.

Так как данный умножитель частоты имеет достаточно высокий КПД и выходной сигнал близок к монохроматическому, он может быть наиболее эффективно применен в радиоизмерительной аппаратуре, в частности в аппаратуре, предназначен- ной для измерения флуктуаций. Использование в измерителях флуктуации умножителя, обеспечивающего высокий КПД, позволяет использовать сигнал умноженной частоты без последующего его усиления, что снижает шумы изк ерительно- го тракта и обеспечивает, в свою очередь, повышение чувствительности измерителя в целом. Если отверстия в первой металлической пластине расположить по ., т . % V-7 концентрическим окруз«иостям1 fpi sMeняя амплитуду умнЬжаемр4;;д ., мож но осуществить иэменёнйй 99ффч4ие1|1}а умножения, т. е. его элек трэинук пррр- стройку. Формула и зобретения Электроннолучевой умножитель частоты, содержащий электроннолучевую трубку с электронностйтическим отклонением луча, отклоняющие пластины которой сое динены с генераторами развертки, электронная пушка и коллектор которой соединены с соответствующими источниками питания, отличающийся тем, что с целью уменьшения коэффициента гармоник, коллектор выполнен из двух 18 металлических пластин, установленных перпендикулярно оси электроннолучевой трубки и соединенных с выводами катушки индуктивности, расположенной между металлическими пластинами, причем в одной из металлических пластин выполнены равномерно по окружности отверстия, а на второй металлической пластине выполнены выступы, расположенные против отверстий первой металлической пластины. Источники информации, принятые .:во внимание при экспертизе 1.. МибКвр U. ЕЕ System Eugintering Today Ovurvlew ppeguency HEtipeieps 1969, № 3. 2. Авторское свидетельство СССР № 335777, кл. Н ОЗ В 19/ОО, 20.12.72.