электронно-лучевое свч устройство

Формула изобретения

1. Электронно-лучевое СВЧ-устройство, содержащее катодную, электродинамическую с входным и выходным СВЧ-разъемами и коллекторную системы с трансформаторной системой питания от сети переменного тока, вторичные обмотки которой крайними отводами присоединены к выводам секционированного электрода, а отводами от середины к общему электроду и земле, отличающееся тем, что оно выполнено многолучевым за счет выполнения катодной системы в виде изолированных друг от друга лучеобразующих катодов с числом, кратным шести, которая является секционированным электродом СВЧ-устройства, трансформаторная система питания выполнена трехфазной, а общим электродом устройства является коллекторная система, образованная объединенными в единый блок коллекторами лучей, в пространство между катодами и электродинамической системой введены дополнительные электроды, соединенные с отрицательным выводом источника напряжения, положительный вывод которого присоединен к коллектору, введена система управления уровнем выходного сигнала, входом которой служит вход детектора уровня СВЧ-сигнала, соединенный с выходным СВЧ-разъемом, выход детектора присоединен к первому входу схемы сравнения, присоединенной вторым входом к выходу источника опорного напряжения, а выходом к входу управления аттенюатора СВЧ-сигнала, вход которого соединен с внешним источником СВЧ-сигнала, а выход с входным разъемом СВЧ-устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лучеобразующие катоды расположены на прямой, а оси эмиссии катодов лежат в одной плоскости перпендикулярно этой прямой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лучеобразующие катоды расположены по окружности, а оси эмиссии катодов расположены параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости, содержащей окружность.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лучеобразующие катоды расположены по окружности в одной плоскости, при этом оси эмиссии лежат в той же плоскости звездообразно по направлению центра окружности вдоль ее радиусов, образуя многолучевую радиальную структуру.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что лучеобразующие катоды расположены по нескольким концентрическим окружностям с расположением рядов на разных уровнях и многолучевая радиальная структура выполнена многорядной с расположением рядов на разных уровнях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в усилителях и генераторах СВЧ-сигналов клистронного и клистродного типов.

Известны СВЧ-устройства, питаемые от сети переменного тока промышленной частоты (далее в тексте сеть) без выпрямителей за счет односторонней проводимости промежутка катод-анод или катод-коллектор. Например, широко известно такое питание магнетрона с использованием только одного полупериода. В брошюре серии МРВ [1] приведена схема питания переменным током двух магнетронов с использованием двух дополнительных дросселей, что дает возможность работы каждого из магнетронов в течение полупериода. При этом имеют место пульсации напряжения питания от нуля до амплитудного значения (далее в тексте U_m).

В то же время в электротехнике широко известен трехфазный нулевой однотактный и двухтактный выпрямители (например Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. Промышленная электроника, Энергоатомиздат, М. 1988), в котором использованы положительный и отрицательный полупериоды трехфазной сети, что составляет шестифазную систему однополярных полуволн с частотой колебаний сети переменного тока; при этом имеют место пульсации от 0,866 U_m до U_m, где U_m амплитудное значение напряжения. По нашим сведениям такая схема для питания СВЧ-устройств до настоящего времени не использовалась.

Подобным образом, но с меньшим числом фаз осуществлено питание прибора с электронным лучом [2] взятого нами за прототип. Здесь питание от сети переменного тока производится через два трансформатора один запитан непосредственно, а другой через фазовращатель, т.е. со сдвигом на четверть периода. Вторичные обмотки обоих трансформаторов имеют отводы от середины. Коллектор выполнен разрезанным на четыре секции, к которым присоединены крайние выводы вторичных обмоток, а средние отводы, соединенные вместе, присоединены к катоду, являющемуся общим электродом устройства, и заземлены, что реализует четырехфазную систему положительных полуволн напряжения на коллекторе. В результате одна из секций коллектора всегда будет под положительным относительно катода напряжением, большим 0,707 U_m (U_m амплитудное значение напряжения сети).

Недостатком системы питания и этого устройства в целом является наличие значительных пульсаций напряжения на коллекторе (от 0,707 U_m до U_m), что приводит к пульсации тока электронного луча и соответственно к пульсациям выходной мощности, и снижает КПД. Кроме того, для работы прибора необходимо применение фазовращателя в силовой цепи. При этом наличие одного катода при больших мощностях требует усложнения устройства фокусирования и сопровождения луча, а большая нагрузка на катод снижает долговечность катода.

Задача, решаемая изобретением, создание СВЧ-устройства с улучшенными эксплуатационными показателями при питании его от сети переменного тока.

Для решения поставленной задачи предлагаемое электронно-лучевое СВЧ-устройство ( СВЧ-устройство, устройство), содержащее катодную, электродинамическую и коллекторную системы с трансформаторной системой питания от сети переменного тока, вторичные обмотки которой крайними отводами присоединены к выводам секционированного электрода, а отводами от середины к общему электроду и земле, что образует шестифазную систему однополярных полуволн, выполнено многолучевым за счет выполнения катодной системы в виде изолированных друг от друга лучеобразующих катодов (далее в тексте катоды) с числом, кратным шести, и которая является секционированным электродом СВЧ-устройства; трансформаторная система питания выполнена трехфазной; общим электродом устройства является коллекторная система, образованная объединенными в единый блок коллекторами лучей ( коллектор); в пространство между катодами и электродинамической системой введены дополнительные электроды, соединенные с отрицательным выводом источника напряжения, положительный вывод которого присоединен к коллектору, а величина напряжения установлена так, чтобы ток через каждый из катодов протекал при условии:

U_kk > (0,75 0,86) U_m,

где U_kk мгновенное значение напряжения между катодом и коллектором;

U_m амплитудное значение напряжения U_kk;

кроме того, введена система управления уровнем выходного СВЧ-сигнала, которая содержит детектор уровня СВЧ-сигнала, присоединенный выходом к первому входу схемы сравнения, а второй вход схемы сравнения присоединен к выходу источника опорного напряжения, выход схемы сравнения соединен с входом управления аттенюатора СВЧ-сигнала. При этом катоды расположены на прямой, а оси эмиссии катодов лежат в одной плоскости перпендикулярно этой прямой. При другой компоновке СВЧ-устройства лучеобразующие катоды расположены по окружности, а оси эмиссии катодов расположены параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости, содержащей упомянутую окружность. Для улучшения охлаждения СВЧ-устройства повышенной мощности лучеобразующие катоды расположены по окружности в одной плоскости, при этом оси эмиссии лежат в той же плоскости звездообразно по направлению от центра окружности, образуя многолучевую радиальную структуру. В СВЧ-устройстве большой мощности упомянутая многолучевая радиальная структура выполнена многорядной с расположением рядов на разных уровнях. Выбор электродинамической системы обусловлен назначением и параметрами прибора.

В результате использования перечисленных признаков поставленная задача решена, и при питании СВЧ-устройства от сети переменного тока обеспечены

повышение эффективности использования энергии сети переменного тока;

повышение КПД до 70 80%

снижение размаха пульсаций с 29% до уровня ниже 0,5%

обеспечение возможности амплитудной модуляции уровня выходного СВЧ-сигнала;

повышение долговечности катода ориентировочно в 5 6 раз;

упрощение устройств фокусировки и сопровождения электронного луча (далее в тексте луч);

повышение выходной СВЧ-мощности устройства в целом.

Т. о. совокупность существенных признаков дает возможность значительно улучшить эксплуатационные показатели СВЧ-устройства.

При этом увеличение эффективности использования энергии сети переменного тока обеспечивается тем, что при питании от трехфазной сети через трансформатор со вторичными обмотками, имеющими отводы от середины (они подключены к общему электроду коллекторной системе, далее в тексте - коллектор, коллекторы) образуется шестифазная система напряжений для питания катодов, каждый из которых эмиттирует луч вдоль оси эмиссии. При этом в любой момент времени отрицательное напряжение на одном из катодов превышает 0,866 U_m относительно коллектора. Этим достигается снижение величины пульсаций по сравнению с прототипом и исключается из системы питания фазовращатель. Введение дополнительных отрицательно смещенных относительно коллектора электродов обеспечивает протекание тока через каждый из катодов только в области режимов с высоким КПД.

Снижение пульсаций выходного СВЧ-сигнала обеспечивается введением системы управления, кроме того обеспечивающей и возможность амплитудной модуляции выходного СВЧ-сигнала.

Повышение долговечности катодов в предлагаемом СВЧ-устройстве обеспечивается уменьшением нагрузки на катоды, т.е. каждый из них эффективно работает в течение 1/6 периода питающей сети, кроме того при числе лучеобразующих катодов более шести (двенадцать, восемнадцать и т.д.) обеспечивается снижение тока каждого луча. Соответственно уменьшается эффект расфокусировки луча из-за действия кулоновских сил, что приводит к упрощению требований к устройствам фокусирования и сопровождения луча. При реализации устройства с радиальной компоновкой лучей геометрия электродинамической системы такова, что ее поперечные размеры естественным образом увеличиваются с увеличением радиуса, что компенсирует расфокусирование луча. Кроме того, при такой компоновке развитая поверхность коллекторной системы обеспечивает интенсивный отвод тепла.

Повышение выходной мощности СВЧ-устройства в целом обусловлено тем, что возникающие при создании электронно-лучевых СВЧ-устройств большой мощности проблемы, связанные с долговечностью катодов, фокусировкой и сопровождением лучей и отводом тепла, в предлагаемом нами устройстве устранены путем решения перечисленных выше частных задач, и повышение выходной мощности достигается увеличением числа электронных лучей. Наиболее перспективна для этого компоновка с радиальным расположением лучей слоями на разных уровнях.

На фиг. 1 представлено предлагаемое СВЧ-устройство с параллельным расположением лучей в одной плоскости и общими цепями питания катодов и подогревателей катодов (вариант использования устройства как генератор); на фиг.2 временные диаграммы отрицательных волн напряжений на катодах в предлагаемом устройстве; заштрихованы области наибольшего КПД; на фиг. 3 - функциональная схема СВЧ-устройства при работе в роли усилителя; на фиг. 4 - общий вид СВЧ-устройства с параллельным расположением лучей по окружности (без систем питания и управления); на фиг. 5 вариант реализации СВЧ-устройства с радиальным расположением лучей в одной плоскости (без систем питания и управления).

Как видно из фиг. 1, СВЧ-устройство содержит трансформаторную систему питания, в которую входят трехфазный трансформатор 1 и источник напряжения 2; катодную систему, в которую входят катоды 3 с подогревателями 4 и дополнительными электродами 5, при этом каждым катодом сформирован отдельный электронный луч 6; электродинамическую систему 7 с СВЧ-входным разъемом 8 и СВЧ-выходным разъемом 9; коллекторную систему 10, которая образована объединенными в единый блок коллекторами электронных лучей; систему управления 11. Крайние выводы одной фазной вторичной обмотки 12 и 13 присоединены к выводам 14 и 15 катодов 3; выводы обмоток питания подогревателей катодов 16 и 17 присоединены соответственно к выводам 18 и 19 подогревателей 4. Аналогичным образом две другие вторичные фазные обмотки соединены с катодами и подогревателями (позиции 20 34). Отводы всех фазных обмоток от середины соединены с коллекторной системой и заземлены. Возможно применение изолированных от катодов подогревателей соответственно с изолированными друг от друга обмотками питания катодов и подогревателей. Входные обмотки 35 37 трансформатора присоединены к трехфазной сети переменного тока. Между катодами 3 и электродинамической системой 7 расположены соединенные вместе дополнительные электроды 5, на которые подано с источника напряжения 2 отрицательное смещение относительно коллектора. Величина напряжения смещения установлена из условия обеспечения протекания тока через катод только тогда, когда отрицательное напряжение на катоде превышает уровень (0,75 0,86) U_m. Такой уровень выбран из двух предпосылок обеспечение непрерывности тока через катодную систему и обеспечение больших напряжений на катодах при работе. Последнее обусловлено тем, что при малых напряжениях питания на катодах снижается КПД. В рассматриваемом примере на фиг. 1 при работе СВЧ-устройства как генератор, выходной разъем 9 с входным разъемом 8 соединен через систему управления уровнем выходного СВЧ-сигнала 11.

На фиг. 3 предлагаемое СВЧ-устройство использовано как усилитель СВЧ-сигналов. В этом случае система управления 11 входом 38 присоединена к источнику усиливаемого СВЧ-сигнала 39 (последний в состав предлагаемого СВЧ-устройства не входит), входом 40 она присоединена к выходному разъему 9, а выход 41 системы управления соединен с входным разъемом 8 СВЧ-устройства. Вход 42 системы управления присоединен к выходу внешнего источника опорного напряжения 43 (в состав устройства не входит). Система управления содержит детектор уровня выходного СВЧ-сигнала 44, выход которого присоединен к первому входу схемы сравнения 45. Второй вход схемы сравнения является и входом 42 системы управления. Выход схемы сравнения присоединен к управляющему входу аттенюатора 46. СВЧ-вход 38 и СВЧ-выход 41 аттенюатора являются СВЧ-входом и СВЧ-выходом системы управления.

При работе предлагаемого устройства энергия (напряжение) от сети переменного тока через первичные обмотки 35 37 поступает на трансформатор 1 системы питания, а с крайних выводов фазных вторичных обмоток которого (позиции 12, 13, 21, 22, 25, 26) на выводы катодов 3 (позиции 14, 15, 29, 31, 33, 35); одновременно выводы обмоток питания подогревателей (позиции 16, 17, 20, 23, 24, 27) соединены с выводами подогревателей катодов 4 (позиции 18, 19, 28, 30, 32, 34). Катоды поочередно в течение 1/6 периода колебаний в сети эмитируют электронные потоки с максимумом интенсивности вдоль осей эмиссии, из которых (потоков) формируются электронные лучи 6 (далее в тесте луч) с помощью устройств формирования и сопровождения электронных лучей, и лучи проходят в электродинамическую систему 7, где взаимодействуют с созданными в электродинамической системе полями; результатом этого взаимодействия является полезный эффект генерирование или усиление СВЧ-сигнала и передача его на выходной разъем 9. Состав и конструкция электродинамической системы определяется конкретными требованиями к СВЧ-устройству и его параметрам. В разных вариантах это и резонаторы, как в клистроне или клистроде, или замедляющая система, как в ЛБВ, и др. Как было сказано ранее, напряжения на катодах составляют шестифазную систему. Протекание тока через каждый катод возможно только при наличии на нем отрицательного относительно коллектора напряжения. Как видно из фиг. 2, отрицательное напряжение в разные моменты времени присутствует одновременно на двух или трех катодах, при этом мгновенное значение отрицательного напряжения (далее в тексте напряжение) на катодной системе (на одном из катодов) всегда не меньше 0,86 U_m, т.е. по крайней мере один из катодов в любой момент времени имеет режим, соответствующий оптимальному для получения номинальной мощности на выходе при высоком КПД. Этому соответствует заштрихованная зона на фиг. 2. При низких напряжениях на катодах снижение выходной мощности и КПД происходит в большей степени, чем снижение напряжения. Для уменьшения потерь путем исключения работы катодов при низких напряжениях в пространство между катодами 3 и электродинамической системой 7 введены дополнительные электроды 5, на которые подано от источника 2 отрицательное относительно коллектора 10 напряжение для запирания тока катодов при низких напряжениях U_kk. Величина напряжения, при котором появляется ток катода, выбрана по приведенному выше условию, исходя из двух предпосылок: обеспечение непрерывности тока через катодную систему в целом и возможно большие напряжения на катоде при протекании через него тока. Пульсации напряжения на катодах 3 катодной системы в пределах от 0,866 U_m до U_m приводят к модуляции уровня выходного СВЧ-сигнала (выходной мощности). Для устранения этого недостатка в предлагаемое устройство введена система управления 11. При работе устройства как генератор СВЧ-сигнал с выходного разъема 9 поступает на вход системы управления 11, которая изменяет уровень СВЧ-сигнала, поступающего с нее на входной разъем 8 таким образом, чтобы уровень выходного СВЧ-сигнала на разъеме 9 оставался неизменным несмотря на наличие пульсаций напряжения на катодах. Пример реализации системы управления представлен на фиг. 3.

На фиг. 3 представлена функциональная схема СВЧ-устройства при использовании его как усилитель СВЧ-сигналов. В этом случае с выходного разъема 9 СВЧ-устройства на вход 40 системы управления 11 поступает СВЧ-сигнал. Вход 40 системы управления является и входом детектора уровня СВЧ-сигнала 44. Информация об уровня СВЧ-сигнала с выхода детектора 44 в виде постоянного или медленно меняющегося напряжения поступает на первый вход схемы сравнения 45. На вход 42 системы управления, он же второй вход схемы сравнения, поступает сигнал в виде напряжения от источника опорного напряжения 43. С выхода схемы сравнения усиленная разность напряжений на входах поступает на управляющий вход управляемого аттенюатора СВЧ-сигнала 46. Аттенюатор 46 в зависимости от напряжения на его управляющем входе изменяет степень ослабления подведенного к его входу 38 СВЧ-сигнала от внешнего источника 39 на своем выходе 41 и на входном разъеме 8 таким образом, чтобы уровень выходного СВЧ-сигнала оставался постоянным при постоянном опорном напряжении или изменялся по закону изменения опорного напряжения (при условии частота изменения опорного напряжения намного меньше частоты выходного СВЧ-сигнала).

Таким образом, предложенное СВЧ-устройство характеризуется:

высокой эффективностью использования энергии сети переменного тока;

высоким КПД (до 70 80%);

малым размахом пульсаций (ниже 0,5%);

возможностью амплитудной модуляции уровня выходного СВЧ-сигнала;

увеличенной долговечностью катода ориентировочно в 5 6 раз;

снижением требований к устройствам фокусировки и сопровождения электронного луча;

высокой выходной СВЧ-мощностью устройства в целом.