телевизионный клистрон

Формула изобретения

1. Телевизионный клистрон, содержащий входной, выходной и промежуточные двухзазорные цилиндрические резонаторы с противофазным видом колебаний, внутренний проводник которых одним концом соединен с корпусом резонатора, а другим - с втулкой, имеющей пролетное отверстие, соосное с отверстиями в пролетных трубах, закрепленных на боковых крышках каждого резонатора, отличающийся тем, что каждый из резонаторов клистрона имеет внутренний проводник, одна часть которого представляет собой закрепленный на корпусе резонатора массивный электрод, служащий опорой для другой части внутреннего проводника, имеющей вид разомкнутого кольца, расположенного коаксиально втулке и соединенного с ней на свободном конце с помощью радиального стержня, причем высоты резонаторов, их диаметры и размеры отверстий в пролетных трубах для всех литер частотного диапазона выбраны одинаковыми, а величина эффективного характеристического сопротивления выходного резонатора и параметры прибора определяются из следующего соотношения:



где f₀ - нижняя частота полосы усиления прибора, МГц;

- характеристическое сопротивление резонатора на частоте f₀, Ом;

P_w - выходная мощность в режиме усиления синхроимпульса, кВт;

М - коэффициент эффективности взаимодействия;

p - микропервеанс электронного пучка, мкА/В^3/2.

2. Телевизионный клистрон по п.1, отличающийся тем, что опора во всех промежуточных резонаторах укреплена на одной из боковых крышек и представляет собой отрезок трубы, установленный соосно с корпусом, в которой выполнены сквозные пазы таким образом, что оставшаяся часть этой трубы представляет собой сплошное кольцо, составляющее единое целое с продольной частью трубы, разделяющей сплошное и разомкнутые кольца.

3. Телевизионный клистрон по п.1, отличающийся тем, что опора во входном и выходном резонаторах имеет вид кольцевого сегмента, расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора.

4. Телевизионный клистрон по п.1, отличающийся тем, что диаметр резонатора выбирается из условия

9а<D<0.22 _мин,

где D - диаметр резонатора, м;

_мин - минимальная рабочая длина волны, м;

а - внутренний радиус пролетной трубы, м.

5. Телевизионный клистрон по п.1, отличающийся тем, что минимально допустимая высота резонатора удовлетворяет соотношению



где Н - высота резонатора, м;

а - радиус пролетного канала, м;

- максимальная рабочая длина волны, м;

U_o - ускоряющее напряжение, В.

6. Телевизионный клистрон по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере в один из резонаторов введен дополнительный внутренний проводник, образующий с основным внутренним проводником 2-контурную фильтровую систему.

7. Телевизионный клистрон по п.1, или 2, или 6, отличающийся тем, что опора основного внутреннего проводника имеет вид кольцевого сегмента, расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора, а дополнительный внутренний проводник повторяет по форме основной внутренний проводник промежуточных резонаторов и установлен со смещением по высоте резонатора таким образом, что разомкнутое кольцо дополнительного проводника находится под разомкнутым кольцом основного проводника или над ним, при этом дополнительный проводник соединен кондуктивным элементом связи с внешней нагрузкой.

8. Телевизионный клистрон по п.1, или 2, или 6, отличающийся тем, что основной и дополнительные внутренние проводники повторяют по форме основной внутренний проводник в промежуточных резонаторах и укреплены на одной из боковых крышек резонатора со смещением в азимутальном и продольном направлениях с возможностью емкостной подстройки дополнительного резонансного проводника, при этом дополнительный проводник соединен кондуктивным элементом связи с внешней нагрузкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к мощным многорезонаторным пролетным усилительным клистронам, и может найти применение в телевизионных передатчиках изображения и звука в качестве оконечных усилителей модулированных колебаний УВЧ-диапазона для 21-60 телевизионных каналов.

К современным телевизионным клистронам предъявляется ряд специфических требований. Полоса пропускания клистронного усилителя должна быть не менее 8 МГц при неравномерности АЧХ в этой полосе не более 1 дБ. Для того чтобы успешно конкурировать с мощными дорогостоящими полупроводниковыми усилителями клистрон должен иметь высокий коэффициент усиления (не менее 40 дБ) с тем, чтобы на входе прибора можно было бы использовать дешевый маломощный транзисторный возбудитель. Кроме этого клистрон должен иметь минимальные массогабаритные параметры, быть устойчивым к механическим и тепловым нагрузкам, а также обеспечивать высокое качество усиливаемого сигнала.

Для обеспечения высокого качества сигнала относительные уровни побочных колебаний при работе клистрона в режиме передачи изображения на уровне черного поля, а также уровни паразитных колебаний в нерабочем диапазоне частот не должны превышать определенной нормы.

Таким образом, актуальной проблемой является улучшение комплекса электрических и массогабаритных параметров телевизионного клистрона. Эту проблему можно решить за счет оптимального выбора конструкции резонаторной системы и параметров электронного потока.

Из теории подобия [см. Царев В.А. Обобщенный показатель качества клистронных усилителей // "Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы 1992. - Вып.3(138). - С. 20-21] следует, что если уменьшить длину резонаторного блока в n раз, то для сохранения неизменной величины заданного произведения коэффициента усиления на полосу пропускания клистрона необходимо во столько же раз увеличить произведение _эффp, где _эфф - произведение квадрата коэффициента эффективности взаимодействия М на характеристическое сопротивление резонатора ; р - первеанс электронного потока.

Для удовлетворения этим требованиям в однолучевых клистронах с однозазорными резонаторами, имеющими малое характеристическое сопротивление (<100 Ом), пришлось бы использовать электронный поток с высоким микропервеансом (p>3), или сильно нагружать резонаторы при умеренных значениях пространственного заряда. Подобные клистроны (например, клистрон КУ-318) имеют малый коэффициент усиления, а также большие габариты и массу. Одним из известных технических решений, направленных на увеличение произведения коэффициента усиления на полосу пропускания телевизионных клистронов с однозазорными резонаторами, является переход от четырехрезонаторных клистронов к пятирезонаторым. Однако при этом сильно ухудшаются массогабаритные параметры таких приборов.

Более перспективным техническим решением является применение в конструкции резонаторной системы клистронов двухзазорных резонаторов с противофазным видом колебаний, имеющих в 2-3 раза более высокое волновое сопротивление, чем однозазорные резонаторы. Такие резонаторы выполняются на основе отрезка передающей линии, короткозамкнутого на одном конце и нагруженного на емкость двойного бессеточного зазора на другом конце [см. Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. - М.: Высш. шк., 1983. - 368 с.].

В качестве передающей линии чаще всего используют отрезок полосковой лини, внешний проводник которой (корпус) имеет вид цилиндра, закрытого с двух сторон боковыми крышками с отверстиями для пролета электронов, а внутренний проводник выполнен в виде радиального стержня, соединенного одним концом с корпусом, а другим - с центральным электродом (втулкой) (см. А/с СССР 744780, М. кл. H 01 J 23/22, H 01 J 25/10, опубл. 30.06.80, бюлл. 24, 10.07.80 г.).

Клистроны с такими резонаторами находят применение в коротковолновой части СВЧ-диапазона, где они имеют сравнительно малые габариты и массу, В УВЧ-диапазоне размеры резонаторов увеличиваются пропорционально увеличению длины волны (при этом объем резонаторов и, следовательно, масса прибора возрастают пропорционально кубу длины волны).

Увеличение объема цилиндрических резонаторов повышает вероятность возбуждения в них высших видов колебаний, из которых наиболее опасным считается синфазный вид колебаний ₀₁₀, длина волны которого пропорциональна диаметру резонатора. Обычно частота этого вида колебаний близка к частоте третьей гармоники усиливаемого сигнала.

Соответствующая гармоническая составляющая конвекционного тока модулированного электронного пучка может эффективно взаимодействовать с этим видом колебаний, что приведет к повышению уровня третьей гармоники до недопустимых значений, при которых ухудшится качество выходного сигнала. Для выведения этого паразитного вида колебаний из зоны возможного взаимодействия с электронным пучком необходимо уменьшить диаметр корпуса резонатора.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является клистрон с двухзазорными цилиндрическими резонаторами с противофазным видом колебаний, имеющими уменьшенный диаметр корпуса [А.с. 754519 СССР МКИ H 01 J 23/20. Двухзазорный резонатор / С.Н. Голубев, Л.Д. Есина, А.В. Никонов, В.А. Царев; СПИ (СССР). - Опубл. в БИ, 1980, 29]. В качестве индуктивного элемента в резонаторах таких клистронов используются отрезки передающих линий с внутренним проводником, имеющим постоянное поперечное сечение по всей его длине и выполненным в виде охватывающего втулку отрезка регулярной радиальной спирали.

Этот проводник одним концом соединен с корпусом резонатора, а другим - с втулкой, установленной внутри этого корпуса.

Недостатками клистронов с такими резонаторами при использовании их в качестве мощных усилителей модулированных колебаний УВЧ диапазона являются:

1. Малая механическая прочность и плохой теплоотвод от внутреннего проводника, а также то, что форма этого проводника выполнена без учета неоднородного распределения механической и тепловой нагрузок по его длине. Это обуславливает неустойчивость резонатора к механическим и тепловым воздействиям, ограничивая тем самым уровень достижимой мощности клистрона.

2. При малом укорочении регулярной резонансной линии емкостью двойного зазора, то есть при высоких значениях характеристического сопротивления промежуточного резонатора он помимо основного противофазного вида колебаний с резонансной частотой f₀ может возбуждаться на обертонах, примерно совпадающих с нечетными составляющими спектра гармоник тока модулированного электронного пучка (f₁=3f₀; f₂=5f₀). В результате это приводит к ухудшению качества усиливаемого сигнала, так как на выходе прибора уровни паразитных колебаний в нерабочем диапазоне частот могут превышать определенную норму.

3. При уменьшении длины резонаторного блока (путем уменьшения высоты резонаторов и сокращении длин пролетных труб) появляется возможность самовозбуждения клистрона за счет положительной обратной связи между каскадами, а также из-за появления отрицательной электронной шунтирующей проводимости, вносимой модулированным электронным пучком в промежуточные резонаторы при малых углах пролета между центрами двух смежных зазоров.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются обеспечение в УВЧ-диапазоне при заданных полосе пропускания и уровне выходной мощности телевизионного клистрона с двухзазорными резонаторами максимального коэффициента усиления на единицу длины прибора с сохранением высокого качества усиливаемого сигнала и устойчивости резонаторов к механическим и тепловым нагрузкам.

Решение указанных задач достигается тем, что телевизионный клистрон, содержащий малогабаритные входной, выходной и промежуточные двухзазорные цилиндрические резонаторы с противофазным видом колебаний, внутренний проводник которых одним концом соединен с корпусом резонатора, а другим - со втулкой, имеющей пролетное отверстие, соосное отверстиям в пролетных трубах, закрепленных на боковых крышках каждого резонатора, выполнен многолитерным с возможностью перекрытия УВЧ телевизионного диапазона частот одной унифицированной конструкцией резонаторной системы, каждый из резонаторов которой имеет внутренний проводник, одна часть которого представляет собой закрепленный на корпусе резонатора массивный электрод, служащий опорой для другой части внутреннего проводника, имеющей вид разомкнутого кольца, расположенного коаксиально втулке и соединенного с ней на свободном конце с помощью радиального стержня, причем высоты резонаторов, их диаметры и размеры отверстий в пролетных трубах для всех литеров выбраны одинаковыми, а величина эффективного характеристического сопротивления выходного резонатора и параметры прибора определяются из следующего соотношения:



где f₀ - нижняя частота полосы усиления прибора, МГц;

- характеристическое сопротивление резонатора на частоте f₀, Ом;

P_w - выходная мощность в режиме усиления синхроимпульса, кВт;

М - коэффициент эффективности взаимодействия;

p - микропервеанс электронного пучка, мкА/В^3/2.

Например, при f₀=490 МГц, p=2 мкА/В, Р_w=10 кВт, М=0.75 из этой формулы можно определить минимально допустимую для обеспечения заданной полосы усиления величину характеристического сопротивления выходного резонатора 350 Ом.

Предложенное техническое решение реализовано рядом оптимальных вариантов.

Вариант 1. Для повышения механической прочности, улучшения теплоотвода от внутреннего проводника и упрощения технологии изготовления прибора опора в промежуточных резонаторах укреплена на одной из боковых крышек и представляет собой отрезок трубы, установленный соосно корпусу, в которой выполнены сквозные пазы таким образом, что оставшаяся часть этой трубы представляет собой сплошное кольцо, составляющее единое целое с продольной частью трубы, разделяющей сплошное и разомкнутые кольца, а опора во входном и выходном резонаторах расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора.

Вариант 2. Опора во входном и выходном резонаторах имеет вид кольцевого сегмента, расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора.

Вариант 3. Для уменьшения эффективности взаимодействия третьей гармоники усиливаемого сигнала на синфазном виде колебаний до допустимых значений, при которых не ухудшится качество выходного сигнала, диаметр резонатора выбирается из условия:

9a<D<0,22_мин,

где D - диаметр резонатора, м;

_мин - минимальная рабочая длина волны, м;

а - внутренний радиус пролетной трубы, м.

При выполнении правой части неравенства (ограничение сверху) частота синфазного вида колебаний Е₀₁₀ будет более чем в 3,5 раза превышать частоту усиливаемого сигнала и, следовательно, резко упадет эффективность взаимодействия электронов с этим видом колебаний. Ограничение на диаметр резонатора снизу связано с найденным эмпирически условием, при нарушении которого величина характеристического сопротивления резонатора начинает сильно уменьшаться.

Вариант 4. Для получения заданной величины произведения коэффициента усиления клистрона на полосу пропускания и исключения вероятности самовозбуждения клистрона за счет положительной обратной связи между каскадами через отверстия в пролетных трубах, а также из-за появления отрицательной электронной шунтирующей проводимости в промежуточных резонаторах при уменьшении высоты резонаторов и сокращении длин пролетных труб, нами установлено, что минимально допустимая высота резонатора должна удовлетворять следующему соотношению:



где Н - высота резонатора, м;

а - радиус пролетного канала, м;

- максимальная рабочая длина волны, м;

U_o - ускоряющее напряжение, В.

Например, при =0,6383 м (f₀=470 МГц), а=0,0075 м, U_o=10000 В из этой формулы следует, что минимальная высота резонатора Н=0.102м.

В этой формуле учтено, что длина трубы дрейфа между резонаторами выбрана (для исключения электромагнитной связи между каскадами) из условия, что она больше 2 радиусов пролетного канала, а угол пролета полной длины двойного зазора в промежуточных резонаторах выбран в области, соответствующей положительным значениям электронной шунтирующей проводимости.

Вариант 5. Для увеличения произведения коэффициента усиления на полосу пропускания клистрона, по крайней мере, в один из резонаторов (например, в выходной) введен дополнительный внутренний проводник, образующий с основным внутренним проводником двухконтурную фильтровую систему. Следует отметить, что этот вариант не исключает такой случай, когда все резонаторы клистрона выполнены в виде фильтровых систем.

Ниже рассматриваются оптимальные варианты конструкции фильтровой системы, образованной основным и дополнительными внутренними проводниками.

Вариант 6. Опора основного внутреннего проводника имеет вид кольцевого сегмента, расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора, а дополнительный внутренний проводник, повторяет по форме основной внутренний проводник промежуточных резонаторов и установлен со смещением по высоте резонатора таким образом, что разомкнутое кольцо дополнительного проводника находится под (над) разомкнутым кольцом основного проводника, при этом дополнительный проводник соединен кондуктивным элементом связи с внешней нагрузкой.

Вариант 7. Основной и дополнительные внутренние проводники повторяют по форме основной внутренний проводник в промежуточных резонаторах и укреплены на одной из боковых крышек резонатора со смещением в азимутальном и продольном направлениях с возможностью емкостной подстройки, при этом дополнительный проводник соединен кондуктивным элементом связи с внешней нагрузкой.

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, обуславливают соответствие этого решения критерию "новизна".

Авторам не известны технические решения, имеющие совокупность отличительных признаков заявляемого решения, поэтому делаем вывод, что предполагаемое изобретение отвечает критерию "существенные отличия". На фиг.1 изображен продольный разрез телевизионного клистрона, а на фиг.2 и 3 показаны поперечные сечения входного и промежуточных резонаторов. На фиг.4 показано поперечное сечение выходного резонатора, выполненного по варианту 6. На фиг. 5, 6 изображены поперечные сечения выходного резонатора, выполненного по варианту 7.

Телевизионный клистрон содержит электронную пушку 1, ввод СВЧ энергии 2, входной 3, промежуточные 4 и выходной 5 двухзазорные резонаторы с противофазным видом колебаний. Корпус каждого из резонаторов имеет вид цилиндра 6 с внутренним диаметром D и высотой Н и закрыт с двух сторон боковыми крышками 7 с пролетными трубами 8, отверстия 9 в которых соосны отверстиям во втулке 10, симметрично расположенной внутри этого корпуса. Высоты резонаторов, их диаметры и размеры отверстий в пролетных трубах для всех литеров выбраны одинаковыми, а величина эффективного характеристического сопротивления выбирается для каждого литера в соответствии с предложенной формулой за счет изменения длины втулки.

Индуктивная часть резонатора образована короткозамкнутым отрезком ступенчато-неоднородной линии, внешним проводником которой является корпус резонатора. Внутренний проводник состоит из двух частей. Одна часть этого проводника представляет собой закрепленный на корпусе резонатора массивный электрод 11, служащий опорой для другой части внутреннего проводника, имеющей вид разомкнутого кольца 12, расположенного коаксиально втулке и соединенного с ней на свободном конце с помощью радиального стержня 13. Настройка резонаторов на заданный литер осуществляется в заводских условиях за счет изменения длины выреза 1 разомкнутого кольца 12.

Причем опора в промежуточных резонаторах укреплена на одной из боковых крышек и представляет собой отрезок трубы, установленный соосно корпусу, в которой выполнены сквозные пазы таким образом, что оставшаяся часть этой трубы представляет собой сплошное кольцо 14, составляющее единое целое с продольной частью трубы 15, разделяющей сплошное 14 и разомкнутое 12 кольца, а опора 11 во входном 3 и выходном 5 резонаторах расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом 12 и закреплена на цилиндре 6.

Для настройки на заданную частоту в пределах одного литера клистрон снабжен емкостными элементами перестройки частоты 16.

Устройства связи с вводом 2 и выводом 17 высокочастотной энергии выполнены в виде кондуктивных элементов 18. Коллектор 19 с воздушным охлаждением предназначен для приема отработанного электронного пучка.

Для увеличения произведения коэффициента усиления на полосу пропускания в один из резонаторов (как правило, в выходной или входной) введен дополнительный внутренний проводник 20 (фиг.5, 6), соединенный кондуктивным элементом связи 18 с внешней нагрузкой и образующий с основным внутренним проводником 12 двухконтурную систему с параметрами полосно-пропускающего фильтра.

Устройство работает следующим образом. В отсутствии усиливаемого сигнала электронный пучок, сформированный электронной пушкой 1, последовательно проходит через пролетные отверстия 9, выполненные во втулках 10 и пролетных трубах 8 резонаторов 3, 4, 5, и рассеивается на коллекторе 19.

При подаче сигнала через ввод ВЧ-энергии 2 через элемент связи 18 в двойном зазоре входного резонатора 3 с противофазными напряжениями происходит модуляция электронов по скорости, которая затем переходит в пролетных трубах 8 в модуляцию электронов по плотности. Электронные сгустки дополнительно уплотняются, проходя через пространство взаимодействия, образованное последовательностью промежуточных резонаторов и расположенных между ними пролетных труб.

При этом по длине внутренних проводников всех резонаторов наведенные высокочастотные токи максимальны в области короткого замыкания, то есть в месте закрепления на корпусе резонатора массивного электрода 11, и минимальны в месте контакта разомкнутого кольца 12 с радиальным стержнем 13, а также в области контакта этого стержня с втулкой 10. Это обуславливает устойчивость всех резонаторов к механическим и тепловым (электрическим) нагрузкам и повышает уровень достижимой мощности клистрона в непрерывном режиме до 10-15 кВт.

Решению этой задачи способствует также оптимальная форма внутреннего проводника, выполненного как часть трубы, в которой ее продольная часть 15 и расположенные на ее концах сплошное 14 и разомкнутое 12 кольца составляют единое целое. Отсутствие разрывов во внутреннем проводнике в местах протекания максимальных ВЧ-токов уменьшает электрические потери.

В процессе взаимодействия в резонаторах 3-5, помимо основного противофазного вида колебаний возбуждаются высшие гармоники, соответствующие синфазному (Е₀₁₀) и противофазному (обертон) видам. Однако их эффективное взаимодействие со второй и третьей гармониками конвекционного тока электронного пучка исключено. Это объясняется тем, что колебательные системы, выполненные на основе ступенчато-неоднородной линии, какими являются резонаторы в предложенной конструкции прибора, обладают фильтрующими свойствами для нечетных гармоник усиливаемого сигнала, то есть имеют закон распределения собственных резонансных частот, отличающийся от закона нормальных чисел, поэтому уровень третьей гармоники на выходе прибора будет на 2-3 порядка меньше, чем на выходе прибора, выбранного за прототип.

Уменьшенный диаметр резонатора, минимально возможное значение которого выбрано из условия D<0,22_мин, позволяет сместить вверх частоту синфазного вида колебаний до значения 3.5 f₀ и тем самым, обеспечивается выведение этого паразитного вида колебаний из зоны возможного взаимодействия с электронным пучком.

Настройки на заданную рабочую частоту полосы пропускания в пределах одного литера осуществляются механическим путем с помощью емкостных элементов перестройки частоты 16.

Если угол пролета полной длины двойного зазора в промежуточных резонаторах выбран из известного условия, что активная шунтирующая проводимость, вносимая модулированным электронным пучком, положительна, то на вывод энергии 17 через кондуктивный элемент связи 18 усиливаемый сигнал проходит без искажений, так как условия самовозбуждения этих резонаторов не выполняются. Неизрасходованная часть энергии электронного пучка рассеивается в виде тепла на коллекторе 19, имеющем принудительное воздушное охлаждение.

Формирование амплитудно-частотной характеристики клистрона при уровнях выходного сигнала (от "белого" до "черного") осуществляется резонаторами группирователя (входной и промежуточные резонаторы) и выходного резонаторов, оптимизированных по комплексу основных параметров (в том числе по параметру М²).

Регулировка связи между резонансными контурами фильтра осуществляется смещением внутренних проводников 12 и 20 в азимутальном и продольном направлениях с целью обеспечения максимальной полосы пропускания при минимальной неравномерности частотной характеристики.

Вследствие оптимально выбранных эффективного характеристического сопротивления выходного резонатора и микропервеанса электронного пучка (определенных согласно основной формуле настоящего изобретения) телевизионный многолитерный клистрон с двухзазорными резонаторами обеспечивает в УВЧ-диапазоне при заданных полосе пропускания и уровне выходной мощности максимальный коэффициент усиления на единицу длины прибора.

Прибор обеспечивает в единой унифицированной конструкции получение на всех литерах (от 470...790 МГц) выходной мощности не менее 9 кВт с коэффициентом усиления не менее 40 дБ при полной длине резонаторного блока, не превышающей 0.5 м, и диаметре резонаторов, не превышающим 0.12 м. Кроме того, прибор обеспечивает высокое качество усиливаемого сигнала и устойчивость резонаторов к механическим и тепловым нагрузкам.

Таким образом, задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, решены.

Конструкция прибора относительно проста, технологична, обеспечивает достижение высокой повторяемости геометрических размеров резонаторов и их настройку на заданный литер. Это позволяет снизить трудоемкость и стоимость работ на изготовление прибора в целом, что важно в условиях серийного производства.