Исследование и оптимизация параметров многолучевых СВЧ ЭВП средней и большой мощности с модуляцией эмиссии на основе термо- и автоэмиссионных катодов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Бороденкова Ирина Вячеславовна

• Бороденкова Ирина Вячеславовна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Бороденкова Ирина Вячеславовна

Введение

Глава 1. Обзор литературы по гибридным приборам с модуляцией эмиссии, выполненных на основе термо- и автоэмиссионных катодов

1.1 Клистрод - гибрид тетрода и клистрона как современное воплощение лампы Гаева с индуктивным выходом (IOT)

1.2 Сравнение характеристик клистрода с другими приборами СВЧ

1.2.1 Отличие клистрода (IOT) от тетрода

1.2.2 Сравнение параметров многорезонаторного клистрона и клистрода

1.3 Основные пути улучшения параметров и характеристик клистродов

1.3.1 Тристрон - гибридный прибор с двумя

клистронными резонаторами

1.3.2 Использование поля высших гармоник конвекционного тока

для повышения КПД клистрода

1.4 Клистроды - умножители частоты

1.5 Многолучевые клистроды

1.6 Миниатюрные СВЧ приборы с электродинамической системой, выполненной на печатной плате

1.7. Гибридные приборы с автоэмиссионным катодом - фемитроны

1.8. Выводы

Глава 2. Разработка численно-аналитической математической модели взаимодействия электронов с полями двухзазорных пространственно развитых резонаторов многолучевого клистрода

2.1 Методика расчета триодной части клистрода

2.2 Методика расчета и приближенные аналитические модели электронных параметров двухзазорных резонаторов с противофазным возбуждением для режима большого сигнала

2.3 Методика оптимизации параметров клистрода

2.4 Расчет параметров многолучевого клистрода с трубчатыми лучами

2.5 Выводы

Глава 3. Моделирование характеристик многолучевых клистродов, работающих в дециметровом диапазоне длин волн

3.1 Моделирование миниатюрных многолучевых клистродов

3.2 Выводы

Глава 4. Исследование работы многолучевых клистродов в режиме умножения частоты

4.1 Клистрод, работающий в режиме удвоения частоты

4.1.1. Определение параметров режима работы прибора

4.1.2 Расчет электронных параметров выходного резонатора при его возбуждении на двух кратных частотах, соответствующих противофазному и синфазному видам колебаний

4.1.3 Синтез двухзазорного выходного резонатора

на две кратные частоты

4.1.4 Расчет триодной части клистрода-удвоителя частоты

4.1.5 Расчет эффективности группировки электронов в многолучевом клистроде, имеющем выходной резонатор с двумя кратными частотами

4.2 Моделирование характеристик мощного многолучевого клистрода -утроителя частоты

4.2.1 Расчет параметров катодно-сеточного узла

4.2.2 Расчет параметров выходного двухзазорного резонатора

4.3. Исследование возможности создания мощного двухрежимного СВЧ - многолучевого генератора на две промышленные

рабочие частоты

4.4. Моделирование клистрода-умножителя с матричным автоэмиссионным катодом, работающего в миллиметровом диапазоне длин волн

4.4.1 Расчет электродинамических параметров

4.5. Выводы

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и оптимизация параметров многолучевых СВЧ ЭВП средней и большой мощности с модуляцией эмиссии на основе термо- и автоэмиссионных катодов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В современных условиях к электровакуумным приборам СВЧ предъявляется комплекс противоречивых требований, обусловленный условиями их работы в радиотехнической аппаратуре. Так, в телевизионных передатчиках необходимо обеспечить высококачественное усиление модулированных колебаний изображения и звука, что требует линейности входной характеристики. Уменьшение габаритов и массы является решающим требованием для самолётной и космической радиоаппаратуры, так как позволяет снизить металлоемкость приборов, а, следовательно, и их стоимость. Наряду с этим все время расширяются старые области применения вакуумных приборов СВЧ и открываются новые перспективы. Возрастает значение таких новых применений, как радиолокационные системы с многоэлементными фазированными решетками и невоенное использование энергии электромагнитных волн, например, в ускорительной технике и энергетике. Это заставляет разработчиков обращать особое внимание не только на выходные параметры прибора (КПД, выходная мощность, полоса усиления), но и на экономические показатели конструкции и, в том числе, на начальную стоимость прибора, его долговечность и ремонтопригодность.

Таким образом, в современных условиях задача создания конкретного типа электровакуумного СВЧ прибора по заданным требованиям неоднозначна, так как существует множество решений, отличающихся ослаблением требований к одним параметрам и ужесточением к другим.

Одними из электровакуумных приборов, в большей степени удовлетворяющих этим требованиям, являются клистроды. Клистрод - это гибридный электровакуумный СВЧ прибор, имеющий один или несколько резонаторов, без отражения электронного потока, в котором модуляция электронов по плотности производится в основном в зоне модуляции эмиссии (модуляторной зоне), а отбор энергии от электронных сгустков осуществляется в области клистронного резонатора.

Интерес к исследованию и разработке гибридных приборов обусловлен перспективностью разработки на этой основе новых мощных СВЧ- устройств (усилителей, генераторов и умножителей частоты) с улучшенными энергетическими, массогабаритными и эксплуатационными параметрами. За рубежом такие приборы в последние годы находят все большее применение в цифровом телерадиовещании, в ускорительной технике, СВЧ - энергетике и в других областях. Однолучевые клистроды в настоящее время производятся фирмами CPI (Канада), E2V (Англия), Thaïes (Франция), Philips (Нидерланды). Основным недостатком мощных однолучевых клистродов является высокое ускоряющее напряжение. В связи с этим целесообразен переход к многолучевым конструкциям.

Степень разработанности темы диссертации. Исследованием и разработкой клистродов в России занимались многие отечественные ученые: Сушков А.Д., Федяев В.К., Королев А.Н., Лопин М.И., Царев В.А., Яковенко В.К., Галдецкий А.В. и другие. В настоящее время актуальными задачами, на которые направлены усилия разработчиков клистродов, являются: дальнейшее повышение рабочей частоты этих приборов до 2-3 ГГц, увеличение КПД и коэффициента усиления, поиск новых режимов взаимодействия (многомодовый режим усиления, автогенераторный режим, режим умножения частоты). Актуальными представляются также исследования, направленные на создание миниатюрных клистронов, работающих с термокатодами в длинноволновой части СВЧ диапазона, а также клистродов коротковолновой части СВЧ диапазона с матричными автоэмиссионными катодами. В силу нелинейного характера физических процессов, как в модуляторной зоне, так и в трубе дрейфа, взаимодействие электронов с полями резонаторов в гибридных приборах клистронного типа значительно сложнее, чем в обычных клистронах.

Однако исследования физических процессов, определяющих новые принципы и режимы работы гибридных приборов путем математического моделирования, находятся на начальном этапе. Трехмерный характер

резонаторных систем, особенно (многозазорных) при их оптимизации усложняет численное исследование, так как требуется перебор большого числа вариантов. Отсутствие адекватных аналитических моделей, методик синтеза и оптимизации таких систем по комплексу выходных параметров приводит к тому, что процесс проектирования клистродов во многом остается чисто экспериментальным и поэтому требует больших затрат времени и материальных затрат.

Целью диссертационной работы является исследование возможности улучшения комплекса выходных параметров гибридных многолучевых электровакуумных СВЧ-приборов с термо- и автоэмиссионными катодами и комбинированной модуляцией электронов по плотности и по скорости, работающих, как в режимах одномодового и двухмодового усиления, так и в режимах умножения частоты.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

- анализ известных конструкций однолучевых и многолучевых клистродов, режимов их основных узлов работы, а также существующих методов расчета процессов взаимодействия однолучевых и многолучевых электронов с ВЧ полями однозазорных и многозазорных резонаторов;

- создание численно-аналитической математической модели взаимодействия электронов с полями резонаторов и методики оптимизации для оперативного расчета выходных параметров многолучевых клистродов в линейном и нелинейных режимах;

- исследование и оптимизация с помощью разработанной методики и комплекса одномерных, двумерных и трехмерных программ физических процессов в триодной и клистронной частях многолучевого мини-клистрода ДМВ-диапазона и в его резонаторной системы, выполненной на печатной плате;

- исследование двухмодового двухзазорного резонатора и определение выходных параметров мощного многолучевого клистрода-умножителя частоты (1225/2450 МГц);

- исследование характеристик гибридного двухрежимного многолучевого прибора «клистрод - монотрон», предназначенного для использования в качестве источника СВЧ-энергии на частотах 2450 и 5800 МГц;

- оценка выходных параметров мини-клистрода с автоэмиссионными катодами и многозазорными резонаторами на печатной плате;

- разработка рекомендаций, необходимых для создания опытных образцов многолучевых клистродов.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем.

1. Проведенный критический анализ разработок электродинамических систем созданных ранее миниатюрных ЛБВ на печатной плате и опыт, накопленный при разработке миниатюрных многолучевых низковольтных клистронов коротковолновой части СВЧ диапазона, и также их сопоставление в свете постановки в диссертации новых задач уменьшения габаритов и массы гибридных СВЧ-приборов с модуляцией эмиссии, приводит к новым компромиссным решениям, определяющим выбор конструкции, по крайней мере, выходного резонатора маломощных клистродов в виде многозазорного пространственно-развитого резонатора, выполненного на печатной плате.

2. Разработанные оригинальные численно-аналитические математические модели процессов и явлений, происходящих в гибридных СВЧ приборах с модуляцией эмиссии, а также предложенные методики расчета электронных и электродинамических параметров многозазорных резонаторов позволяют, в отличие от известных программ, основанных на полностью полевых моделях и численных методах их решения, оперативно и достоверно анализировать процессы взаимодействия электронов с полями

СВЧ бессеточных зазоров с учетом трехмерного распределения электромагнитных полей и нелинейного характера явлений модуляции и отбора энергии.

3. Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность достижения требуемых значений электронных и электродинамических параметров, а также возможность настройки выходного двухзазорного резонатора на частоты противофазного и синфазного- £ видов колебаний с кратностью частот Г2/Гх=3, что необходимо для получения высокого электронного КПД в многолучевом мини-клистроде дециметрового диапазона длин волн.

4. Установлено, что в выходном пространственно развитом двухзазорном резонаторе, вакуумная емкостная часть которого выполнена на основе симметричной высокодобротной полосковой линии, расположенной на двух сторонах подвешенной диэлектрической подложки, можно изменять (в пределах 15-20 %) рабочую частоту основного противофазного вида колебаний, практически не возмущая высший синфазный вид колебаний. Это можно осуществить с помощью изменения длины, расположенного вне вакуума, отрезка коаксиальной линии, определяющего индуктивную часть этого резонатора. При неизменных размерах емкостного зазора требуемая частота высшего синфазного вида колебаний в основном определяется оптимальным выбором размеров внешнего прямоугольного экрана полосковой линии.

5. На основе проведенного трехмерного моделирования электродинамических характеристик показано, что в выбранной конструкции промежуточного клистронного двузазорного резонатора нового мощного многолучевого двухрежимного СВЧ прибора (гибрида клистрода и монотрона), рассчитанного на работу в устройствах диэлектрического на одновременно на двух рабочих частотах 2450 и 5800 МГц, можно добиться требуемых для получения высокого КПД (как монотрона, так и клистрода)

функций распределения продольной составляющей электрического поля в зазорах резонатора.

Теоретическая и практическая значимость состоит в следующем:

1. Разработанные практические рекомендации по выбору оптимальных параметров триодной и клистронной областей взаимодействия в гибридных многолучевых приборах с модуляцией эмиссии и скоростной модуляцией, а также рекомендации по выбору конструкций пространственно-развитых резонаторов, обеспечивающие достижение требуемых значений КПД и полосы усиливаемых частот, могут быть использованы в конструкторских и технологических отделах и бюро в практике проектирования многолучевых клистродов при выполнении перспективных НИР и ОКР на предприятиях электронной отрасли, например в АО «НПП Контакт», АО «НПП «Исток».

2. Полученные рекомендации по выбору параметров электронного взаимодействия, обеспечивающих режим самовозбуждения монотрона в двухмодовом гибридном многолучевом приборе с модуляцией эмиссии и скоростной модуляцией, могут быть использованы в АО «НПП «Алмаз» для прогнозирования условий возбуждения паразитных колебаний в многолучевых низковольтных клистронах коротковолновой части СВЧ диапазона.

3. Применение вместо двух одномодовых магнетронов нового многолучевого высокоэффективного двухрежимного автогенераторного прибора СВЧ (гибрида клистрода и монотрона) в промышленных установках для одновременного нагрева или сушки тонких материалов на частотах 2450 и 5800 МГц позволит не только повысить равномерность нагрева и сушки обрабатывемых материалов, но и даст возможность значительно уменьшить габариты и массу всего нагревательного устройства и источника его электропитания, а также облегчит условия его эксплуатации.

4. Полученные новые знания по физическим явлениям в гибридных СВЧ приборах могут быть использованы учебном процессе в технических

Вузах страны при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций и проведении практических занятий в рамках дисциплины «Физические основы электроники», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Полученные теоретические расчеты и сопоставление их с имеющимися у АО «НПП «Контакт» экспериментальными данными показывает, что такой прибор без значительной переделки его электронно-оптической системы может быть использован в качестве мощного автогенератора, работающего при напряжении 40 кВ на частоте 2450 МГц в режиме умножения частоты с выходной мощностью 80 кВт, которая недостижима в настоящее время для промышленных магнетронов.

Предложенная методика расчетов позволяет достоверно оценить уровень выходной мощности и КПД прибора с достаточной для практики точностью и будет использована при проектировании подобных приборов в АО «НПП «Контакт».

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты гармонического анализа триодной части мощного четырехлучевого тристрона, полученные с помощью разработанной методики моделирования, основанной на кусочно- линейной аппроксимации катодно-сеточных характеристик при малых углах отсечки катодного тока (40-600), а также результаты расчета комплекса электронных и электродинамических параметров выходного двухзазорного величину пространственно развитого резонатора, приближенно учитывающие пространственный заряда и нелинейные эффекты взаимодействия в клистронной части, позволяют дать достоверную и оперативную оценку

выходных параметров такого прибора при его работе в режиме утроения частоты 2.45/0,816 ГГц.

2. Для получения в миниатюрном многолучевом усилительном клистроде дециметрового диапазона заданного комплекса выходных параметров (выходной мощности около 300 Вт при КПД не менее 60% и полосе усиливаемых частот около 8 МГц), его выходной резонатор должен быть выполнен на основе двухзвенной фильтровой системы с активным двухзазорным пространственно развитым резонатором, выполненным на печатной плате и возбуждаемым одновременно на основном противофазном и высшем синфазном видах колебаний с кратностью частот, равной трем, при

3/2

микропервеансе парциального луча не более 0.34 мкА/В , общем числе лучей не менее 4 и величине ускоряющего напряжения, выбранной в пределах 2.5-2.6 кВ.

3. Результаты численных исследований, полученных с помощью с помощью проведенного трехмерного электродинамического анализа двухмодовых двухзазорных резонаторов и комплекса оперативных программ расчета и оптимизации параметров клистрона, позволяющие обосновать конструктивную схему нового многолучевого высокоэффективного двухрежимного устройства, являющегося гибридом клистрода и монотрона, предлагаемого для использования в автогенераторном режиме на частоте 2450 МГц при выходной мощности 13 кВт и на частоте 5800 МГц при выходной мощностью около 8 кВт.

Достоверность полученных результатов обеспечивается построением математических моделей, построенных на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, сравнением с расчетными и экспериментальными данными, известными по отечественным и зарубежным публиациям по клистроду, а также соответствием представленных автором экспериментальных данных, полученных с

помощью современной измерительной аппаратуры с результатами проведенных расчетов и экспериментов, проведенных в АО «НПП»Исток» и АО «НПП»Контакт».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 6 конференциях:

1. Третьей международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2006);

2. Международной научно-технической конференции «ММТТ-28» (Саратов, 2015);

3. Международной научно-технической конференции «Перспективы развития науки» (Уфа, 2015);

4. Международной научно-технической конференции «Современные научные исследования и перспективы» (Уфа, 2015);

5. XXII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Феодосия, 2015);

6. Научно-техническом семинаре АО «НПП «Алмаз» «Электронные приборы СВЧ и их применение в современных системах радиоэлектроники» (Саратов, 2015).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложений. Ее объем составляет 109 страницы машинописного текста, включая 68 рисунков, 9 таблиц, 79 наименований цитируемых источников, из которых 10 - публикации автора диссертации.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ГИБРИДНЫМ ПРИБОРАМ С МОДУЛЯЦИЕЙ ЭМИССИИ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОСНОВЕ ТЕРМО- И АВТОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ

Первая глава представляет собой обзор литературы по гибридным приборам клистронного типа, особенностям их конструкций и методам расчета основных параметров и характеристик.

1.1 Клистрод - гибрид тетрода и клистрона как современное воплощение лампы Гаева с индуктивным выходом (IOT)

Впервые электровакуумный прибор с подобным принципом работы был предложен А.В. Гаевым в 1938 году и назван Inductive Output Tube (IOT) - прибор с индуктивным выходом [1, 2]. В российской литературе иногда применяют сокращение (ИВЛ). Схема лампы Гаева представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Конструкция ламп Гаева В 10Т были удачно объединены процессы управления плотностью электронного пучка в пространстве «катод-сетка» и в пролетном промежутке «труба дрейфа - выходной резонатор» или, иными словами, достоинства

тетрода и клистрона. Кроме того, для повышения КПД был использован принцип рекуперации энергии электронов на коллекторе. Важно отметить, что Гаев предложил не только однолучевую, но и многолучевую конструкцию клистрода. Приведем результаты, полученные А.В. Гаевым в экспериментах: рабочая частота - 450 МГц, ускоряющее напряжение - 6000 В; напряжение на коллекторе - 2000 В; ток коллектора - 150 мА; ток на ускоряющие электроды - 0.1 мА; выходная мощность 110 Вт. Для повышения эффективности процессов модуляции электронов по плотности и отбора энергии А.В Гаев, Л.С. Негаарт и Р. Зотти предложили использовать в радиальной конструкции ЮT двухзазорные резонаторы [3]. Схема этого прибора приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Радиальный клистрод Гаева с двухзазорными резонаторами В другом патенте [4] Н. Брунингом было предложена схема генераторного варианта Ю^ Схема этого прибора показана на рисунке 1.3. Однако в то время исследователям не удалось добиться высокой выходной мощности по причине перегрева сетки и ограничений, связанных с недостаточной эмиссионной способностью существовавших тогда катодов.

Рисунок 1.3 - Схема IOT-автогенератора

Дальнейшие работы по улучшению характеристик IOT были прекращены примерно на 30-40 лет, так как все внимание исследователей было уделено разработке клистронов, которые имели то время значительные преимущества по предельной рабочей частоте и выходной мощности.

В 1980 году Меральд Шредер и Дон Прест - инженеры американской фирмы Б1шас-Уапап [5] предложили для использования в качестве мощного телевизионного усилителя дециметрового диапазона усовершенствованную конструкцию IOT со съемными входным и выходным резонаторами (рисунок 1.4), применив металлопористые катоды и сетки из пиролитического графита. Пиролитический графит оказался идеальным материалом для нового гибридного СВЧ прибора, который с этого времени получили название клистрод, то есть гибрид клистрона и тетрода [6].

Рисунок 1.4 - Конструкция клистрода Входной резонатор в клистроде имеет блокировочные емкости, изолирующие по постоянному току катод и управляющую сетку от корпуса клистрода (рисунок 1.5). К промежутку «сетка-катод» подведено постоянное напряжение от источника смещения так, что в отсутствии СВЧ сигнала лампа оказывается полностью запертой.

Рисунок 1.5 - Схема включения клистрода

При подаче от возбудителя ВЧ сигнала образуются электронные сгустки, которые следуют друг за другом с частотой приложенного напряжения и разгоняются до высокой скорости в направлении ускоряющего

анода. Электронные сгустки проходят затем по очень короткой трубе дрейфа, запредельной для рабочей частоты, и отдают свою кинетическую энергию в выходном резонаторе подобно тому, как в результате скоростной модуляции электроны отдают свою энергию в выходном резонаторе клистрона.

Израсходовавшие энергию электроны затем поступают в коллектор и оседают на его стенках аналогично тому, как это происходит в клистроне. Наличие управляющей сетки в триодной части клистрода позволяет реализовать режим низковольтной импульсной модуляции, что делает такой прибор наиболее перспективным источником СВЧ излучения для цифрового телевидения.

Первый промышленный образец клистрода, предназначенный для телевизионного вещания, английская фирма Етас выпустила в 1988 году. Скоро к выпуску клистродов присоединились и другие зарубежные фирмы -производители СВЧ приборов (E2v, Thaïes и L-3 Communications). Внешний вид современных конструкций клистродов показан на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Изобретатели клистрода с первым промышленным образцом и внешний вид современных конструкций клистродов фирм Етас и L-3

В настоящее время клистрод находит широкое применение за рубежом в передатчиках телевизионных станций, в ускорительной технике, а также в СВЧ-

энергетике. В таблице 1.1 представлены параметры клистродов фирмы CPI, разработанных для научных применений [7].

Таблица 1.1 - Клистроды фирмы CPI

Серийный номер Частота, ГГц Выходная мощность, кВт Напряжение катода, кВ Кус, дБ КПД (%)

CHK2800W 0.460-0.805 80 37.5 23 64

VKL-9130 1.3 30 34.0 21 64

У^-9050 0.5 90 37.0 22 70

У^-9070 0.650 - 0.805 80 37.5 20 64

1.2 Сравнение характеристик клистрода с другими приборами СВЧ

Из таблицы 1.1 и рисунка 1.7 видно, что предельная рабочая частота клистродов обычно не превышает 1.3 ГГц. Выходная мощность импульсных клистродов и диакродов на частотах 400-500 МГц может достигать 10 МВт. Диакрод - по сути, тот же коаксиальный тетрод, только несколько улучшенной конструкции. За счет применения в этом приборе полуволнового коаксиального резонатора в качестве выходной колебательной системы удалось существенно уменьшить нагрузку экранной сетки реактивной мощностью и увеличить выходную мощность. Транзисторные усилительные модули, состоящие из 32 СВЧ транзисторов, имеют на частоте 1 ГГц мощность, которая на порядок меньше, чем у клистродов. Клистрон, как следует из рисунка 1.7, имеет неоспоримое преимущество перед другими СВЧ приборами по уровню выходной мощности на частотах выше 1 ГГц.

m

о

о

X

о к

(О X

et

о

_о ш

ГС ГС X

ч

(D

CL

о

юооо 1000

100 10 1.0 0.1

Клистрон /

Диакр эд

Клистрод /

СВЧ-транз 1СТОР /

Лш im / -.„^ Тран зисторный модул ь(32)

10

100 1000 10000 Рабочая частота F,MHz

Рисунок 1.7 - Зависимость выходной мощности СВЧ приборов от частоты

Критерием выбора того или иного СВЧ прибора в качестве усилителя являются не только возможность получения заданной мощности и полосы усиления, но и стоимость, массогабаритные параметры, срок службы и потребляемая мощность.

1.2.1 Отличие клистрода (IOT) от тетрода

По совокупности четырех последних критериев клистроды не уступают тетродам. Входное устройство IOT аналогично входному устройству тетродного усилителя, реализующему квазиэлектростатический способ управления катодным током (рисунок 1.8). Кроме того, конструкция клистрода обеспечивает хорошую развязку входной и выходной цепей усилителя за счет того, что входной и выходной резонаторы разделены запредельной для рабочей частоты трубкой дрейфа.

Рисунок 1.8 - Схема тетродного СВЧ -усилителя

Вместе с тем клистродный усилитель отличается от тетродного тем, что: во-первых, все электроды после управляющей сетки имеют одинаковый постоянный потенциал, и поэтому в выходном резонаторе исключается блокировочный конденсатор; во-вторых, продольное магнитное поле обеспечивает прохождение на коллектор до 98% конвекционного тока, ранее прошедшего сквозь сетку; в-третьих, коллектор отделен от выходного резонатора и поэтому, в отличие от анода тетрода, он не ограничивает выходную мощность усилителя и допускает рекуперацию энергии электронов. К этому следует добавить более высокий коэффициент усиления клистрода Кус=20...23 дБ, в отличие от тетродов, имеющих Кус=10 дБ. Поэтому один клистродный усилитель способен заменить 2 каскада на тетродах. Из рисунка 1.9 видно, что затраты на эксплуатацию у клистрода примерно в 1,3 раза меньше, чем у тетрода. Ожидаемый срок службы катода, определяющий долговечность прибора, также больше, чем у тетрода (рисунок 1.10).

Рисунок 1.9 - Затраты в условных единицах на эксплуатацию в течение 20 лет ТВ передатчиков мощностью 50 кВ, собранных на различных усилительных приборах

Рисунок 1.10 - Среднее время наработки на отказ для разных типов СВЧ приборов

1.2.2 Сравнение параметров многорезонаторного клистрона и клистрода

Клистрод по сравнению с клистроном имеет более простую конструкцию, что достигается за счет уменьшения общего числа резонаторов и настроечных элементов. Кроме того, в этом приборе проще поддерживать заданную АЧХ в процессе эксплуатации, так как упрощается процедура настройки резонаторной системы, состоящей только из двух резонаторов.

Рисунок 1.11 - Сравнение габаритных размеров и КПД клистрона и клистрода при одинаковой выходной мощности

Из рисунка 1.11 видно, что при одинаковой выходной мощности клистрод имеет в режиме передачи сигнала изображения в 1.2-1.3 больший электронный КПД, и, в принципе, возможен режим работы с т]е =90%.

Помимо низкого энергопотребления, клистрод обладает высокой линейностью входной характеристики, что делает его идеальным для цифровых телевизионных передатчиков [8]. Сравнение характеристик клистрода и клистрона при работе в режиме усиления телевизионного сигнала показано на рисунке 1.12.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бороденкова Ирина Вячеславовна, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. An Ultra-High-Frequency Power Amplifier of Novel Design / by A.V. Haeff, Electronics, Feb. 1939, pp. 30-32.

2. A Wide-Band Inductive-Output Amplifier / Haeff, A.V., Nergaard, L.S.// Proceedings of the IRE , 1940, Volume: 28, Issue 3, pp. 126-130.

3. Пат. US 2228939 A. High frequency power tube / Haeff Andrew V, Nergaard Leon S, Zottu Paul. Дата приоритета 30 сентября 1938 г.

4. Пат. US 2617091. Phase modulated inductive output tube oscillator system / N.G. Bruyning. Дата приоритета 3 мая 1947 г.

5. Preist D., Shrader M. The Klystrode, an Unusual Transmitting Tube with Potential for UHF-TV // IEEE Proc. Vol. 70. No. 11. Nov. 1982. Pp.1318-1325

6. Пат. 4611149 США. Beam tube with density plus velocity modulation / R.B. Nelson. 1986.

7. http://www.cpii.com/product.cfm/1/28/127

8. Clayworth G.T. An expansion of the output power range of analogue television IOT system and their application to digital ATV // NAB Broadcasting Engineering Conference. Las Vegas, 1995.

9. Федяев В.К., Козлов В.Н., Баранов С.А. Сравнительный анализ тетрода, ИВЛ, тристрона и клистрона // «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы Междунар. конф. «КрыМиКо'2000». Секция 2. Электровакуумные и микровакуумные приборы СВЧ / Севастоп. гос. техн. ун-т, ЦНИРТИ, Предпрятие «Вебер», Тавр. нац. ун-т им. проф. В. И. Вернадского и др. Севастополь: Вебер, 2000. С. 196-197.

10. Сушков А.Д., Федяев В.К. Экспериментальное исследование гармоник тока в триод-клистроне (тристроне) // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1969. Т. 12. № 1. С. 69-72.

11. Пат. US6465958 B1. Electron beam tubes / David Mark Wilcox, Darrin Bowler. Дата приоритета 27 ноября 1997 г. Дата публикации 15 окт. 2002.

12. Галдецкий А.В., Королев А.Н. О возможности повышения усиления и линейности телевизионных клистродов // СВЧ-техника и

телекоммуникационные технологии: материалы 15-й Междунар. Крым. конф. «КрыМиКо'2005». Севастополь, 14-17 сент. 2005 г. Севастополь: Вебер, 2005. С. 195-196.

13. Hyoung Suk Kim, Saeyoung Ahn. Simulations for Second Harmonic Generation in the X-band Klystrode / Institute for Advanced Engineering. Yongin, Kyonggi-Do, KOREA.

14. Семенов А. С., Царев В. А. Перспективы применения клистродов в качестве мощных усилителей модулированных колебаний в телевизионных передатчиках УВЧ-диапазона // Доклады Российской академии естественных наук. Саратов: СГТУ, 1999. № 1. С. 153-157.

15. Многолучевые клистроды для телевидения и радиолокации / А.Н. Королев, С.А. Зайцев, М.И. Лопин и др. // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 2003. Вып. 1(481). С. 5-7.

16. Пат. СССР . №1035677 . H01 21/18. Электронная лампа / Сушков А.Д., Meoc B.A., Фёдоров B.A. Приоритет от 06.06.1981. Бюллетень изобретений № 30. 1982.

17. www.findpatent.ru/patent/251/2518512.html

18. Вайман А.В., Царев В.А. Моделирование и исследование резонансных систем приборов СВЧ клистронного типа с пространственно развитой областью взаимодействия // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2000. № 1. С. 14-18.

19. Пат. RU № 2084042, С1. H 01 J 25/02, 25/04 Клистрод / Царев В.А., Мирошниченко А.Ю. 29.06.1994.

20. Федяев В.К., Козлов В.Н. Тристрон - утроитель частоты // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 15-й Междунар. Крымской конф. Севастополь, 2005. С. 203-205.

21. http://www.researchgate.net/publication/241600828_Progress_in_CPI_ Microwave_Tube_Development

22. Елизаров А. А., Закирова Э. А., Филимонова А. С. Инновационные технические решения в разработке микрополосковых антенн и СВЧ

устройств на многослойных печатных платах // INNOVATIVE INFORMATION TECHNOLOGIES: International Scientific - Practical Conference - тр. Междунар. науч.-практ. конф. Prague, 2013, April 22-26 / отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсова; науч. ред.: С. У. Увайсов. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. Т. 2. С. 218-225.

23. Электронные приборы СВЧ: учеб. пособие для вузов по спец. «Электронные приборы» / Березин В.М. [и др.]. М.: Высш.шк., 1985. 296 с.

24. Сазонов В.П. Приоритеты России в вакуумной СВЧ электронике в ХХ столетии. М.: ИД «Медпрактика-М», 2012. 356 c.

25. Spindt G.A. A thin-film field-emission cathode // J. of appl. Phys. 1968. Vol. 39. N 6. P. 3504-3505.

26. Исследование природы и прикладных свойств холодной эмиссии на СВЧ / Ф.М. Шарбонье, Дж.Р. Барбур, Л.Ф. Гаррет, В.П. Дайк // ТИИЭР. 1963. Т. 51. № 7. С. 989-1004.

27. Григорьев Ю.А. Матричные углеродные автоэмиссионные катоды -экспериментальные результаты и перспективы применения в приборах СВЧ // Лекции по СВЧ электронике и радиофизике: 10-я зимняя школа-семинар. Кн. 1. Ч. 2. Саратов, 1996. С. 143.

28. Cairns A.D.R. Phelps. Generation and Application of High Power Microwaves // CRC Press, 1997. P. 333.

29. Пчелинцев Г.А., Царев В. А., Мирошниченко А. Ю. Аналитический метод расчета предельных энергетических параметров многолучевых клистродов // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2006): материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов, 20-21 сент. 2006 г. / СГТУ. Саратов, 2006. С. 170-176.

30. https://www.cst.com/products/cstps

31. Кураев А.А., Байбурин В.Б. Ильин Е.М. Математические модели и методы оптимального проектирования СВЧ приборов. Минск: Навука i техшка, 1990. 391 c.

32. Кармазин В.Ю., Царев В.А. Математическое моделирование режимов работы катодно-сеточных узлов в многолучевом клистроде // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2002): материалы 5 Междунар. науч.-техн. конф., Саратов, 18-19 сент. 2002 г. Саратов, 2002. С. 123-127.

33. Якимов О.П. Моделирование режимов и оценка качества электронных приборов. М.: Радио и связь, 1989. 176 с.

34. Агафонов Б.С. Расчет экспериментальных режимов УКВ и ДЦВ генераторных ламп. М.: Энергия, 1966. 224 с.

35. Многолучевые клистроды для нового поколения телевизионных передатчиков / А.В. Вайман, М.В. Майорова, А. Ю. Мирошниченко, В.А. Царев // Электронная промышленность. Наука. Технологии. Изделия. 1999. № 4. С. 8-9.

36. Сандалов А.Н. Нелинейные явления при усилении электромагнитных волн интенсивными электронными потоками в многолучевых микроволновых усилителях: дис. д-ра физ.-мат. наук. М.: МГУ, 2006.

37. Branch G. М. Electron Beam coupling in interaction gaps of cylindrical symmetry // Trans. IEEE. 1961. V. ED-8. № 3. P. 193-207.

38. Петров Г.С. Обобщенные выражения для коэффициента взаимодействия и электронной проводимости в двойном высокочастотном зазоре // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1969. Вып. 5. С. 137-140.

39. Кацман Ю.А., Мовнин C.M. К расчету коэффициента взаимодействия и электронной проводимости для резонаторов с двумя зазорами взаимодействия // Радиотехника и электроника. 1966. T. 11. № 12. С. 2252-2254.

40. Фиалкова Д.Г., Хайков А.З. Характеристики клистронов с двухзазорными резонаторами в выходной цепи // Радиотехника. 1980. Т. 35. № 3. С. 15-18.

41. Родякин В.Е., Сандалов А.Н. Комплекс программ анализа динамики электронных потоков в клистроне // Вопросы электронной техники: межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат. политехн. ин-т, 1988. С. 26-33.

42. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): учеб. для вузов по специальности «Кибернетика электр. систем». 3-е изд., перераб. и доп. М. : Высш. шк., 1984. 439 с.

43. Мучкаев В.Ю., Царев В.А. «REZON». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611748 от 24.02.2011 г.

44. Григорьев А. Д. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: Численные методы расчета и проектирования. М.: Радио и связь, 1984. 248 с.

45. Беляев Е.Н., Самородова Г.А. Электронная проводимость многозазорных бессеточных резонаторов при больших амплитудах СВЧ-напряжения // Электронная техника. 1966. Сер. 1. Электроника СВЧ. С. 8588.

46. Царев В.А., Марков А.В. Программа оперативного проектирования клистрона с двухзазорными резонаторами по комплексу выходных параметров «BIZON» // Программные средства в учебном процессе и научных исследованиях: сб. програм. средств / Сарат. техн. ун-т. Саратов, 1995. С. 48.

47. Хайков А.З. Клистронные усилители. М.: Связь, 1974. 392 с.

48. Пат. на полезную модель RU 110893 МПК H05K7/20. Многолучевой клистрод / Г.А. Пчелинцев, В.А. Царев. 2006109342/22; Заявл 23.03.2006; Опубл. 10.08.2006.

49. Сазонов В.П. Приоритеты России в вакуумной СВЧ электронике в ХХ столетии. М.: ИД «Медпрактика-М», 2012.-356 c.

50. А. Н. Королев, С. А. Зайцев, М. И. Лопин и др. Многолучевые клистроды для телевидения и радарных применений. Электронная техника, сер. Электроника СВЧ, № 1, 2003. С.5-7.

51. Pat. 6465958 United States, Int.Cl7 H 01 J 25/10. Electron beam tubes / Wilcox D.M., Bowler D.; assignee Eev Limited. - № 09/555,012; decl. 27.11.1998; publ. 15.10.2002.

52. Бороденкова И.В., Царев В.А. Оптимизация параметров миниатюрного многолучевого клистрода с двухчастотным двухзазорным резонатором // Журнал радиоэлектроники. 2015. № 8. С.1-13.

53. Бороденкова И.В., Царев В.А. Результаты численного моделирования четырехлучевого мини-клистрода дециметрового диапазона длин волн // Радиотехника. 2015. № 10. С. 5-10.

54. www.cpii.com/docs/datasheets/127/VKP-9050%20datasheet.pdf

55. http://www.dena.de/fileadmin/user upload/Publikationen/Stromnutzung/ Dokumente/Energy modernisation of industrial heating.pdf

56. Корчагин, А. И. Результаты математического моделирования двухзазорных резонаторов для мощных многолучевых клистродов, работающих в режиме умножения частоты / А. И. Корчагин, А. Ю. Мирошниченко, В. А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 51. С. 61-66. ISSN 1999-8341

57. Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по СВЧ электронике для физиков. Т.1. М.: Физматлит, 2003.

58. Tsarev, V.A. Analytical Calculations of Efficiency and Comparison with Experimental Data for Inductive Output Tube / V.A. Tsarev, A.Yu. Miroshnichenko // Proceedings IEEE International Vacuum Electronics Conference. Rome, Italy, 2009. P. 375-377.

59. Патент RU № 2152102, МПК H01J25/00. Электровакуумный прибор СВЧ. Истрон. / Лопин М.И., Победоносцев А.С., Королев А.Н., Мишкин Т.А. // Опубл. В БИ 27.06.2000.

60. Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. М.: Высш. шк., 1983. 368 с.

61. Кацман Ю.А. Физические модели колебательных процессов в электронном потоке и возможности повышения КПД приборов типа О : / Межвуз. научн. сб. Л.: СЗПИ. 1978. С. 2-7.

62. Зусмановский С.А., Зимин С.Ф., Симонов К.Г. Взаимодействие электронного потока с полем двухзазорного резонатора, работающего на противофазном виде колебаний // «Электронная техника». Серия 1. «Электроника СВЧ». 1967. Вып. 6 С. 58-71.

63. Teryaev, V.E. DISKLY code for calculation and optimization of klystrons./ V.E. Teryaev // Proc. Int. Workshop on Pulsed RF Power Sources for Linear Colliders (RF-93). 1993. Р. 161 - 166.

64. Кармазин В.Ю., Царев В.А. К вопросу моделирования и расчета электронно-оптических систем // Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов: Тр. Четвертой Междунар. науч.-техн. конф. / УлГУ. Ульяновск, 2001. С. 4748.

65. Пчелинцев Г.А., Сальникова Д.А., Царев В.А. Перспектива применения клистродов для целей СВЧ энергетики// Радиотехника и связь: Материалы Международной научно-технической конференции, Саратов 1820 мая, 2005: Радиотехника и связь 2005. Саратов: Изд-во СГТУ. 2005. С . 382-385

66. Пат. 2084042 RU МКП H01 J 25/02//H01 J 25/04.

67. Агафонов Б.С. Расчет экспериментальных режимов УКВ и ДЦВ генераторных ламп. М.: Энергия, 1966. 224 с.

68. Царев, В.А. Исследование многолучевого микроволнового генератора пролетного типа К-диапазона с электродинамической системой из двух связанных через щель резонаторов / В.А. Царев, В.Ю. Мучкаев, П.Д. Шалаев// Письма в ЖТФ. 2014. Вып. 7. Т. 40. С. 11-34

69. Григорьев А.Д. Мощные источники когерентного излучения терагерцового диапазона // Матер. межд. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014». 25 - 26 сентября 2014г. СГТУ. Саратов: Издательский Центр «Наука». 2014. С. 11-18.

70. https://www.sofia.usra.edu/det_workshop/papers/session6/3-43manohara_rev020911 .pdf

71. https://www.sofia.usra.edu/det workshop/papers/session6/3-43manohara_rev020911 .pdf

72. Бороденкова И. В. Моделирование характеристик триодной части мощного многолучевого клистрода-умножителя частоты / И. В. Бороденкова, В. А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2015. № 2(79). С. 85-88.

73. Петрова И.В. Разработка аналитических моделей для расчета электродинамических параметров резонаторов многолучевых клистродов малого уровня мощности / И. В. Петрова, Г. А. Пчелинцев, В. А. Царев // Радиотехника и связь : материалы Третьей междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 312-319.

74. Бороденкова И. В. Мощные двухрежимные ЛБВ Х-диапазона, результаты разработки. / Комаров Д. А., Фетисова А. В., Морев С. П., Бороденкова И. В., Гудович А. В., Задерейко В. В., Мирошников Ю. А., Струков Ю. Н.// Научная сессия «МИФИ». Москва, 2008. С. 72.

75. Бороденкова И. В. Расчет анодно - сеточных характеристик многолучевого клистрода/ И. В. Бороденкова, В. А. Царев// Международная научно-техническая конференция «ММТТ-28»,Саратов: СГТУ, 2015. С. 3843.

76. Бороденкова И. В. Анализ выходных характеристик миниатюрного многолучевого клистрода/ И. В. Бороденкова, В. А. Царев//Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки». Уфа, 2015. С. 15-19.

77. Бороденкова И. В. Определение параметров многолучевого клистрода по анодно-сеточным характеристикам/ И. В. Бороденкова //Международная научно-практическая конференция «Современные научные исследования: проблемы и перспективы». Уфа, 2015. С. 34-37.

78. Бороденкова И. В. Исследование возможности создания мощного двухрежимного СВЧ - многолучевого генератора на две промышленные

рабочие частоты/ В.А. Царев, И.В. Бороденкова // Научно-технический семинар АО «НПП «Алмаз». Электронные приборы СВЧ и их применение в современных системах радиоэлектроники. Саратов, 2015. С. 10-12.

79. Бороденкова И. В. Миниатюрный многолучевой клистрод с выходным двухзазорным резонатором на печатной плате/ И. В. Бороденкова, В.А. Царев, Я.В. Перевозникова // Сборник статей XXII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника». Феодосия, 2015. С. 268-271.

Приложение 1

УТВЕРЖДАЮ

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертации Бороденковой И.В. «Исследование и оптимизация параметров многолучевых СВЧ ЭВП средней и большой мощности с модуляцией эмиссии на основе термо- и автоэмиссионных катодов» в учебном процессе

Настоящим подтверждаем, что при проведении учебного процесса по направлению «Электроника и наноэлектроника» в Саратовском государственном техническом университете им. Гагарина Ю.А. использовались результаты кандидатской диссертации Бороденковой И.В. при чтении лекций и проведению практических занятий по курсу «Физические основы электроники» бакалаврской программы (Б.3.1.8).

Зав. Кафедрой электронные приборы и устройства, д.т.н., профессор

А.А.Захаров

Приложение 2

УТВЕРЖДАЮ

Главный инженер АО «НГТП «Контакт»

А.П. Дворцов

« ?» 03_2015

Акт

об использовании результатов диссертационной работы Бороденковой Ирины Вячеславовны, выполненной в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический

университет им. Гагарина Ю.А.» на тему «Исследование и оптимизация параметров многолучевых СВЧ ЭВП средней и большой мощности с модуляцией эмиссии на основе термо- и автоэмиссионных катодов», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.02 - Вакуумная и плазменная

электроника

На нашем предприятии в 1999 был изготовлен и испытан мощный многолучевой клистрод, который в узкополосном режиме усиления обеспечивал на частоте 530 МГц непрерывную мощность с предельно высоким КПД примерно 90% и уровнем выходной непрерывной мощности около 10-12 кВт.

Полученные соискателем Бороденковой И.В. теоретические расчеты и сопоставление их с имеющимися у нас экспериментальными данными показывает, что такой прибор без значительной переделки его электронно-оптической системы может быть использован в качестве мощного автогенератора, работающего при напряжении 40 кВ на частоте 2450 МГц в режиме умножения частоты с выходной мощностью 80 кВт. которая недостижима в настоящее время для промышленных магнетронов.

Предложенная соискателем Бороденковой И.В. методика расчетов позволяет достоверно оценить уровень выходной мощности и КПД прибора с достаточной для практики точностью и будет нами использована при проектировании подобных приборов.

Заместитель главного инженера по научной работе, лауреат Государственной премии, к.т.н., профессор