Мощный высокоэффективный многолучевой тристрон для телевизионных передатчиков дециметрового диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат технических наук Казаков, Олег Витальевич
- Специальность ВАК РФ05.27.02
- Количество страниц 152
Оглавление диссертации кандидат технических наук Казаков, Олег Витальевич
Принятые условные обозначения
Введение
Глава I. Гибридные приборы клистродного типа и перспективы их применения в телевизионном вещании
1.1 Перспективы разработки и применения приборов клистродного типа для мощных телевизионных передатчиков ДМВ-диапазона
1.2 Преимущества многолучевых конструкций электровакуумных СВЧ приборов
1.3 Применение двухзазорных резонаторов в многолучевых конструкциях приборов
1.4 Применение дополнительного группирующего резонатора 25 Выводы по первой главе
Глава II Конструктивные и электрические параметры триодной части многолучевого тристрона
2.1 Устройство и принцип действия многолучевого усилительного тристрона
2.2 Особенности питания первого триодного резонатора приборов клистродного типа
2.3 Расчет плотности тока в прикатодной области электронных приборов с сеточным управлением при наличии переменных периодических внешних электрических полей
2.4 Технологические пути уменьшения термоэмиссии сеток СВЧ приборов с сеточным управлением 45 Выводы по второй главе
Глава III Разработка методов расчета параметров клистронной части многолучевого тристрона
3.1 Методика расчета многоконтурных резонансных систем
3.2 Расчет распределения продольной составляющей электрического поля в двойном бессеточном зазоре резонатора
3.3 Расчет коэффициента взаимодействия, активной и реактивной составляющих электронной проводимости двухзазорного резонатора
3.4 Расчет выходных параметров многолучевого тристрона
3.5 Чувствительность к отклонению параметров резонатора, 82 нагруженного электронным пучком
Выводы по третьей главе
Глава IV Исследование режимов работы и оптимизация параметров многолучевого тристрона
4.1 Требования к характеристикам излучаемого сигнала приборов, предназначенным для телевизионного вещания
4.2 Расчет электромагнитной фокусирующей системы
4.3 Численное моделирование процессов группирования электрон- 101 ного потока в многолучевом тристроне
4.4 Экспериментальное исследование многолучевого тристрона 111 Выводы по четвертой главе 120 Основные результаты и выводы 121 Список использованных источников 123 Приложения
Принятые условные обозначения
Рц.парц парциальный первеанс пучка; у=со/у0 - фазовая постоянная электронного потока; со - круговая частота; у0 - невозмущенная скорость электронов; АЧХ - амплитудно-частотная характеристика; (2 - добротность резонатора; р - характеристическое сопротивление резонатора; М - коэффициент эффективности взаимодействия; С1 - емкость бессеточного зазора между двумя пролетными трубами в одноканальном резонаторе однолучевого прибора при одинаковых радиусах пролетных каналов; "к - длина волны;
- волновое сопротивление линии передачи; к - число зазоров резонатора; а - радиус пролетного канала; Ь - радиус электронного пучка; 1о(уа)> 11(уЬ) - модифицированные функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка от соответствующих аргументов; ус1 - угол пролета зазоров резонатора; уЬ - статический угол пролета между центрами двойного бессеточного зазора; Сг - распределенная емкость линии; 9 - нормированная длина линии; С0 - торцевая емкость;
Сб - емкость между боковыми поверхностями пролетных труб; Г! - внешний радиус пролетных труб, выраженный в см; у0 - коэффициент, учитывающий уменьшение торцевой емкости бессеточного зазора по сравнению с сеточным;
Ь - расстояние между центрами зазоров; Рэл - выходная мощность, выделяемая электронным потоком в выходном резонаторе; г|е - электронный КПД; и0 - ускоряющее напряжение; 1]/10 - относительная амплитуда первой гармоники конвекционного тока;
- резонансное сопротивление нагруженного выходного резонатора, нормированное относительно сопротивления луча Яо=ио/1о;
С)п - нагруженная добротность резонатора; ё - ширина зазоров; а - радиус пролетного канала;
- длина центральных пролетных труб резонатора; ^ - резонансная частота;
Соп - емкость элементарного двойного зазора; ]ВС - реактивная проводимость емкостей зазоров; и|/и0 - нормированная амплитуда высокочастотного напряжения на отдельных зазорах; и£ - нормированное напряжение на всей области взаимодействия; Ре - постоянная распространения электронного пучка; (Зп - постоянная распространения плазмы; q - эквивалентный параметр пространственного заряда;
Е2/Ет - нормированная напряженность электрического поля на зазоре резонатора; х=Ш - относительное расстояние между электродами центрального проводника; еа= 8о8г ~ абсолютная диэлектрическая проницаемость;
Ое/во - активная нормированная составляющая электронной проводимости;
Ве/О0 - реактивная нормированная составляющая электронной проводимости;
Уь - потенциал сеточного смещения; Э - проницаемость, ае - эффективная площадь, см
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Вакуумная и плазменная электроника», 05.27.02 шифр ВАК
Повышение эффективности многолучевых клистронов и клистродов за счет оптимизации параметров и конструкции резонаторных систем2000 год, кандидат технических наук Майорова, Марина Владиславовна
Исследование и оптимизация параметров многолучевых СВЧ ЭВП средней и большой мощности с модуляцией эмиссии на основе термо- и автоэмиссионных катодов2015 год, кандидат наук Бороденкова Ирина Вячеславовна
Двухмодовые пространственно-развитые двухзазорные резонаторы для многолучевых приборов клистронного типа2013 год, кандидат наук Корчагин, Алексей Игоревич
Исследование нелинейных процессов взаимодействия электронов с полями резонаторов гибридных и генераторных приборов клистронного типа2007 год, кандидат технических наук Пашков, Андрей Алексеевич
Многоканальные клистронные резонаторы с кратными резонансными частотами2011 год, кандидат технических наук Сенчуров, Виктор Андреевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мощный высокоэффективный многолучевой тристрон для телевизионных передатчиков дециметрового диапазона»
Современный уровень развития электронных приборов СВЧ характеризуется тем, что наряду с поисками новых принципов генерирования электромагнитных колебаний высоких и сверхвысоких частот большое внимание уделяется дальнейшему совершенствованию конструкции существующих приборов и улучшению их основных параметров. При этом одной из явно выраженных тенденций развития электронных устройств СВЧ является разработка, так называемых "гибридных" приборов, объединяющих в себе элементы конструкций и принципы действия различных по типу и даже классу приборов и потому обладающих достоинствами последних.
На сегодняшний день одними из таких приборов, перспективными для применения в телерадиовещании дециметрового (ДМВ) диапазона, являются приборы клистродного типа - клистроды, тристроны.
В клистроде модуляция электронного потока по плотности осуществляется с помощью управляющей сетки, а преобразование кинетической энергии электронов в электромагнитную энергию выходного сигнала - с помощью клистронного резонатора. При этом важной особенностью клистрода перед другими мощными усилителями, в частности перед телевизионными клистронами, является высокая эффективность преобразования энергии постоянного тока в ВЧ - энергию.
Клистроды впервые выпустила на мировой рынок телевизионных передатчиков английская фирма EEV в июне 1991 г. под названием ЮТ (Inductive Output Tube) или лампа с индуктивным выходным взаимодействием. Прототипом этого прибора является лампа A.B. Гаева, предложенная им еще в 1939. г. Создание клистрода стало возможным только благодаря применению новой технологии изготовления сеток из пиролитического графита.
Клистроды применяются в разрабатываемых за рубежом телевизионных цифровых передатчиках со специальным форматом модуляции цифрового сигнала с частичным подавлением боковой полосы - 8VSB, где для передачи цифрового сигнала требуется большее, чем для аналогового сигнала соотношение между импульсной и средней выходной мощностью.
В настоящее время более сотни телевизионных передатчиков на однолуче-вых клистродах успешно работают в 27 странах мира.
Недостатком известных конструкций телевизионных клистродов является сравнительно низкий коэффициент усиления (около 20дБ).
Для того чтобы получить нужную для телевидения полосу (8 МГц), в таких приборах требуется использовать электронные пучки с относительно большим первеансом и резонаторы с высоким характеристическим сопротивлением и низкой добротностью. Однако применяемые в основном однозазорные резонаторы имеют недостаточно высокое характеристическое сопротивление (50-100 Ом), что вызывает необходимость использования дополнительных фильтровых систем. Кроме того, с ростом первеанса уменьшается КПД (до 50%), поэтому для повышения КПД (до 58-60%) в известных конструкциях клистродов, используют многоступенчатую рекуперацию электронного потока, а это усложняет конструкцию прибора.
Повышение эффективности приборов клистродного типа на протяжении многих лет было и остается одной из важнейших проблем дальнейшего совершенствования приборов этого класса
Добиться более высокого усиления и КПД можно, перейдя к схеме трис-трона - гибрида триода и однолучевого двухрезонаторного клистрона. Работы по исследованию этого прибора проводились в 70-80-х гг. прошлого века на кафедре радиотехнической электроники ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина). Все эти исследования, имевшие общий радиофизический характер, не связывались первоначально с конкретным применением указанных приборов и в основном предназначались для получения возможно большей информации об электронном потоке, распределении электронов по скоростям и т.п.
Успешное решение задачи создания мощного высокоэффективного телевизионного усилителя зависит от правильного выбора основных элементов конструкции и параметров, которые в значительной степени определяют электродинамические и эксплуатационные характеристики прибора.
Для повышения коэффициента усиления и обеспечения требуемой полосы частот разработчики обращают пристальное внимание не только на переход к многолучевым конструкциям, но и на исследование и создание новых конструкций резонаторов, к числу которых можно отнести многозазорные пространственно-развитые резонаторы.
Однако до настоящего времени многолучевые тристроны с двухзазорными резонаторами не были известны ни в нашей стране, ни за рубежом.
Достоинствами многолучевых тристронов являются меньшие значения рабочего напряжения, повышенный электронный КПД (до 60—70%), а также меньшая величина фокусирующего магнитного поля. Использование двухза-зорных пространственно-развитых резонаторов позволяет добиться более высокого усиления до (25-26 дБ).
В тоже время размеры этого гибридного устройства не превышают размеры триодных и тетродных усилителей с таким же числом усилительных каскадов и существенно меньше, чем размеры телевизионного клистрона КУ-318, применяемого в отечественных передатчиках.
Поэтому необходим комплексный подход к решению этой проблемы, требующий дальнейшего совершенствования методов проектирования многолучевых приборов клистродного типа с многозазорными резонансными системами, оптимизации и оперативного расчета основных узлов с применением машинного проектирования.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является создание, теоретическое и экспериментальное исследование многолучевого усилительного тристрона, разработка методов оперативного расчета и оптимизации его основных параметров для использования в телевизионных передатчиках дециметрового диапазона.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи: анализ существующих конструкций клистродов и тристронов с точки зрения целесообразности их применения в качестве мощных высокоэффективных усилителей телевизионного сигнала дециметровой части СВЧ диапазона; разработка аналитических моделей и определение оптимальной взаимосвязи между выходными (КПД, полоса частот, коэффициент усиления) и внутренними параметрами (первеанс, ускоряющее напряжение, число лучей) многолучевого тристрона и параметрами многоканальной двухзазорной резона-торной системы; создание математических моделей для расчета основных электронных и электродинамических параметров многозазорных резонаторов с учетом нагрузки электронным потоком; теоретическое и экспериментальное исследование многоканальных многозазорных резонаторов с неплотным расположением каналов; экспериментальное исследование выходных параметров многолучевого тристрона и обоснование возможности его использования в телевизионных передатчиках ДМВ диапазона; анализ физических процессов преобразования энергии в усилительном многолучевом тристроне и определение оптимальных для расширения полосы и повышения КПД значений параметра пространственного заряда и функции распределения поля в области распределенного взаимодействия.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается проведением большого объема статических и динамических испытаний многолучевого тристрона с применением современной стандартной измерительной аппаратуры и методик измерений параметров электронных приборов.
Достоверность теоретических результатов обеспечивается фундаментальностью исходных уравнений, используемых для построения математических моделей и проверкой соответствия результатов расчета с данными экспериментальных исследований, или путем сравнения с данными других исследователей.
Практическая ценность работы.
Полученные в диссертационной работе результаты дают основания для практического использования многолучевого тристрона в телевизионных передатчиках ДМВ диапазона вместо малоэффективных и громоздких клистронов КУ-318 в передатчике "Ильмень". Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР ФГУП "НПП "Контакт" и СГТУ.
Практическая значимость состоит в разработке нового класса приборов -многолучевых тристронов, новых конструкций многолучевых резонаторных систем с неоднородным полем.
Разработанные математические модели, методики и программы для проектирования многолучевых гибридных приборов могут быть применены в электронной промышленности, например в "АОЗТ "СЕД-СПБ" и ФГУП "НПП "Исток", а также в учебном процессе высших учебных заведений.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Переход от конструкции однолучевого тристрона с однозазорными резонаторами к четырехлучевой конструкции тристрона с применением двухза-зорных пространственно-развитых резонаторов, а также одноступенчатой рекуперации позволяет существенно улучшить комплекс выходных параметров нового гибридного устройства.
2. Оптимальный выбор параметров и конструкции группирующего и выходного двухзазорных резонаторов позволяет снизить до приемлемых значений чувствительность прибора к изменению параметров многолучевого электронного потока в режимах усиления телевизионного сигнала и обеспечить требуемую равномерность амплитудно-частотной характеристики в полосе усиления.
3. Разработанные методы расчета параметров многозазорных пространственно-развитых резонаторов, с учетом нагрузки их электронным потоком, обеспечивают приемлемые для инженерной практики погрешности расчета.
4. Результаты экспериментального исследования многолучевого тристрона подтверждают высокую эффективность его применения для усиления телевизионного сигнала в оконечных каскадах мощных телевизионных передатчиков дециметрового диапазона.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 2000, 2002); LVI Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2001); четвертом и пятом рабочем семинаре "Saratov-Penza Chapter" (Саратов, 2000, 2001); Eight International workshop: Beam dynamics & optimization (BDO'2001) (Saratov, Russia, 2001); 14-ой Деловой встрече-семинаре научных работников по СВЧ-электронике (п. Вардане, 2002); Fourth IEEE International Vacuum Electron Source Conference (Saratov, Russia, July 15-19, 2002); на научных семинарах кафедры "Электронные приборы и устройства".
Часть работы выполнялась в рамках госбюджетной НИР по проблеме 05В.03 (СГТУ-192).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ и 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из списка принятых условных обозначений, введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Ее объем 152 стр., включая 50 рисунков, 6 таблиц, 67 наименований цитируемых источников.
Похожие диссертационные работы по специальности «Вакуумная и плазменная электроника», 05.27.02 шифр ВАК
Моделирование многомодовых резонаторных систем и процессов взаимодействия в СВЧ приборах клистронного типа, построенных на их основе2019 год, кандидат наук Нестеров Дмитрий Анатольевич
Математическое моделирование физических процессов усиления, генерации и умножения частот в многолучевых СВЧ приборах клистронного типа с многозазорными резонаторами2022 год, доктор наук Мучкаев Вадим Юрьевич
Улучшение выходных параметров и характеристик миниатюрных многолучевых низковольтных клистронов2015 год, кандидат наук Чигуров, Илья Олегович
Повышение эффективности многолучевых микроволновых генераторов с многозазорными резонаторами2012 год, кандидат технических наук Акафьева, Наталья Александровна
Многомодовые многоканальные резонансные системы для приборов клистронного типа2024 год, кандидат наук Чернышев Максим Алексеевич
Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Казаков, Олег Витальевич
Выводы
Результаты, проведенного технико-экономического расчета, позволяют выявить следующие экономические показатели для нового прибора:
Во-первых, цена разрабатываемого прибора 300646,68 руб.;
Во-вторых, эксплуатационные расходы в год 46525,002 руб.;
В-третьих, экономический эффект от внедрения нового прибора составит 16055,496 руб. с каждой единицы выпуска.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.