автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Мощный высокоэффективный многолучевой тристрон для телевизионных передатчиков дециметрового диапазона

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

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.

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.