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 диапазонаразработка 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 системысоздание математических моделей для расчета основных электронных и электродинамических параметров многозазорных резонаторов с учетом нагрузки электронным потокомтеоретическое и экспериментальное исследование многоканальных многозазорных резонаторов с неплотным расположением каналовэкспериментальное исследование выходных параметров многолучевого тристрона и обоснование возможности его использования в телевизионных передатчиках ДМВ диапазонаанализ 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 приборовмноголучевых 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 05 В.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 300 646,68 руб.;
Во-вторых, эксплуатационные расходы в год 46 525,002 руб.;
В-третьих, экономический эффект от внедрения нового прибора составит 16 055,496 руб. с каждой единицы выпуска.
