МНОГОЛУЧЕВЫЕ КЛИСТРОНЫ. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

November 26, 2014 by admin Комментировать »

Э. А. Гвльвич, Е. В. Жарый, А. Д. Закурдаев, В. И. Пугнин ГНПП "Исток", Фрязино

Введение

Идея многолучевых клистронов (МЛК) была предложена в СССР и Франции еще в середине XX века [1, 2, 3]. В начале 60-х годов были проведены первые исследования конкретных конструкций МЛК в США [4], но лишь после пионерских работ С. А. Засмановского и

С.  В. Королева в СССР в 1962-1963 гг. началось бурное развитие этого направления электровакуумного приборостроения. Причина этого бума состояла в том, что к тому времени резко возросли требования к объему и точности информации, передаваемой радиолокационными сигналами и сигналами управления, которые в полной мере могли быть удовлетворены только при использовании мощных усилительных СВЧ-приборов, допускающих амплитудную и фазокодовую манипуляцию и частотную модуляцию сигналов при низком и сверхнизком уровне шумов. Однако существовавшие мощные усилители, однолучевые клистроны и ЛЕВ, требовали высоких питающих напряжений и имели большие габариты. И то и другое оказалось неприемлемым для передвижных и подвижных РЛС. Обе эти проблемы решались применением многолучевых клистронов [5]. Так, использование низковольтного малогабаритного МЛК вместо однолучевого клистрона в самолетной бортовой РЛС позволило уменьшить вес передатчика в 4 раза. В настоящее время МЛК широко применяется в наиболее современных подвижных, бортовых и космических системах локации, управления движущимися объектами, навигации, связи. Гибкость и относительная простота управления параметрами излучаемого сигнала обеспечили преимущественное применение МЛК в многофункциональных радиотехнических системах. Перспективно применение МЛК и в народном хозяйстве, ускорителях частиц различного назначения, включая медицинские ускорители.

По уровню выходной мощности целесообразно разделить рассматриваемые МЛК на три группы: МЛК с импульсной мощностью более 100 кВт и средней мощностью более 10 кВт (МЛК большой мощности), МЛК с импульсной мощностью до 100 кВт и средней мощностью до 5 кВт (МЛК средней мощности) и ММЛК – малогабаритные (в том числе миниатюрные) МЛК с импульсной мощностью до единиц киловатт и средней мощностью до 1 кВт. Хотя это деление в некоторой степени условно, поскольку в нем не учтена зависимость мощности от частоты усиливаемых колебаний, оно отражает существенно различные значения тепловой энергии и эквивалентного сопротивления электронного потока, которые определяют круг допустимых конструктивно-технологических решений, специфических для каждой из групп.

По конструктивному исполнению МЛК можно разделить на две группы [6, 7]: МЛК, работающие на высших видах колебаний, и МЛК, работающие на основном виде колебаний резонаторов. В тех случаях, когда требования по величине средней мощности превалируют над требованиями широкополосное™, находят применение МЛК первой группы. Поскольку, однако, МЛК первой группы существенно, почти на порядок, уступают клистронам второй группы по достижимой ширине полосы усиливаемых частот, наибольшее распространение получили МЛК, работающие на основном виде колебаний резонаторов. Всюду в дальнейшем, если это не оговорено особо, мы будем под МЛК подразумевать клистроны именно этой второй группы.

Параметры и области применения МЛК

Специфика требуемых параметров МЛК определяется областью их применения и конкретным назначением. Однако есть ряд общих требований, необходимых для большинства радиотехнических средств. К ним следует отнести низкий уровень питающих и модулирующих напряжений, широкую полосу усиливаемых частот, максимально высокий КПД, линейность фазочастотных (ФЧХ) и амплитудно-частотных (АЧХ) характеристик, малый уровень вносимых шумов, малые массогабаритные характеристики.

Низкое напряжение модуляции, широкополосность, линейность ФЧХ и АЧХ создают возможность обеспечить высокую информативность излучаемого СВЧ-сигнала за счет его фазокодовой и амплитудной манипуляции и частотной модуляции. Низкие модулирующие напряжения позволяют гибко в широких пределах изменять длительность (от 0,1 микросекунды до единиц миллисекунд) и частоту посылок (от сотен герц до сотен килогерц) излучаемого СВЧ-сигнала. Эти свойства МЛК в сочетании с их широкополосностью позволяют создавать на их основе многофункциональные и многоцелевые РЛС.

Особые требования выдвигаются к непрерывно работающим многоцелевым и многофункциональным РЛС, например, к аэродромным станциям обнаружения и сопровождения самолетов. Поскольку любой сбой в их работе может привести к потере цели, возникает требование отсутствия пробоев в МЛК в процессе его долговременной работы. Как будет показано ниже, это требование оказывает существенное влияние на мощностные характеристики и широкополосность мощных МЛК.

Малогабаритные и миниатюрные МЛК нашли широкое применение в самолетных, космических и носимых передатчиках, особенно в короткой части сантиметрового диапазона длин волн, где МЛК массой до 500 г монтируются непосредственно во вращающуюся передающую антенну.

Особое место занимают такие области применения, как народное хозяйство и медицинские ускорители заряженных частиц. Здесь важнейшими параметрами становятся низкие питающие напряжения, высокий КПД и большая (до десятков тысяч часов) долговечность.

Вообще долговечность МЛК до последнего времени была "ахиллесовой пятой" этого класса приборов, особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн. Связано это с тем, что при многолучевом катоде практически невозможно реализовать существенно сходящийся пучок, не прибегая к чрезвычайно сложной (а потому неприемлемой) конструкции электронно-оптической системы. Поэтому, а также из-за принципиально больших анодных токов, плотность отбираемого с катода тока в МЛК намного превышает значение этого параметра в однолучевых клистронах при той же выходной мощности, достигая 40 А/см2 в импульсе.

Однако созданные в последние годы высокоэмиссионные долговечные катоды [8], а также работы по отработке технологии изготовления и режимов применения МЛК позволили найти пути решения проблемы долговечности многолучевых клистронов.

Масса и габариты однолучевых клистронов определяются в основном его магнитной фокусирующей системой. Как правило, масса магнита в однолучевом клистроне в 4-10 раз превышает массу самого клистрона. Выполненные исследования показали, что конструкция МЛК на основном виде колебаний резонатора позволяет существенно, до 10 раз и более, уменьшить массу магнита и клистрона по сравнению с однолучевыми аналогами [5]. Это обусловливается низким первеансом парциальных пучков в МЛК и уменьшением суммарной длины труб дрейфа клистрона. Важно отметить, что переход к многолучевым конструкциям не только позволяет миниатюризировать клистрон, но и обеспечивает снижение массы и габаритов всего оборудования, включая источник питания клистрона.МЛК большой мощности для радиотехнических применений

В настоящем разделе рассматриваются мощные широкополосные МЛК, удовлетворяющие следующему комплексу параметров:

–                    диапазон рабочих длин волн – 3-15 см;

–          полоса рабочих частот – « 200 МГц во всем диапазоне длин волн, что составляет от 2 до 10% в зависимости от длины волны;

выходная импульсная мощность – не менее 100 кВт; выходная средняя мощность – 10-20 кВт;

–          длительность импульса – от 0,1 мкс до 1-2 мс; скважность – от 10 до 50;

–          напряжение луча и модуляции должно быть минимальным для обеспечения возможности получения малых габаритов и возможности работы с высокой частотой следования импульсов.

Для приборов этой группы, как правило, предъявляется жесткое требование отсутствия пробоев в течение длительного (до 10 часов и более) времени непрерывной работы в штатном режиме и при включении. Это требование накладывает ограничения на предельно допустимую

величину напряженности постоянного электрического поля между катодом и управляющей сеткой (Еск) и сеткой и анодом (Еса). Можно показать [9], что эти ограничения определяют также предельную величину подводимой к МЛК мощности. Расчетные методы определения предельных значений Еск и Еса пока неизвестны, однако, как показала практика разработки приборов, они лежат в интервале от 5 до 7 кВ/мм. Для особо ответственных применений нежелательно существенно превышать нижнюю границу этого интервала.

Рис. 1. Результаты расчета максимально подводимой мощности Ро при ограничении плотности тока катода 0 =15 А/см2), суммарном микропервеансе не более 10 мк А/В^/2 для разных напряженностей электрического поля в межэлектродных промежутках.

Подводимая к клистрону мощность ограничена также допустимой величиной микропервеанса и предельно допустимой величиной плотности тока на катоде. Первое ограничение связано с возможностью возбуждения паразитных колебаний в клистроне, а второе определяется требуемой долговечностью прибора. Рекомендуемые граничные значения этих величин равны, соответственно, 10 мкА/В3/2 и, при современном уровне технологии изготовления приборов, 15 А/см2 [9]. Предел по подводимой к клистрону мощности, в свою очередь, накладывает ограничения на величину достижимой в клистроне полосы усиливаемых частот.

Представляет интерес сравнение степени влияния рассмотренных выше факторов на максимально допустимую подводимую мощность во всем диапазоне длин волн. На взятом из работы [9] рис. 1 приведены результаты расчета максимально подводимой мощности Ро при ограничении плотности тока катода (/=15 А/см2), суммарном микропервеансе не более 10 мкА/В3/2 и результаты расчета Ро для напряженностей электрического поля 5, 7, 9 кВ/мм в межэлектродных промежутках. Там же показана расчетная полоса МЛК, соответствующая максимальной величине Ρο-

Фактором, ограничивающим подводимую мощность МЛК в длинноволновом участке диапазона при заданном напряжении луча, является допустимый суммарный первеанс лучей. В этом участке диапазона ограничения по полосе МЛК практически нет. В коротковолновом участке максимальная подводимая мощность ограничена электрической прочностью МЛК и допустимой плотностью токов катода. Для напряженности электрического поля Еск = 7 кВ/мм максимальная подводимая мощность практически совпадает с мощностью, рассчитанной при ограничении j = 15 А/см2. В этом случае при максимально возможной подводимой мощности в диапазоне длин волн 3-5 см невозможно обеспечить полосу усиления 200 МГц.

При напряженности электрического поля Еск = 5 кВ/мм максимальная подводимая мощность ограничена в коротковолновом диапазоне длин волн, главным образом, напряженностью электрического поля.

В табл. 1 приведен ряд разработанных в ГНПП "Исток” МЛК большой мощности с резонаторами на основном виде колебаний [9].

Таблица 1

Параметры

КИУ-214-10

КИУ-214-4

КИУ-214-3

КИУ-214-2

КИУ-214-1

Длина волны, см

3

5,5

7

10

15

Подводимая импульсная мощность, кВт

400

720

1100

1650

2010

Напряжение луча, кВ

24

24

29

31

32

Напряжение модуляции, кВ

5

4,5

6

6

5,7

Выходная импульсная мощность, кВ

120

200

500

600

800

Выходная средняя мощность, кВ

3

И

17

12

14

Полоса, %

2

3,5

4,5

6,5

10

Число лучей

15

24

24

36

36

Масса, кг*

10

20

20

25

32

j капп А/СМ

21

13

16

11,6

11

* Без массы магнита.

Как видно из табл. 1, на длине волны 3 см при полосе усиления 200 МГц удалось получить выходную мощность в импульсе только 120 кВт (при 3 кВт средней мощности), что находится в полном соответствии с приведенными выше результатами исследований.

Задача получения выходной мощности в 3-сантиметровом диапазоне более 200 кВт в импульсе при 15-20 кВт средней мощности в суженной втрое полосе частот была решена в ГНПП "Исток" Ю. А. Ковалевым в многолучевом клистроне, работающем на высшем виде колебаний шестилучевой резонаторной системы. Клистрон работает при анодном напряжении 24-26 кВ. Величина управляющего напряжения, равная в этом клистроне 5,5 кВ, позволяет изменять длительность импульса от десятых долей до сотен микросекунд при скважности Q > 10. Клистрон работает в системе раздвижных постоянных магнитов.

Одним из путей увеличения выходной мощности МЛК в коротковолновой части сантиметрового диапазона (λ < 4 см) при сохранении широкополосных возможностей МЛК, работающих на основном виде колебаний резонаторов, является гибридная конструкция – МЛК с резонаторами, работающими на высшем виде колебаний, в которых каждая пролетная труба в каждом резонаторе многолучевая [9, 10].

Реализация этой идеи на практике полностью себя оправдала: при полосе 2% получена выходная мощность 200 кВт [11]). При этом полностью сохраняется преимущество многолучевой конструкции по малому уровню шумов вблизи несущей частоты.Импульсные МЯК средней мощности

3-                  В последние годы теоретически и экспериментально показана возможность создания МЛК с выходной импульсной мощностью до 100 кВт и средней выходной мощностью до 5 кВт с широкой полосой усиления и бестоковым управляющим электродом для импульсной модуляции [11]. Разработан ряд клистронов в 3-сантиметровом диапазоне длин волн с полосой усиления порядка 6% и выходной импульсной мощностью от 20 до 70 кВт при средней выходной мощности не менее 3 кВт. Масса таких клистронов (с магнитами) не более 16 кг, рабочее напряжение катода 11-13 кВ, напряжение управляющего электрода 2,5-3 кВ. В клистронах использовались трехзазорный выходной резонатор и трехсвязная выходная система. Группирователь состоит из девяти однозазорных резонаторов. Использовалась 24-лучевая электронная оптическая система. Характерные АЧХ клистронов, в том числе при воздействии дестабилизирующих факторов, приведены на рис. 2. На рис. 3 представлена АЧХ при повышенной выходной мощности для [4= 13 кВ при первеансе 8,3 мкА/В3/2, входная мощность Рвх = 1 Вт. При этом токопрохождение в статическом режиме составляет 95%, а в динамическом – 90%.

Рвых, кВт

Аналогичные исследования, проведенные в 2-сантиметровом диапазоне, привели к созданию МЛК, в которых достигнута выходная импульсная мощность до 30 кВт при средней выходной мощности 1,5 кВт и полосе усиления не менее 2%. В отличие от предыдущих в этих МЛК применен двухзазорный выходной резонатор. С учетом конструктивно-технологических факторов оптимальное число лучей принято равным 15. Напряжение катода 14 кВ при модулирующем напряжении 3,8 кВ. Масса такого клистрона вместе с магнитами не превышает 8 кг. АЧХ для двух экземпляров клистронов этого типа представлена на рис. 4.

Рис. 4. АЧХ клистронов 2-сантиметрового диапазона. Клистрон 1: Рвх = 0,76 Вт. Клистрон 2: Рвх = 0,56 Вт.

Коэффициент усиления разработанных МЛК обоих диапазонов порядка 40 дБ. Охлаждение – жидкостное принудительное.

Такие МЛК позволяют получить низкий уровень вносимых шумов благодаря относительно небольшой фазовой длине резонаторной системы, обеспечивающей крутизну фазовой характеристики 15° на 1% изменения напряжения анода.

Разработки проводились под руководством Е. В. Жарого и Л. М. Борисова.

Малогабаритные и миниатюрные МЛК для бортовых систем

Для бортовых передатчиков радиосистем различного назначения (РЛС, ответчики, навигация, связь) требуются малогабаритные источники СВЧ, в основном коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн. В зависимости от назначения уровень мощности изменяется от единиц ватт до 1 кВт. Несмотря на относительно небольшую абсолютную величину выходной мощности, плотность выделяемой на миниатюрных элементах ММЛК тепловой энергии сравнима (а иногда и превышает) с тепловыми нагрузками приборов большой мощности. Возникающие при этом проблемы требуют разработки неординарных конструктивных решений.

Требуемая ширина полосы рабочих частот составляет 50-200 МГц при высоком коэффициенте усиления 35-45 дБ. Клистроны должны иметь высокую устойчивость к механическим и температурным нагрузкам. Как правило, эти нагрузки характеризуются вибрацией с ускорением до 20 g при частоте вибрации до 2000 Гц, ударами до 150 g , перепадами температур от -60°С до +80°С.

Создание приборов, отвечающих совокупности всех перечисленных выше требований, потребовало проведения большого объема исследовательских, технологических и конструкторских работ, которые были начаты С. В. Королевым, а затем в течение ряда лет проводились и ведутся А. Д. Закурдаевым. Их результатом явилось создание серии ММЛК для бортовых систем самого разнообразного назначения. Некоторые из них представлены в табл. 2.

Таблица 2

п/п

/о, ГГЦ

Римп, Вт

А/МГц

Ку, дБ

Скважность Q

{/а, КВ

Цшр, В

Адуч

η, %

т*, кг

1

17

400

40

47

3

2,5

500

18

30

1,0

2

17

1000

100

40

20

3,5

1000

19

30

1,2

3

15

400

40

40

3

2,5

500

18

30

0,4

4

16

500

200

37

25

3,5

1000

19

25

1,2

5

14

400

60

40

3

2,5

500

18

30

1,0

6

9,3

1000

60

40

25

3,5

анод.

19

35

1,5

7

9

50

180

37

25

1,5

анод.

19

12

1,2

* Масса, включая массу самарий-кобальтовой магнитной системы.

Охлаждение ММЛК контактное, путем отвода тепла на элементы конструкции аппаратуры. ММЛК, как правило, имеют ли 6-резонаторную систему. В некоторых случаях (например, ММЛК № 4 и 7 в табл. 2) входной и выходной активные резонаторы двухзазорные, со сдвигом фаз между зазорами π. Широкополосные ММЛК имеют в качестве выходного устройства двухсвязанные фильтровые системы. На рис. 5 приведены типичные АЧХ ММЛК № 4 и 7.

Рис. 5. АЧХ клистронов при постоянной Рвх: а – клистрон № 4, б – клистрон № 7.

Проведенными исследованиями показана особая роль вторично-электронного резонанса (ВЭР) в ММЛК, особенно легко возникающего в его миниатюрных резонаторных системах. ВЭР в своей начальной стадии является источником шумов, а при развитии ограничивает коэффициент усиления клистрона. Поэтому при создании ММЛК особое внимание уделялось разработке конструктивных решений, исключающих возможность возникновения ВЭР. Тем же целям, а также обеспечению высокой теплоустойчивости клистронов, служит достижение высокого токопрохоения. Оно составляет 96-98% в статическом и 85-90% в динамическом режиме.

Особым требованием к ММЛК является полное отсутствие пробоев в условиях воздействия жестких механических нагрузок. Для их исключения была разработана оригинальная методика внутривакуумной обработки поверхностей ММЛК не только постоянным высоким напряжением, но и СВЧ-полями большой напряженности на рабочих частотах приборов. Гарантированная долговечность разработанных ММЛК (за исключением прибора № 3 в табл. 1) лежит в пределах 1500-3000 ч. Приборы обладают малым временем готовности (менее 1 мин из холодного состояния), а время готовности приборов типа № 3 составляет менее 15 с.

МЯК для промышленных и медицинских применений

Медленно, но неуклонно возрастает использование СВЧ-энергии в промышленности. До настоящего времени в качестве источника СВЧ-энергии в промышленности и медицинских ускорителях применяются в основном магнетроны. Хотя клистроны имеют существенное преимущество по долговечности, могут обеспечивать большую выходную мощность, особенно на высоких частотах, меньшие уровни побочных излучений, тем не менее высокое напряжение анода, присущее однолучевым клистронам, вызывающее большие экпслуатационные и конструктивные трудности, сделало их неконкурентоспособными по сравнению с магнетронами.

Появление МЛК радикально изменяет ситуацию: МЛК превосходят магнетроны по выходной мощности, особенно в сантиметровых диапазонах, по долговечности (более чем на порядок), надежности, характеристикам электромагнитной системы и при этом требуют более низких (!) питающих напряжений, чем магнетроны. Кроме того, они имеют не меньший КПД и могут надежно работать на рассогласованную нагрузку. Типичным примером возможностей МЛК этого типа является клистрон "Амбар", работающий на частоте 2,45 ГГц с минимальной непрерывной мощностью 25 кВт, КПД более 65% и при катодном напряжении 8 кВ. Долговечность клистрона – более 20 тысяч часов.

* * *

Из приведенного краткого обзора очевидно, что многолучевые клистроны прочно заняли место в широком спектре различных применений. Более того, резкое уменьшение массы, габаритных характеристик и питающих напряжений мощных СВЧ-усилителей, происшедшее с появлением МЛК, стимулировало возникновение и развитие нового направления в СВЧ- электронике – мощных комплексированных СВЧ-изделий, в свою очередь приведших к прорыву в создании новейших радиотехнических систем.

Ближайшими направлениями дальнейшего развития МЛК, по нашему мнению, следует считать расширение полосы усиления, особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона, повышение КПД и долговечности, создание сверхмощных МЛК для перспективных ускорителей заряженных частиц.

Литература

1.        Коваленко В. Ф. А.С. 72756 СССР кл. 21. 1940.

2.        Пат. 992853 (Франция). Многолучевой прибор, 1944.

3.        Зусмановский С. А. А.С. 155556 СССР, 1955.

4.        Boyd М. R., Dehn R. A., Hickey J. S., Mihran Т. G. The multiple-beam klystron // IRE Transactions. V. ED-9. № 3. P. 247.

5.        Королев С. В. Об одной возможности уменьшения веса и габаритов пролетных клистронов // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1968. Вып. 9. С. 176-179.

6.        Gelvich Е. A., Borisov L. М., Zhary Е. V., Zakurdayev A. D., Pobedonostzev A. S., Pugnin V. /. A new generation of high power klystrons on the base of multi-beam design // IEEE MTT-S International MW Symposium Digest. V. 3. 1991.

7.        Gelvich E. A., Borisov L. M., Zhary E. V., Zakurdayev A. D., Pobedonostzev A. S., Pugnin V. I. The new generation of high power multi-beam klystron // IEEE Transactions on MTT. 1993. V. 41, № 1. P. 15-19.

8.        Djubua B. Ck, Ding Y., Peng 1 The impregnated cathode for high power klystrons // 2-nd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology Proceedings. Sept. 14-16, 2000. IEEE Press. Beijing. P. 146-149.

9.        Пугнин В. И Оценка предельной мощности МЛК с резонаторами на основном виде колебаний для современных РЛС // Радиотехника. 2000. № 2. С. 43-50.

10.     Борисов Л. М., Гелъвич Э. А., Жарый Е. В., Закурдаев А. Д., Победоносцев А. С., Пугнин В. И. и др. Мощные многолучевые электровакуумные усилители СВЧ // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 1993. Вып. 1. С. 12-20.

Гелъвич Э. А., Лопин М. И. СВЧ-усилители средней и большой мощности нового поколения // Радиотехника. 1999. №4. С. 18-31.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты