О НЕКОТОРЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ УСИЛЕНИЯ СВЧ-СИГНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНО-ЭМИССИОННОГО РАЗРЯДА

November 14, 2014 by admin Комментировать »

А. В. Галдецкий

ГНПП "Исток", Фрязино

Использование ВЧ-модуляции термоэмиссии в триодах, тетродах и т. д. позволило создать простые, дешевые, компактные, низковольтные усилители с высоким КПД, работающие до частот менее 1 ГГц [1, 2]. В таких приборах уже на входе системы формируется электронный поток с высокой амплитудой первой гармоники тока, и в дальнейшем нет необходимости в длительном взаимодействии: достаточно отобрать энергию от сгруппированного потока в коротком зазоре. Это, в свою очередь, означает отсутствие фокусировки пучка (и громоздкой магнитной системы), низкое напряжение питания, небольшие размеры и стоимость. Однако при укорочении длины волны λ в таких приборах требуется использовать пропорционально малые зазоры сетка-катод, что трудно обеспечить технологически (особенно в условиях распыления активного вещества с термокатода и термоупругой деформации электродов). Кроме того, при увеличении частоты и входной емкости быстро падает добротность входной электродинамической системы из-за увеличения токов перезарядки входной емкости и спада глубины скин-слоя. В результате на частотах выше ~ 1 ГГц используются в основном приборы с длительным взаимодействием (клистроны, ЛЕВ) [1].

Представляется привлекательным вернуться к применению модуляции эмиссии, однако использовать при этом другие ее виды, например вторичную эмиссию. До сих пор ВЧ- модуляция вторичной эмиссии использовалась в основном в магнетронах и амплитронах [3]. Двухэлектродный вторично-эмиссионный разряд (мультипактор) в резонаторах клистронов рассматривался как паразитное явление. Недавно были выполнены работы по применению двухэлектродного мультипактора в качестве источника сгруппированного пучка для ускорителей электронов [4-6].

В данной работе мы предлагаем использовать для усиления СВЧ-колебаний механизм одноэлектродного мультипактора, в котором соударения происходят с одним электродом. В рассмотренной структуре к диоду (являющемуся частью резонатора) приложены входное ВЧ- напряжение и постоянное напряжение смещения. Один из электродов диода выполнен в виде сетки из вторично-эмиссионного материала. Электронный сгусток, стартовавший с него в определенной фазе ВЧ-сигнала, подгруппировывается ВЧ-полем и возвращается в ускоряющей фазе спустя период ВЧ-сигнала после старта. Здесь он выбивает сгусток вторичных электронов ("запомнивший" уменьшенную длину первичного сгустка), и весь процесс повторяется. Ток пучка растет (а длина сгустка уменьшается) до тех пор, пока не наступает динамическое равновесие, при котором поле пространственного заряда компенсирует группирующее действие ВЧ-поля. Каждый раз при попадании сгустка на сетку часть электронов выходит за пределы входного зазора и может быть утилизована обычным для СВЧ-электроники образом: ускорение до высокой энергии, отдача энергии ВЧ-полю в выходном зазоре, оседание в коллекторе. Требуемый зазор сетка-катод также пропорционален λ, как и в случае с термокатодом, но его величина существенно выше. Класс приборов на основе этого механизма мы назвали аленотрон (рис. 1).

Рис. 1. Схемы возможных конструкций аленотрона: а – триодная схема (вакуумный транзистор), 6 – клистроая схема.

Триодный вариант не требует компрессии пучка (и магнитного поля) и может быть использован при невысоких требованиях к плотности тока, например при низких частотах и мощностях. Клистродный вариант дает возможность использовать компрессию пучка и может быть использован при повышении частоты.

Рассмотрим движение сгустка как целого (в одночастичном приближении) в зазоре толщины d, к которому приложено ВЧ-напряжение U\ частоты ω и статическое напряжение смещения -£/0. Наш анализ будет отчасти аналогичен изложенному в [7-9]. Координату эмиттера мы положили равной нулю. Уравнение движения сгустка без учета пространственного заряда

где фо – фаза старта сгустка с электрода. Для фазы φι финиша сгустка получаем уравнение, которое при условии        = ф0 + 2π определяет ф0:

Основные соотношения для мультипактора

»

Условия возможности старта сгустка, отрицательности скорости на финише

и устойчивости сгусткадают ограничения на допустимые значения на пряжений:

‘ и

Соотношение (4) определяет диапазон допустимых входных ВЧ-напряжений V\ (при фиксированном напряжении смещения V0) равный 13% (т. е. динамический диапазон по входной мощности равен 26%). Энергия первичных электронов, определяющая коэффициент вторичной эмиссии:

где Q – заряд сгустка, /0 – средняя плотность тока вторичной эмиссии. Отсюда добротность входного резонатора, обусловленную электронной нагрузкой, Qe можно оценить как

При типичных величинах /0 = 3 А/см2, λ = 2 см, d= 0,1 мм получаем электронную добротность около 70. С учетом внешней добротности это определяет полосу входного резонатора аленотрона на уровне 3%, что сравнимо с лучшими показателями для клистронов. Сравнивая амплитуды напряжений и наведенных токов во входном и выходном зазорах, получим для коэффициента усиления аленотрона следующую оценку:

где Uа – анодное напряжение, р – прозрачность сетки для электронного пучка. При Е = 40 эВ, р = 0,5 и Uа = 10 кВ усиление составляет 18 дБ.

Можно оценить минимальное напряжение в анодном пространстве за сеткой входного резонатора, достаточное для вытягивания (и ускорения) всего сгустка:

При плотности тока /0 = 2 А/см2, длине волны λ = 2 см, анодном зазоре da = 2 мм это выражение дает очень слабое ограничение Ua > 300 В.

В клистродном варианте аленотрона (рис. 1, б) для сохранения сгустка до зазора выходного резонатора время дрейфа должно быть меньше четверти периода плазменной частоты, что ограничивает анодное напряжение:

в рассмотренном примере отсюда следует Ua > 2130 В.

На основании характеристик одноэлектродного мультипактора (3)-(7), зная λ, минимально допустимую в изготовлении величину входного зазора d^, степень заполнения входного зазора потоком δ (максимальное относительное удаление сгустка от катода) и требуемую для размножения энергию первичных электронов Е, можно получить выражения для геометрии и режима работы входного зазора, т. е. синтезировать его:

При 4шп — 0,1 мм, δ = 0,8, Е = 40 эВ получаем £/0 = 21,8 В, U\ = 71,8 В и коротковолновую границу рассмотренной области λ > 2,93 см. Оценим, как зависит в этом случае плотность вторично-эмиссионного тока от рабочей длины волны. Соотношения подобия будут выполняться при — λ1, t/i~ λ°, U0 ~ λ°, E ~ λ°. В стационарном состоянии отношение поля пространственного заряда к полю электродовбудет пропорцио-

нально λ при /0 ~λ . Таким образом, плотность тока эмиссии растет пропорционально квадрату частоты!

При дальнейшем росте частоты рассчитанный по (11) зазор становится меньше величины <7min. В этом случае следует зафиксировать зазор и допускать уменьшение заполнения зазора потоком:

С ростом частоты при фиксированном d электронный поток оказывается все сильнее прижатым к эмиттеру (так что величина зазора может быть не слишком малой). Требуемые

Рис. 2. Синтезированные напряжения и зазоры для 1-электродного и 2-электродного мультипакторов (минимально допустимый зазор 0,1 мм, энергия бомбардировки 40 В).

значения зазора, а также ВЧ и постоянных напряжений (при энергии бомбардировки 40 эВ и минимально допустимом зазоре 0,1 мм) показаны на рис. 2.

Интересно сравнить рассмотренный механизм группировки с клистронным. В клистронах происходит "накопление" группировки пучка в пространстве, при дрейфе пучка. В отличие от этого в аленотроне в одном и том же входном зазоре осуществляется "накопление" группировки потока во времени. В результате путь транспортировки потока, а значит и габариты магнитной системы для аленотрона, существенно меньше, чем для клистрона (при небольших первеансах пучка магнитную систему в аленотроне можно вообще исключить). Кроме того, трудности настройки и обеспечения хорошего токопрохождения при проведении пучка через единственный выходной резонатор аленотрона также существенно снижены.

Сравнение с двухэлектродным мультипактором

Для сравнения приведем выражения для двухэлектродного мультипактора без напряжения смещения V0 – 0. ВЧ-напряжение связано с фазой старта:

I

Аналогично выводу (4), (5), (12) находим допустимые значения начальной фазы ср0 и ВЧ- напряжения, энергию бомбардировки и синтезированные параметры прибора:

Динамический диапазон составляет в этом случае 37% по входной мощности. Сравнивая (11) и (16), нетрудно видеть, что на низких частотах для одноэлектродного и двухэлектродного мультипакторов требуются близкие значения ВЧ-напряжений и зазоров. При переходе к высоким частотам одноэлектродный мультипактор имеет преимущество. Так, например, при энергии бомбардировки Е = 40 эВ частотный диапазон двухэлектродного мультактора ограничен частотой 9 ГГц.

Численное моделирование мультипактора

Рис. 3. Временные зависимости поля на катоде (7), среднего тока эмиссии (2) и положения частиц (3) в процессе развития мультипактора: периоды с 3 по 12.

Чтобы проверить справедливость аналитических выражений и вычислить стационарные значения плотности тока (с учетом влияния пространственного заряда), мы провели численное моделирование мультипактора на основе одномерной модели крупных частиц. Нагрузка резонатора электронным пучком не учитывалась. Параметры эмиттера: атах = 3,5 и Етах = 220 эВ (первый критический потенциал Е\ = 40 В). Разброс эмитируемых электронов по энергиям моделировался разбиением их на три группы с энергиями от 0 до 3 эВ. Характеристики входного зазора при λ = 1,5 см: d= 0,1 мм, U0 = 50 В, U\ = 182 В (Е = 55 эВ, σ = 1,35). Зарождение мультипактора моделировалось эмиссией с катода в течение первого периода колебаний набора затравочных частиц (общим током около 0,1 мкА). Дальнейшая эволюция частиц показана на рис. 3 (где показаны также электрическое поле на катоде и средний ток эмиссии). Стационарное значение средней плотности тока эмиссии достигает 3,7 А/см2. Зависимость стационарного тока от амплитуды ВЧ-напряжения показана на рис. 4. Отметим высокое качество группировки пучка: относительная амплитуда первой гармоники электронного тока на выходе из зазора составляет 1,7.

Рис. 4. Зависимость средней плотности тока эмиссии от амплитуды ВЧ-напряжения. Пунктиром показана теоретическая область устойчивости, определяемая (4).

Наряду с простым резонансным вариантом аленотрона можно предложить и более сложные схемы: на основе системы связанных резонаторов на входе и на выходе или на основе передающих линий. В таких конструкциях можно заметно увеличить полосу и выходную мощность прибора.

Примеры конструкций аленотрона

Практическая реализация аленотрона в первую очередь зависит от наличия вторичного эмиттера с низким первым критическим потенциалом φι (и это является определенным вызовом для катодного материаловедения). К счастью, такие материалы (φι « 25 В) были разработаны ранее и опробованы в магнетронных приборах. С использованием таких эмиссионных материалов можно предложить ряд схем приборов.

Однолучевой прибор. Предполагаемая схема конструкции однолучевого однорезонаторного варианта аленотрона приведена на рис. 5. При частоте 15 ГГц и напряжении питания 7 кВ его выходная мощность составляет 500 Вт, КПД 49%, усиление 18 дБ, полоса частот (по уровню 3 дБ) – 220 МГц, напряженность поля в пушке 3 кВ/мм.

Рис. 5. Схема конструкции маломощного однолучевого аленотрона

Сверхмощный прибор для ускорителя электронов NLC. Для линейного ускорителя NLC требуется СВЧ-усилитель с мощностью 75 МВт на частоте 10 ГГц. На эту роль можно предложить низковольтный распределенный аленотрон (рис. 6), состоящий из двух каналов усиления, работающих на отдельные выходные волноводы (с последующим суммированием) и содержащих по 100 простых идентичных модулей, питаемых от общего входного волновода. Каждый модуль является 3-лучевым аленотроном, коэффициент связи которого с входным и выходным трактами зависит от его положения вдоль тракта. Прибор не имеет магнитной системы (первеанс луча составляет 0,03 мкА/В3/2) и не требует высоковольтного модулятора (управление осуществляется СВЧ-сигналом или смещением на сетке). Параметры прибора следующие:

Рис. 6. Схема конструкции мощного распределенного аленотрона для питания линейного ускорителя: а – поперечное сечение прибора, б – продольное сечение.Другие возможные области применения аленотрона

•                   Рассмотренный холодный эмиттер не требует (в отличие от автоэмиссии) высоких электрических полей и может быть использован не только в СВЧ-усилителях, но и в других вакуумных приборах благодаря возможности сравнительно безболезненного развития эмиттера в поперечном направлении (из-за отсутствия накала и магнитной системы) и сравнительную дешевизну СВЧ-источников для питания эмиттера. Процесс установления колебаний занимает несколько десятков периодов ВЧ-колебаний, поэтому в макроскопическом масштабе времени включение прибора происходит мгновенно. Это дает возможность разрабатывать высоковольтные быстродействующие ключи для силовой электроники;

•                   промышленные электронные пушки с большой площадью пучка;

•                   низковольтные рентгеновские трубки с ВЧ-питанием.

* * *

1.       Рассмотренный механизм группировки электронов на основе одноэлектродного мулипактора позволяет развивать новый класс мощных СВЧ-усилителей – аленотронов, имеющих целый ряд преимуществ перед традиционными клистронами и ЛЕВ:

•                   отсутствие магнитной системы: малые размеры, масса, стоимость;

•                   отсутствие необходимости в высоковольтном модуляторе;

•                   высокий КПД (> 60%);

•          технологичность в производстве (зазор сетка-катод более 0,1 мм), простота настройки и ослабление проблем с токопрохождением;

•                   малые поперечные размеры – возможность применения в АФАР;

•                   потенциал продвижения в область высоких частот (мм-диапазон);

•          "мгновенное" время включения, отсутствие потребления мощности накала и распыления активного вещества, формоустойчивость электродов, высокий срок службы;

•                   возможно расширение полосы прибора до – 20% и более.

2.       Триодный вариант аленотрона (см. рис. 1, а) благодаря его потребительским качествам (малым габаритам, низкому напряжению питания, мгновенному времени готовности, отсутствию накала и магнитной системы) можно назвать вакуумным транзистором. По выходной мощности и надежности он может заметно превосходить полупроводниковые приборы.

Литература

1.        Нейман М. С. Курс радиопередающих устройств. М.: Сов. радио, 1958.

2.        Гвоздовер С. Д. Теория электронных приборов сверхвысоких частот. М.: ГИТТЛ, 1956.

3.        Быстрицкий Η. П. Магнетронные усилители (амплитроны). М.: Сов. радио, 1966.

4.        Vaughan J. R. М. // IEEE Trans. Electron Devices. 1988. V. 35. P. 1172.

5.        Mako F., Peter W. И Proc. Particle Accelerator Conf. 1993. P. 2702.

6.        Ryopoulos S., Chernin D., Dialetis D. H IEEE Trans. Electron Devices. 1997. V. 44. P. 489.

7.        Vance E. F. H Appl. Phys. 1963. V. 34. P. 32-37.

8.        Сливков И. H. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергоиздат, 1986. 256 с.

9.        Горшкова М. А., Нечаев В. Е. И Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42. С. 1097.

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