МОЩНЫЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОД ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАТЧИКОВ ДЕЦИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

December 8, 2014 by admin Комментировать »

Т. А. Мишкин, М. И. Лопин, А. С. Победоносцев ГНПП "Исток", Фрязино

Рынок телевизионных передатчиков в конце 1980-х в – начале 1990-х гг. был свидетелем появления нового прибора – индуктивной выходной лампы (ЮТ). Благодаря его высоким характеристикам, линейности, надежности и малым габаритам ЮТ нашел широкое применение как мощный выходной усилитель дециметрового диапазона частот (470-860 МГц) в ТВ- передатчиках.

ЮТ был изобретен Хэффнером (США) в 1939 г. Это был сравнительно маломощный прибор, поэтому, а также вследствие повышенного интереса к ЛБВ и клистронам, работы по ЮТ были прекращены. Однако 43 года спустя подобный прибор был спроектирован на новой технической основе с требованиями специфического применения (для мощных ТВ- передатчиков дециметрового диапазона). Его разработчики Прайст и Шредер из отделения Varian Eimac дали своему прибору название "клистрод". Клистрод состоит из нескольких узлов, которые типичны, с одной стороны, тетродам, а с другой – клистронам (рис. 1). Катод, сетка, анод и входной резонатор образуют узел, соответствующий тетродной части прибора и

Рис. 1. Структурная схема ЮТ-клистрода возбуждаемый входным сигналом. Электронный луч, выходящий из сеточного узла, модулируется по плотности благодаря ВЧ-полю в пространстве катод – сетка. В отличие от динамической группировки электронов в клистроне такой режим называют модуляцией по току. Входная часть клистрода работает в классе АВ, т. е. сетка находится под отрицательным смещением, которое по абсолютной величине несколько ниже напряжения запирания. Этот режим характеризуется высокой линейностью и хорошим КПД. Сетка изолирована от входного резонатора, имеющего потенциал земли, посредством блокировочных конденсаторов, не препятствующих протеканию ВЧ-токов в резонаторе.

В пространстве анод – сетка сгустки электронов ускоряются до потенциала анода. Затем они поступают в выходной резонатор и взаимодействуют с его полем, отдавая кинетическую энергию точно так же, как это имеет место в традиционном клистроне. Для обеспечения мгновенной полосы (6-9 МГц), необходимой для передачи ТВ-сигнала, в выходном каскаде клистрода используется система из двух связанных резонаторов. В лампе прибора имеются короткие трубы дрейфа, располагающиеся до и после зазора выходного резонатора. А от расфокусировки электронный пучок удерживается магнитным полем. Отработанный пучок рассеивается в коллекторе.

Опыт показывает, что клистроды позволяют получить уникальные параметры для ТВ- передатчиков дециметрового диапазона. Два ключевых параметра формируют основу успеха: высокий FOM-фактор (показатель качества – эффективность при усилении ТВ-сигнала) и высочайшая линейность.

FOM определяется отношением выходной мощности в режиме синхроимпульса к средней мощности потребления. Расходы на электроэнергию при эксплуатации прибора обратно пропорциональны величине FOM. В клистродах, обсуждаемых здесь, FOM в два раза выше значения, соответствующего ТВ-клистронам, не имеющим модулирующего анода. Характеристика усиления клистрода более линейна, чем у клистрона. Это обещает большие перспективы при использовании клистродов для передачи сигналов не только аналогового ТВ (включая режим общего – видео и звукового – усиления), но и цифрового ТВ, где требования к линейности очень высоки.

Применение отделенного коллектора в клистродах (в отличие от тетродов) позволяет достигать очень высоких уровней выходной мощности.

Усиление разработанных ТВ-клистродов относительно невелико (21-22 дБ). Но это не препятствует их широкому использованию в ТВ-оборудовании, поскольку мощности полупроводниковых предусилителей в последнее время значительно возросли.

Одно из важнейших преимуществ клистродов – малые размеры прибора при высоких уровнях мощности, КПД и надежности. Они отличаются также большим сроком службы (более 10000 часов). В ТВ-передатчиках клистроды занимают "нишу", соответствующую выходной мощности 20 кВт и выше.

Сегодня четыре западные компании доминируют на рынке клистродов – это EEV (Великобритания), Eimac-Varian (США), Thomson (Франция), Philips (Нидерланды). Крупнейшим производителем клистродов сегодня является EEV. К настоящему моменту сотни ТВ- передатчиков во всем мире используют клистроды.

Перспективность использования клистродов для телевидения заставляет разработчиков искать новые пути улучшения их параметров. В 1995-1998 годах специалисты ГНПП "Исток", используя многолетний опыт разработок и производства многолучевых ламп (клистронов, ЛБВ), создали новую конструкцию мощного клистрода – многолучевой ЮТ. В основе многолучевого клистрода лежат те же принципы, которые здесь уже упоминались.

Назовем преимущества использования многолучевой конструкции, которые являются основанием для разработки многолучевого клистрода:

1.       Снижение рабочего напряжения (традиционное для многолучевых конструкций). Из этого следует уменьшение габаритных размеров и массы мощных источников питания, а также уменьшение вероятности разрушения последнего.

2.       Применение металлических сеток небольшого диаметра, с тем чтобы сделать конструкцию надежной в эксплуатации, легкой и недорогостоящей в производстве.

3.       Возможность увеличения усиления клистрода. Это утверждение нуждается в пояснении. Усиление клистрода может быть увеличено за счет уменьшения ВЧ-поля в зазоре катод – сетка, величина которого близка к запирающему напряжению сетки для режима "В". Однако при низком ВЧ-напряжении уменьшается ток прибора. Вместе с тем, увеличение усиления может быть достигнуто при необходимом значении выходной мощности за счет повышения площади катода. Общая площадь катода может быть увеличена за счет использования многолучевой конструкции. Уменьшение напряжения запирания было получено путем использования сеточных структур, имеющих низкую проницаемость, другими словами – высокое статическое усиление.

4.       Возможность получить высокую выходную мощность, например 120 кВт, при довольно низком напряжении (25 кВ).

5.       При высокой мощности и высокой проводимости, обусловленной низким напряжением многолучевого потока, появляется возможность использовать только активный резонатор (без пассивного) в выходном каскаде клистрода. Это позволяет сделать конструкцию и настройку выходной системы резонаторов более простой.

6.       На основе многолучевой конструкции и множества решений по всему устройству клистрода может быть разработан прибор для ТВ, имеющий патентную "чистоту". Это важное соображение позволяет решить возможность производства и продажи таких приборов в России и за рубежом.

Когда специалисты ГНПП "Исток" приступили к разработке многолучевой конструкции клистрода, публикаций по нему, кроме, возможно, хорошо известной статьи Прайста и Шредера 1982 года, не было. Рекламные проспекты Eimac-Varian и EEV (которые мы только и имели в то время) не содержали ответов на отличительные особенности расчета, проектирования, конструирования, технологии изготовления, откачки, тренировки, испытания, решения проблем ВЧ-разрядов (пробоев) и множества других аспектов разработки клистрода. Таким образом, в начале работы мы столкнулись с множеством серьезных проблем, которые должны были практически решить за короткое время. Потребность конструирования такого многолучевого клистрода только усложняла ситуацию, так как множество лучей добавляло степень свободы в выборе решения. В настоящей статье считаем необходимым остановиться на рассмотрении лишь некоторых проблем, усложнявших задачу в наибольшей степени, и методах их преодоления.

Например, оказалось довольно трудным спроектировать катодно-сеточный узел, так как многолучевой клистрод использует импрегнированный катод, имеющий результирующий диаметр около 60 мм и состоящий из 18 парциальных катодов (по числу лучей). Данный катод имеет общий подогреватель для всех парциальных катодов. Проблема термомеханической стабильности была решена благодаря использованию массивного сеточного держателя, на котором были смонтированы 18 молибденовых сеточек. Анодно-сеточная характеристика, обеспечивающая необходимые выходные параметры клистрода, получена в результате вычислений и экспериментальной выборки всех вовлеченных параметров, т. е. расстояния катод – сетка (приблизительно равное 0,25 мм), радиусов кривизны катода и сетки, структуры сетки, расстояния анод – сетка и диаметра отверстия в аноде.

Проблема получения высокого усиления связана с достижением необходимого значения собственных добротностей Q входного и выходного резонаторов. На рис. 2 показаны зависимости усиления клистрода от изменения добротностей в пределах частотной рабочей полосы. При недостаточной добротности входного резонатора часть мощности входного сигнала теряется на стенках резонатора. Достигнутые сегодня усиления многолучевого клистрода равны 23-24,5 дБ. Это очень хороший результат. По нашим оценкам, с достижением расчетных значений Q входного резонатора, и в частности за счет улучшения параметров блокировочного конденсатора, можно достичь усиления равного 25-26 дБ.

Другой проблемой является обеспечение высокого токопрохождения в каналах прибора. Хорошо известно, что множество факторов влияет на прохождение многолучевого пучка через каналы – это диаметр луча во входном канале, уровень поперечной составляющей магнитного поля в катодном полюсе, значение магнитного поля на катоде. В процессе работы мы пытались найти решение, используя все направления. Наиболее эффективным оказался путь, связанный с уменьшением магнитного поля на катоде до минимума, но это было непросто, так как требовалась оптимизация фокусирующего магнита. В конечном итоге коэффициент токопрохождения прибора составил 98,5%.

И наконец, коротко о решении проблемы, относящейся к ВЧ-разрядам в выходной системе резонаторов. Она была серьезнейшим препятствием на первом этапе работы, и мы решили ее только благодаря использованию уникальной нерезонансной для рабочей полосы частот 470-810 МГц петли связи между активным и пассивным резонаторами, что стало одним из наиболее важных этапов разработки многолучевого клистрода.

Рис. 2. Зависимость усиления клистрода от добротности входного и выходного резонаторов в полосе рабочих частот

В процессе работы решены были и другие проблемы, все это вместе определило успех: разработаны два типа многолучевых клистродов, имеющих жидкостную и воздушную системы охлаждения коллектора, спроектированные, соответственно, на 60 и 30 кВт мощности. Параметры этих приборов приведены в таблице. FOM не показан в таблице, он равен приблизительно 120% для прибора мощностью 60 кВт. В целом эти параметры довольно хороши в сравнении с однолучевым клистродом.

Параметры многолучевых клистродов с жидкостной и воздушной системами охлаждения коллектора

Параметры

Жидкостная

Воздушная

1

2

3

Рабочий диапазон частот, МГц

470-810

470-810

Выходная мощность (синхроимпульс), кВт

60

30—40

Выходная мощность (режим общего усиления), кВт

40 + 4,0

20 + 2,0 25 + 2,5

Минимальный коэффициент усиления, дБ

23

22

Напряжение луча, кВ

26

20

Ток луча, А

3,9

3,0

Напряжение смещений на сетке, В

от-70 до-100

от -70 до -90

Напряжение накала, В

12,6

12,6

Ток накала, А

21

21

Напряжение электромагнита, В

20

20

Ток электромагнита, А

10

9

1

2

3

Напряжение электроразрядного насоса, кВ

от +3,0 до +4,0

3,0 до +4,0

Высокочастотный вход

Тип N

Тип N

Высокочастотный выход

378 дюйма

З1/» дюйма

50 Ω коаксиал

50 Ω коаксиал

Масса, кг

входной резонатор

26

26

выходная резонаторная система

49,5

49,5

лампа

26,5

40,0

электромагнитный ансамбль

182,5

182,5

Расход воздуха для охлаждения резонаторов и катодного узла, м3

2,8

2,8

Расход воды для охлаждения коллектора, л/мин

38,0

Расход воздуха для охлаждения коллектора, м3

1000

Входная температура воздуха, °С (макс.)

45,0

Дважды за 1996-1998 годы многолучевой клистрод ГН1111 "Исток" демонстрировался на международной выставке ТВ-оборудования в Лас-Вегасе. Этот прибор вызвал значительный интерес среди иностранных специалистов. В ноябре 1998 года наш прибор также был представлен на аналогичной выставке в Москве в российском Выставочном центре.

Инженеры ГНПП "Исток" разработали мощный многолучевой клистрод, оригинальный усилитель ТВ-сигналов дециметрового диапазона, имеющий хороший набор параметров.

В настоящее время многолучевой клистрод проходит испытания непосредственно на специальном штатном ТВ-оборудовании. Мы проводим переговоры с российскими и иностранными изготовителями передатчиков для ТВ-оборудования, и судьба многолучевых клтродов отечественного производства в будущем будет определена в ходе этих переговоров.

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

Оставить комментарий

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