Е. А. Гвльвіч, Є. В. Жарий, А. Д. Закурдаев, В. І. Пугнін ДНВП “Істок”, Фрязіно

Введення

Ідея багатопроменевих клистронов (МЛК) була запропонована в СРСР і Франції ще в середині XX століття [1, 2, 3]. На початку 60-х років були проведені перші дослідження конкретних конструкцій МЛК в США [4], але лише після піонерських робіт С. А. Засмановского і

С. В. Корольова в СРСР в 1962-1963 рр. почався бурхливий розвиток цього напрямку електровакуумного приладобудування. Причина цього буму полягала в тому, що до того часу різко зросли вимоги до обсягу і точності інформації, переданої радіолокаційними сигналами і сигналами управління, які повною мірою могли бути задоволені тільки при використанні потужних підсилювальних СВЧ-приладів, що допускають амплитудную і фазокодовую маніпуляцію і частотну модуляцію сигналів при низькому і наднизькому рівні шумів. Однак існували потужні підсилювачі, однопроменеві клістрони і ЛЕВ, вимагали високих живлять напруг і мали великі габарити. І те й інше виявилося неприйнятним для пересувних і рухливих РЛС. Обидві ці проблеми вирішувалися застосуванням багатопроменевих клистронов [5]. Так, використання низьковольтного малогабаритного МЛК замість однопроменевого клистрона в літакової бортової РЛС дозволило зменшити вагу передавача в 4 рази. В даний час МЛК широко застосовується в найбільш сучасних рухливих, бортових і космічних системах локації, управління рухомими об’єктами, навігації, зв’язку. Гнучкість і відносна простота управління параметрами випромінюваного сигналу забезпечили переважне застосування МЛК в багатофункціональних радіотехнічних системах. Перспективно застосування МЛК і в народному господарстві, прискорювачах частинок різного призначення, включаючи медичні прискорювачі.

За рівнем вихідної потужності доцільно розділити розглядаються МЛК на три групи: МЛК з імпульсною потужністю більше 100 кВт і середньою потужністю понад 10 кВт (МЛК великої потужності), МЛК з імпульсною потужністю до 100 кВт і середньою потужністю до 5 кВт (МЛК середньої потужності) і ММЛК – малогабаритні (у тому числі мініатюрні) МЛК з імпульсною потужністю до одиниць кіловат і середньою потужністю до 1 кВт. Хоча це поділ до деякої міри умовно, оскільки в ньому не врахована залежність потужності від частоти підсилюються коливань, воно відображає істотно різні значення теплової енергії та еквівалентного опору електронного потоку, які визначають коло допустимих конструктивно-технологічних рішень, специфічних для кожної з груп.

За конструктивним виконанням МЛК можна розділити на дві групи [6, 7]: МЛК, що працюють на вищих видах коливань, і МЛК, що працюють на основному виді коливань резонаторів. У тих випадках, коли вимоги за величиною середньої потужності превалюють над вимогами широкосмугове ™, знаходять застосування МЛК першої групи. Оскільки, однак, МЛК першої групи істотно, майже на порядок, поступаються клістрон другої групи по досяжною ширині смуги підсилюються частот, найбільшого поширення набули МЛК, що працюють на основному виді коливань резонаторів. Усюди надалі, якщо це не обумовлено, ми будемо під МЛК увазі клістрони саме цієї другої групи.

Параметри і області застосування МЛК

Специфіка необхідних параметрів МЛК визначається областю їх застосування та конкретним призначенням. Однак є ряд загальних вимог, необхідних для більшості радіотехнічних засобів. До них слід віднести низький рівень живильних і модулирующих напруг, широку смугу підсилюються частот, максимально високий ККД, лінійність фазочастотних (ФЧХ) і амплітудно-частотних (АЧХ) характеристик, малий рівень внесених шумів, малі масогабаритні характеристики.

Низька напруга модуляції, широкополосность, лінійність ФЧХ і АЧХ створюють можливість забезпечити високу інформативність випромінюваного НВЧ-сигналу за рахунок його фазокодовой і амплітудної маніпуляції і частотної модуляції. Низькі модулирующие напруги дозволяють гнучко в широких межах змінювати тривалість (від 0,1 мікросекунди до одиниць мілісекунд) і частоту посилок (від сотень герц до сотень кілогерц) випромінюваного СВЧ-сигналу. Ці властивості МЛК в поєднанні з їх широкополосностью дозволяють створювати на їх основі багатофункціональні і багатоцільові РЛС.

Особливі вимоги висуваються до безперервно працюють багатоцільовим і багатофункціональним РЛС, наприклад, до аеродромних станціям виявлення і супроводу літаків. Оскільки будь-який збій у їхній роботі може призвести до втрати мети, виникає вимога відсутності пробоїв в МЛК в процесі його тривалої роботи. Як буде показано нижче, це вимога робить істотний вплив на потужності характеристики і широкополосность потужних МЛК.

Малогабаритні і мініатюрні МЛК знайшли широке застосування в літакових, космічних і носяться передавачах, особливо в короткій частині сантиметрового діапазону довжин хвиль, де МЛК масою до 500 г монтуються безпосередньо у обертову передавальну антену.

Особливе місце займають такі області застосування, як народне господарство і медичні прискорювачі заряджених частинок. Тут найважливішими параметрами стають низькі живлять напруги, високий ККД і велика (До десятків тисяч годин) довговічність.

Взагалі довговічність МЛК до останнього часу була “ахіллесовою п’ятою” цього класу приладів, особливо в короткохвильовій частині сантиметрового діапазону довжин хвиль. Пов’язано це з тим, що при багатопроменевому катоді практично неможливо реалізувати істотно сходиться пучок, не вдаючись до надзвичайно складною (а тому неприйнятною) конструкції електронно-оптичної системи. Тому, а також через принципово великих анодних струмів, щільність отбираемого з катода струму в МЛК набагато перевищує значення цього параметра в однопроменевих клістронах при тій же вихідній потужності, досягаючи 40 А / см2 в імпульсі.

Проте створені в останні роки високоеміссіонние довговічні катоди [8], а також роботи з відпрацювання технології виготовлення та режимів застосування МЛК дозволили знайти шляхи вирішення проблеми довговічності багатопроменевих клистронов.

Маса і габарити однопроменевих клистронов визначаються в основному його магнітної фокусує системою. Як правило, маса магніта в однопроменевому клістроні в 4-10 разів перевищує масу самого клистрона. Виконані дослідження показали, що конструкція МЛК на основному виді коливань резонатора дозволяє істотно, до 10 разів і більше, зменшити масу магніту і клистрона в порівнянні з однопроменевими аналогами [5]. Це обумовлюється низьким первеансом парціальних пучків в МЛК і зменшенням сумарної довжини труб дрейфу клистрона. Важливо відзначити, що перехід до багатопроменевим конструкціям не тільки дозволяє миниатюризировать клістрон, але і забезпечує зниження маси і габаритів всього обладнання, включаючи джерело живлення клістрона.МЛК великої потужності для радіотехнічних застосувань

У цьому розділі розглядаються потужні широкосмугові МЛК, що задовольняють наступного комплексу параметрів:

– Діапазон робочих довжин хвиль – 3-15 см;

– Смуга робочих частот – «200 МГц у всьому діапазоні довжин хвиль, що становить від 2 до 10% залежно від довжини хвилі;

вихідна імпульсна потужність – не менше 100 кВт; вихідна середня потужність – 10-20 кВт;

– Тривалість імпульсу – від 0,1 мкс до 1-2 мс; шпаруватість – від 10 до 50;

– Напруга променя і модуляції має бути мінімальним для забезпечення можливості отримання малих габаритів і можливості роботи з високою частотою проходження імпульсів.

Для приладів цієї групи, як правило, пред’являється жорстку вимогу відсутності пробоїв протягом тривалого (до 10 годин і більше) часу безперервної роботи в штатному режимі і при включенні. Ця вимога накладає обмеження на гранично допустиму

величину напруженості постійного електричного поля між катодом і сіткою (Еск) І сіткою і анодом (Еса). Можна показати [9], що ці обмеження визначають також граничну величину підводиться до МЛК потужності. Розрахункові методи визначення граничних значень Еск і Еса поки невідомі, проте, як показала практика розробки приладів, вони лежать в інтервалі від 5 до 7 кВ / мм. Для особливо відповідальних застосувань небажано істотно перевищувати нижню межу цього інтервалу.

Рис. 1. Результати розрахунку максимально потужності, що підводиться Ро при обмеженні щільності струму катода 0 = 15 А / см2), Сумарному мікропервеансе не більше 10 мк А / В ^/2 для різних напруженостей електричного поля в міжелектродних проміжках.

Підводиться до клістрон потужність обмежена також допустимою величиною мікропервеанса і гранично допустимою величиною щільності струму на катоді. Перше обмеження пов’язане з можливістю збудження паразитних коливань в клістроні, а друга визначається необхідною довговічністю приладу. Рекомендовані граничні значення цих величин рівні, відповідно, 10 мкА / В3/2 і, при сучасному рівні технології виготовлення приладів, 15 А / см2 [9]. Межа по підводиться до клістрон потужності, в свою чергу, накладає обмеження на величину досяжною в клістроні смуги підсилюються частот.

Представляє інтерес порівняння ступеня впливу розглянутих вище факторів на максимально допустиму потужність, що підводиться у всьому діапазоні довжин хвиль. На взятому з роботи [9] рис. 1 наведені результати розрахунку максимально потужності, що підводиться Ро при обмеженні щільності струму катода (/ = 15 А / см2), Сумарному мікропервеансе не більше 10 мкА / В3/2 і результати розрахунку Ро для напруженостей електричного поля 5, 7, 9 кВ / мм в міжелектродних проміжках. Там же показана розрахункова смуга МЛК, відповідна максимальної величини Ρο-

Чинником, що обмежує потужність, що підводиться МЛК в довгохвильовому ділянці діапазону при заданій напрузі променя, є допустимий сумарний первеанс променів. У цій ділянці діапазону обмеження по смузі МЛК практично немає. У короткохвильовому ділянці максимальна потужність, що підводиться обмежена електричною міцністю МЛК і припустимою щільністю струмів катода. Для напруженості електричного поля Еск = 7 кВ / мм максимальна потужність, що підводиться практично збігається з потужністю, розрахованої при обмеженні j = 15 А / см2. У цьому випадку при максимально можливої ​​потужності, що підводиться в діапазоні довжин хвиль 3-5 см неможливо забезпечити смугу посилення 200 МГц.

При напруженості електричного поля Еск = 5 кВ / мм максимальна потужність, що підводиться обмежена в короткохвильовому діапазоні довжин хвиль, головним чином, напруженістю електричного поля.

У табл. 1 наведено ряд розроблених в ДНВП “Істок” МЛК великої потужності з резонаторами на основному виді коливань [9].

Таблиця 1

Параметри

КВУ-214-10

КВУ-214-4

КВУ-214-3

КВУ-214-2

КВУ-214-1

Довжина хвилі, см

3

5,5

7

10

15

Подводимая імпульсна потужність, кВт

400

720

1100

1650

2010

Напруга променя, кВ

24

24

29

31

32

Напруга модуляції, кВ

5

4,5

6

6

5,7

Вихідна імпульсна потужність, кВ

120

200

500

600

800

Вихідна середня потужність, кВ

3

І

17

12

14

Смуга,%

2

3,5

4,5

6,5

10

Число променів

15

24

24

36

36

Маса, кг *

10

20

20

25

32

j кап А / СМ

21

13

16

11,6

11

* Без маси магніту.

Як видно з табл. 1, на довжині хвилі 3 см при смузі посилення 200 МГц вдалося отримати вихідну потужність в імпульсі тільки 120 кВт (при 3 кВт середньої потужності), що знаходиться в повній відповідності з наведеними вище результатами досліджень.

Завдання отримання вихідної потужності в 3-сантиметровому діапазоні більше 200 кВт в імпульсі при 15-20 кВт середньої потужності в звуженої втричі смузі частот була вирішена в ДНВП “Істок” Ю. А. Ковальовим в багатопроменевому клістроні, працюючому на вищому вигляді коливань шестипроменевої системи резонатора. Клістрон працює при анодній напрузі 24-26 кВ. Величина керуючого напруги, рівна в цьому клістроні 5,5 кВ, дозволяє змінювати тривалість імпульсу від десятих часток до сотень мікросекунд при шпаруватості Q> 10. Клістрон працює в системі розсувних постійних магнітів.

Одним із шляхів збільшення вихідної потужності МЛК в короткохвильовій частині сантиметрового діапазону (λ <4 см) при збереженні широкосмугових можливостей МЛК, що працюють на основному виді коливань резонаторів, є гібридна конструкція – МЛК з резонаторами, що працюють на вищому вигляді коливань, в яких кожна прольотна труба в кожному резонаторі багатопроменева [9, 10].

Реалізація цієї ідеї на практиці повністю себе виправдала: при смузі 2% отримана вихідна потужність 200 кВт [11]). При цьому повністю зберігається перевага многолучевой конструкції по малому рівню шумів поблизу несучої частоти.Імпульсние МЯК середньої потужності

3-                  В останні роки теоретично і експериментально показана можливість створення МЛК з вихідною імпульсною потужністю до 100 кВт та середньої вихідною потужністю до 5 кВт з широкою смугою посилення і бестоковую керуючим електродом для імпульсної модуляції [11]. Розроблено ряд клистронов в 3-сантиметровому діапазоні довжин хвиль із смугою посилення порядку 6% і вихідний імпульсною потужністю від 20 до 70 кВт при середній вихідної потужності не менше 3 кВт. Маса таких клистронов (з магнітами) не більше 16 кг, робоча напруга катода 11-13 кВ, напруга керуючого електрода 2,5-3 кВ. У клістронах використовувалися трехзазорний вихідний резонатор і трехсвязная вихідна система. Группірователь складається з дев’яти однозазорних резонаторів. Використовувалася 24-променева електронна оптична система. Характерні АЧХ клистронов, у тому числі при впливі дестабілізуючих факторів, наведено на рис. 2. На рис. 3 представлена ​​АЧХ при підвищеній вихідної потужності для [4 = 13 кВ при первеансе 8,3 мкА / В3/2, Вхідна потужність Рвх = 1 Вт При цьому токопрохождения в статичному режимі становить 95%, а в динамічному – 90%.

Рвих, кВт

Аналогічні дослідження, проведені в 2-сантиметровому діапазоні, привели до створення МЛК, в яких досягнута вихідна імпульсна потужність до 30 кВт при середній вихідної потужності 1,5 кВт і смузі посилення не менше 2%. На відміну від попередніх в цих МЛК застосований двухзазорний вихідний резонатор. З урахуванням конструктивно-технологічних факторів оптимальне число променів прийнято рівним 15. Напруга катода 14 кВ при модулирующем напрузі 3,8 кВ. Маса такого клистрона разом з магнітами не перевищує 8 кг. АЧХ для двох примірників клистронов цього типу представлена ​​на рис. 4.

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

Коефіцієнт посилення розроблених МЛК обох діапазонів порядку 40 дБ. Охолодження – рідинне примусове.

Такі МЛК дозволяють отримати низький рівень внесених шумів завдяки відносно невеликій фазової довжині резонатора системи, що забезпечує крутизну фазової характеристики 15 ° на 1% зміни напруги анода.

Розробки проводилися під керівництвом Є. В. Жарого і Л. М. Борисова.

Малогабаритні і мініатюрні МЛК для бортових систем

Для бортових передавачів радіосистем різного призначення (РЛС, відповідачі, навігація, зв’язок) потрібні малогабаритні джерела СВЧ, в основному короткохвильової частини сантиметрового діапазону довжин хвиль. В залежності від призначення рівень потужності змінюється від одиниць ват до 1 кВт. Незважаючи на відносно невелику абсолютну величину вихідної потужності, щільність виділяється на мініатюрних елементах ММЛК теплової енергії порівнянна (а іноді й перевищує) з тепловими навантаженнями приладів великої потужності. Виникаючі при цьому проблеми вимагають розробки неординарних конструктивних рішень.

Необхідна ширина смуги робочих частот становить 50-200 МГц при високому коефіцієнті посилення 35-45 дБ. Клістрони повинні мати високу стійкість до механічних і температурних навантажень. Як правило, ці навантаження характеризуються вібрацією з прискоренням до 20 g при частоті вібрації до 2000 Гц, ударами до 150 g, перепадами температур від -60 ° С до + 80 ° С.

Створення приладів, що відповідають сукупності всіх перерахованих вище вимог, вимагало проведення великого обсягу дослідних, технологічних та конструкторських робіт, які були розпочаті С. В. Корольовим, а потім протягом ряду років проводилися і ведуться А. Д. Закурдаєва. Їх результатом стало створення серії ММЛК для бортових систем найрізноманітнішого призначення. Деякі з них представлені в табл. 2.

Таблиця 2

п / п

/ О, ГГЦ

Рімпа, Вт

А / МГц

Доу, ДБ

Шпаруватість 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

* Маса, включаючи масу самарій-кобальтової магнітної системи.

Охолодження ММЛК контактне, шляхом відведення тепла на елементи конструкції апаратури. ММЛК, як правило, мають 6-резонаторних систему. У деяких випадках (наприклад, ММЛК № 4 та 7 в табл. 2) вхідний і вихідний активні резонатори двухзазорние, зі зрушенням фаз між зазорами π. Широкосмугові ММЛК мають в якості вихідного пристрою двухсвязанние фільтрові системи. На рис. 5 наведено типові АЧХ ММЛК № 4 і 7.

Рис. 5. АЧХ клистронов при постійній Рвх: А – клістрон № 4, б – клістрон № 7.

Проведеними дослідженнями показана особлива роль вторинно-електронного резонансу (ВЕР) в ММЛК, особливо легко виникає в його мініатюрних резонаторних системах. ВЕР в своїй початковій стадії є джерелом шумів, а при розвитку обмежує коефіцієнт посилення клистрона. Тому при створенні ММЛК особлива увага приділялася розробці конструктивних рішень, що виключають можливість виникнення ВЕР. Тим же цілям, а також забезпеченню високої теплостійкості клистронов, служить досягнення високого токопрохоенія. Воно складає 96-98% в статичному і 85-90% в динамічному режимі.

Особливою вимогою до ММЛК є повна відсутність пробоїв в умовах впливу жорстких механічних навантажень. Для їх виключення була розроблена оригінальна методика внутрівакуумной обробки поверхонь ММЛК не тільки постійним високою напругою, але і СВЧ-полями великої напруженості на робочих частотах приладів. Гарантована довговічність розроблених ММЛК (за винятком приладу № 3 в табл. 1) лежить в межах 1500-3000 год. Прилади володіють малим часом готовності (менше 1 хв з холодного стану), а час готовності приладів типу № 3 становить менше 15 с.

МЯК для промислових і медичних застосувань

Повільно, але неухильно зростає використання СВЧ-енергії в промисловості. До теперішнього часу в якості джерела НВЧ-енергії в промисловості та медичних прискорювачах застосовуються в основному магнетрони. Хоча клістрони мають суттєву перевагу по довговічності, можуть забезпечувати більшу вихідну потужність, особливо на високих частотах, менші рівні побічних випромінювань, тим не менш висока напруга анода, властиве однопроменевими клістрон, що викликає великі екпслуатаціонние і конструктивні труднощі, зробило їх неконкурентоспроможними в порівнянні з магнетронами.

Поява МЛК радикально змінює ситуацію: МЛК перевершують магнетрони по вихідної потужності, особливо в сантиметрових діапазонах, по довговічності (більш ніж на порядок), надійності, характеристикам електромагнітної системи і при цьому вимагають більш низьких (!) живлячих напруг, ніж магнетрони. Крім того, вони мають не менший ККД і можуть надійно працювати на рассогласованное навантаження. Типовим прикладом можливостей МЛК цього типу є клістрон “Комора”, що працює на частоті 2,45 ГГц з мінімальною безперервної потужністю 25 кВт, ККД більше 65% і при катодному напрузі 8 кВ. Довговічність клистрона – більш 20000 годин.

* * *

З наведеного короткого огляду очевидно, що багатопроменеві клістрони міцно зайняли місце в широкому спектрі різних застосувань. Більше того, різке зменшення маси, габаритних характеристик і живлять напруг потужних НВЧ-підсилювачів, що сталося з появою МЛК, стимулювало виникнення і розвиток нового напряму в СВЧ- електроніці – потужних комплексірованние СВЧ-виробів, в свою чергу призвели до прориву у створенні новітніх радіотехнічних систем.

Найближчими напрямками подальшого розвитку МЛК, на нашу думку, слід вважати розширення смуги підсилення, особливо в короткохвильовій частині сантиметрового діапазону, підвищення ККД і довговічності, створення надпотужних МЛК для перспективних прискорювачів заряджених частинок.

Література

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

2.        Пат. 992853 (Франція). Багатопроменевий прилад, 1944.

3.        Зусмановського С. А. А.С. 155556 СРСР, 1955.

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

5.        Корольов С. В. Про одну можливості зменшення ваги і габаритів прогонових клистронов // Електронна техніка. Сер. 1. Електроніка СВЧ. 1968. Вип. 9. С. 176-179.

6.        Gelvich Е. A., Borisov L. М., Zhary Е. V., Zakurdayev AD, Pobedonostzev AS, 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.        Пугнін В. І Оцінка граничної потужності МЛК з резонаторами на основному виді коливань для сучасних РЛС // Радіотехніка. 2000. № 2. С. 43-50.

10.     Борисов Л. М., Гел’віч Е. А., Жарий Є. В., Закурдаев А. Д., Побєдоносцев А. С., Пугнін В. І. та ін. Потужні багатопроменеві електровакуумні підсилювачі НВЧ // Електронна техніка. Сер. 1. СВЧ-техніка. 1993. Вип. 1. С. 12-20.

Гел’віч Е. А., Лопін М. І. СВЧ-підсилювачі середньої та великої потужності нового покоління // Радіотехніка. 1999. №4. С. 18-31.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.