Т. А. Мишкин, М. І. Лопін, А. С. Побєдоносцев ДНВП “Істок”, Фрязіно

Ринок телевізійних передавачів в кінці 1980-х в – початку 1990-х рр. був свідком появи нового приладу – індуктивної вихідної лампи (ЮТ). Завдяки його високим характеристикам, лінійності, надійності і малим габаритам ЮТ знайшов широке застосування як потужний вихідний підсилювач дециметрового діапазону частот (470-860 МГц) в ТВ- передавачах.

ЮТ ​​був винайдений Хеффнером (США) в 1939 р Це був порівняно малопотужний прилад, тому, а також внаслідок підвищеного інтересу до ЛБХ і клістрон, роботи з ЮТ були припинені. Однак 43 роки потому подібний прилад був спроектований на новій технічній основі до вимог специфічного застосування (для потужних ТВ- передавачів дециметрового діапазону). Його розробники Прайст і Шредер з відділення Varian Eimac дали своєму приладу назву “клістрод”. Клістрод складається з декількох вузлів, які типові, з одного боку, тетроди, а з іншого – клістрон (рис. 1). Катод, сітка, анод і вхідний резонатор утворюють вузол, відповідний тетродной частини приладу і

Рис. 1. Структурна схема ЮТ-клістрода порушуваний вхідним сигналом. Електронний промінь, що виходить з сіткового вузла, модулюється по щільності завдяки ВЧ-полю в просторі катод – сітка. На відміну від динамічної угруповання електронів в клістроні такий режим називають модуляцією по струму. Вхідна частина клістрода працює в класі АВ, т. Е. Сітка знаходиться під негативним зміщенням, яке за абсолютною величиною трохи нижче напруги запирання. Цей режим характеризується високою лінійністю і хорошим ККД. Сітка ізольована від вхідного резонатора, що має потенціал землі, за допомогою блокувальних конденсаторів, які не перешкоджають протіканню ВЧ-струмів в резонаторі.

У просторі анод – сітка згустки електронів прискорюються до потенціалу анода. Потім вони надходять у вихідний резонатор і взаємодіють з його полем, віддаючи кінетичну енергію точно так само, як це має місце в традиційному клістроні. Для забезпечення миттєвої смуги (6-9 МГц), необхідної для передачі ТБ-сигналу, у вихідному каскаді клістрода використовується система з двох зв’язаних резонаторів. У лампі приладу є короткі труби дрейфу, розташовані до і після зазору вихідного резонатора. А від расфокусировки електронний пучок утримується магнітним полем. Відпрацьований пучок розсіюється в колекторі.

Досвід показує, що клістроди дозволяють отримати унікальні параметри для ТВ- передавачів дециметрового діапазону. Два ключові параметри формують основу успіху: високий FOM-фактор (показник якості – Ефективність при посиленні ТВ-сигналу) і висока лінійність.

FOM визначається відношенням вихідної потужності в режимі синхроимпульса до середньої потужності споживання. Витрати на електроенергію при експлуатації приладу обернено пропорційні величині FOM. У клістродах, обговорюваних тут, FOM в два рази вище значення, відповідного ТВ-клістрон, які не мають модулюючого анода. Характеристика посилення клістрода більш лінійна, ніж у клистрона. Це обіцяє великі перспективи при використанні клістродов для передачі сигналів не тільки аналогового ТБ (включаючи режим спільного – відео і звукового – посилення), але і цифрового ТБ, де вимоги до лінійності дуже високі.

Застосування відокремленого колектора в клістродах (на відміну від тетродов) дозволяє досягати дуже високих рівнів вихідної потужності.

Посилення розроблених ТВ-клістродов відносно невелике (21-22 дБ). Але це не перешкоджає їх широкому використанню в ТВ-обладнанні, оскільки потужності напівпровідникових предпідсилювачів останнім час значно зросли.

Одна з найважливіших переваг клістродов – малі розміри приладу при високих рівнях потужності, ККД і надійності. Вони відрізняються також великим терміном служби (понад 10000 годин). У ТВ-передавачах клістроди займають “нішу”, відповідну вихідної потужності 20 кВт і вище.

Сьогодні чотири західні компанії домінують на ринку клістродов – це EEV (Великобританія), Eimac-Varian (США), Thomson (Франція), Philips (Нідерланди). Найбільшим виробником клістродов сьогодні є EEV. До справжнього моменту сотні ТВ- передавачів у всьому світі використовують клістроди.

Перспективність використання клістродов для телебачення змушує розробників шукати нові шляхи поліпшення їх параметрів. У 1995-1998 роках фахівці ДНВП “Істок”, використовуючи багаторічний досвід розробок і виробництва багатопроменевих ламп (клистронов, ЛБХ), створили нову конструкцію потужного клістрода – многолучевой ЮТ. В основі многолучевого клістрода лежать ті ж принципи, які тут вже згадувалися.

Назвемо переваги використання многолучевой конструкції, які є підставою для розробки многолучевого клістрода:

1.       Зниження робочої напруги (традиційне для багатопроменевих конструкцій). З цього випливає зменшення габаритних розмірів і маси потужних джерел живлення, а також зменшення ймовірності руйнування останнього.

2.       Застосування металевих сіток невеликого діаметру, з тим щоб зробити конструкцію надійною в експлуатації, легкої та недорогостоящіх у виробництві.

3.       Можливість збільшення посилення клістрода. Це твердження потребує пояснення. Посилення клістрода може бути збільшено за рахунок зменшення ВЧ-поля в зазорі катод – сітка, величина якого близька до замикаючого напрузі сітки для режиму “В”. Однак при низькому ВЧ-напрузі зменшується струм приладу. Разом з тим, збільшення посилення може бути досягнуто при необхідному значенні вихідної потужності за рахунок підвищення площі катода. Загальна площа катода може бути збільшена за рахунок використання многолучевой конструкції. Зменшення напруги запирання було отримано шляхом використання сіткових структур, мають низьку проникність, іншими словами – високий статичний посилення.

4.       Можливість отримати високу вихідну потужність, наприклад 120 кВт, при досить низькій напрузі (25 кВ).

5.       При високої потужності і високої провідності, обумовленої низькою напругою многолучевого потоку, з’являється можливість використовувати тільки активний резонатор (без пасивного) у вихідному каскаді клістрода. Це дозволяє зробити конструкцію і настройку вихідний системи резонаторів більш простий.

6.       На основі многолучевой конструкції і безлічі рішень по всьому пристрою клістрода може бути розроблений прилад для ТБ, що має патентну “чистоту”. Це важливе міркування дозволяє вирішити можливість виробництва і продажу таких приладів в Росії і за кордоном.

Коли фахівці ДНВП “Істок” приступили до розробки многолучевой конструкції клістрода, публікацій по ньому, крім, можливо, добре відомої статті Прайста і Шредера 1982 року, не було. Рекламні проспекти Eimac-Varian і EEV (які ми тільки й мали в той час) не містили відповідей на відмітні особливості розрахунку, проектування, конструювання, технології виготовлення, відкачування, тренування, випробування, вирішення проблем ВЧ-розрядів (пробоїв) і безлічі інших аспектів розробки клістрода. Таким чином, на початку роботи ми зіткнулися з безліччю серйозних проблем, які повинні були практично вирішити за короткий час. Потреба конструювання такого многолучевого клістрода тільки ускладнювала ситуацію, оскільки безліч променів додавало ступінь свободи у виборі рішення. У цій статті вважаємо необхідне зупинитися на розгляді лише деяких проблем, що ускладнювали задачу найбільшою мірою, і методах їх подолання.

Наприклад, виявилося досить важким спроектувати катодного-сітковий вузол, так як многолучевой клістрод використовує імпрегноване катод, що має результуючий діаметр близько 60 мм і складається з 18 парціальних катодів (по числу променів). Даний катод має загальний підігрівач для всіх парціальних катодів. Проблема термомеханічної стабільності була вирішена завдяки використанню масивного сіткового держателя, на якому були змонтовані 18 молібденових сіточок. Анодно-сіткова характеристика, що забезпечує необхідні вихідні параметри клістрода, отримана в результаті обчислень та експериментальної вибірки всіх залучених параметрів, т. е. відстані катод – сітка (приблизно рівне 0,25 мм), радіусів кривизни катода і сітки, структури сітки, відстані анод – сітка і діаметра отвору в аноді.

Проблема отримання високого підсилення пов’язана з досягненням необхідного значення власних добротностей Q вхідного і вихідного резонаторів. На рис. 2 показані залежності посилення клістрода від зміни добротностей в межах частотної робочої смуги. При недостатній добротності вхідного резонатора частина потужності вхідного сигналу втрачається на стінках резонатора. Досягнуті сьогодні посилення многолучевого клістрода рівні 23-24,5 дБ. Це дуже хороший результат. За нашими оцінками, з досягненням розрахункових значень Q вхідного резонатора, і зокрема за рахунок поліпшення параметрів блокувального конденсатора, можна досягти посилення рівного 25-26 дБ.

Іншою проблемою є забезпечення високого токопрохождения в каналах приладу. Добре відомо, що безліч факторів впливає на проходження многолучевого пучка через канали – це діаметр променя у вхідному каналі, рівень поперечної складової магнітного поля в катодного полюсі, значення магнітного поля на катоді. У процесі роботи ми намагалися знайти рішення, використовуючи всі напрямки. Найбільш ефективним виявився шлях, пов’язаний із зменшенням магнітного поля на катоді до мінімуму, але це було непросто, оскільки була потрібна оптимізація фокусирующего магніту. Зрештою коефіцієнт токопрохождения приладу склав 98,5%.

І нарешті, коротко про вирішення проблеми, що відноситься до ВЧ-розрядам у вихідний системі резонаторів. Вона була серйозною перешкодою на першому етапі роботи, і ми вирішили її тільки завдяки використанню унікальною нерезонансних для робочої смуги частот 470-810 МГц петлі зв’язку між активним і пасивним резонаторами, що стало одним з найбільш важливих етапів розробки многолучевого клістрода.

Рис. 2. Залежність посилення клістрода від добротності вхідного і вихідного резонаторів в смузі робочих частот

У процесі роботи вирішені були й інші проблеми, все це разом визначило успіх: розроблені два типи багатопроменевих клістродов, що мають рідинну і повітряну системи охолодження колектора, спроектовані, відповідно, на 60 і 30 кВт потужності. Параметри цих приладів наведені в таблиці. FOM не показаний в таблиці, він дорівнює приблизно 120% для приладу потужністю 60 кВт. В цілому ці параметри досить гарні в порівнянні з однопроменевими клістродом.

Параметри багатопроменевих клістродов з рідинної та повітряної системами охолодження колектора

Параметри

Рідинна

Повітряна

1

2

3

Робочий діапазон частот, МГц

470-810

470-810

Вихідна потужність (синхроимпульс), кВт

60

30—40

Вихідна потужність (режим загального посилення), кВт

40 + 4,0

20 + 2,0 25 + 2,5

Мінімальний коефіцієнт підсилення, дБ

23

22

Напруга променя, кВ

26

20

Струм променя, А

3,9

3,0

Напруга зсувів на сітці, В

від-70 до-100

від -70 до -90

Напруга напруження, В

12,6

12,6

Струм розжарення, А

21

21

Напруга електромагніту, В

20

20

Струм електромагніту, А

10

9

1

2

3

Напруга електророзрядного насоса, кВ

від +3,0 до +4,0

3,0 до +4,0

Високочастотний вхід

Тип N

Тип N

Високочастотний вихід

378 дюйма

З1/ »Дюйма

50 Ω коаксиал

50 Ω коаксиал

Маса, кг

вхідний резонатор

26

26

вихідна резонаторна система

49,5

49,5

лампа

26,5

40,0

електромагнітний ансамбль

182,5

182,5

Витрата повітря для охолодження резонаторів і катодного вузла, м3/ Год

2,8

2,8

Витрата води для охолодження колектора, л / хв

38,0

Витрата повітря для охолодження колектора, м3/ Год

1000

Вхідна температура повітря, ° С (макс.)

45,0

Двічі за 1996-1998 роки многолучевой клістрод ГН1111 “Істок” демонструвався на міжнародній виставці ТВ-обладнання в Лас-Вегасі. Цей прилад викликав значний інтерес серед іноземних фахівців. У листопаді 1998 року наш прилад також був представлений на аналогічній виставці в Москві в російському Виставковому центрі.

Інженери ДНВП “Исток” розробили потужний многолучевой клістрод, оригінальний підсилювач ТВ-сигналів дециметрового діапазону, що має хороший набір параметрів.

В даний час многолучевой клістрод проходить випробування безпосередньо на спеціальному штатному ТВ-обладнанні. Ми проводимо переговори з російськими та іноземними виробниками передавачів для ТБ-обладнання, і доля багатопроменевих клтродов вітчизняного виробництва в майбутньому буде визначена в ході цих переговорів.

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