ВЫСОКОВОЛЬТНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ГЕНЕРАТОРА

Изобретение относится к области импульсной техники, а именно к высоковольтным импульсным источникам электропитания сверхвысокочастотных (СВЧ) прямопролетных генераторов и усилителей.

При разработке современных электровакуумных СВЧ-приборов типа ЛБВ (лампа бегущей волны), ЛОВ (лампа обратной волны) и клистронов особое внимание уделяется повышению их технического КПД, уменьшению тепловой нагрузки на коллектор и сокращению его размеров. Использование явления рекуперации [Астайкин А.И., Воронина Л.В., Липатов А.Ф., Профе В.Б. Вакуумная микроволновая электроника, Саров 2011] открывает пути решения этих проблем за счет торможения "отработанных" электронов в области коллектора. Рекуперация, особенно в условиях ограничения энергопотребления со стороны системы питания, например, в системах космической связи, давно завоевала признание, находит широкое применение и является нормой в конструкциях классических ЛБВ.

Достижения в создании современных мощных импульсно-периодических СВЧ-приборов и выход их на уровень практического применения однозначно требует существенного повышения их КПД и соответствующего снижения потребления энергии от первичной сети. В отличие от классических аналогов обеспечить применение рекуперации энергии электронного пучка в релятивистских источниках микроволнового излучения технически гораздо сложнее.

В классических СВЧ-устройствах, которые функционируют в непрерывном режиме с уровнями напряжений не более нескольких десятков киловольт, режим работы с рекуперацией обеспечивается за счет введения в состав системы питания дополнительного источника, включаемого последовательно или параллельно с основным, который питает электронную пушку. Известно применение в мощной ЛБВ отдельного источника тока для питания коллектора с рекуперацией [Клэмпитт Л. Мощные электровакуумные приборы СВЧ. Издательство «Мир», Москва. 1974, стр. 60-61, 1]. В мощных клистронных генераторах или ЛБВ, работающих в импульсном режиме с уровнем ускоряющих напряжений сотни киловольт с токами в единицы килоампер, применение второго достаточного мощного импульсно-периодического генератора высоковольтных импульсов со своими системами зарядки и синхронизации достаточно проблематично и приводит к увеличению общей энергоемкости и массогабаритных характеристик.

В [Гинзбург В.Е., Овчаров В.Т. Экспериментальное исследование электронных пучков в коллекторе. Электронная техника. Серия 1. Техника СВЧ. Научно-технический сборник №5, г. Фрязино Московской обл., 1968. стр. 59-67, 2] описана высоковольтная система электропитания макета сверхвысокочастотного генератора с рекуперацией энергии электронного пучка, в котором питание электронной пушки и подача тормозящего потенциала на коллектор с рекуперацией происходит от единого источника питания. Причем понижение потенциала, подаваемого на коллектор, осуществляется с помощью включенного в схему питания дополнительного сопротивления. Такая схема допустима для экспериментальных исследований низковольтных маломощных генераторов с непрерывным режимом работы. Недостатки системы электропитания прототипа при переходе к мощным СВЧ-генераторам связаны с невозможностью повышения КПД в этом случае и увеличением массогабаритных характеристик.

Задача состоит в применении рекуперации в мощных импульсных СВЧ-генераторах и усилителях с целью повышения КПД без увеличения массогабаритных характеристик.

Технический результат состоит в повышении КПД при снижении массогабаритных характеристик устройства в целом из-за снижения тепловой нагрузки на коллектор вследствие возврата части энергии в высоковольтный источник питания.

Данный технический результат достигается за счет того, что в отличие от высоковольтной системы электропитания сверхвысокочастотного генератора с рекуперацией энергии электронного пучка, содержащей единый импульсный источник, обеспечивающий питание электронной пушки и коллектора сверхвысокочастотного генератора, в предложенной системе в качестве импульсного источника питания использован многокаскадный генератор импульсного напряжения (ГИН), причем емкость каскадов умножения напряжения ГИН, к которым подключен коллектор, выбрана меньшей, чем емкость остальных каскадов умножения напряжения ГИН.

Выбор ГИН в качестве импульсного источника питания является определяющим. Снижение энергопотребления сверхвысокочастотным генератором с предлагаемой схемой электропитания пушки и коллектора с рекуперацией происходит за счет снижения величины накопительной емкости каскада ГИН и, как следствие, снижение затрат энергии на ее зарядку до номинального напряжения. При этом возврат за счет рекуперации части энергии в каскад, подключенный коллектору, обеспечивает сохранение выходной СВЧ-энергии на прежнем уровне. Выигрыш от применения рекуперации (повышение КПД) тем больше, чем больше снижена емкость каскада, подключенного к коллектору, при сохранении неизменной энергии СВЧ-излучения. При большом количестве каскадов умножения напряжения в генераторе высоковольтных импульсов тормозящий потенциал на коллектор может подаваться с каскада, номер которого относительно первого каскада (последним считается каскад, подключенный к электронной пушке), оптимален с точки зрения КПД СВЧ-генератора в целом. При этом все каскады ГИН, начиная с первого и до подключенного к коллектору, имеют уменьшенную емкость.

На чертежах изображена схематично изображена высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора, где 1 - генератор импульсных напряжений (ГИН): 2 - анод электронной пушки: 3 - катод электронной пушки: 4 - электродинамическая структура: 5 - коллектор: 6-8 - первый, второй, третий соответственно каскады умножения напряжения ГИН.

В качестве примера заявленной системы приведена схема (представлена на фиг.) подачи ускоряющего напряжения от единого трехкаскадного импульсного источника питания - генератора импульсного напряжения (ГИН) 1 на электронную пушку СВЧ-генератора клистронного типа, состоящую из анода 2, катода 3, электродинамической структуры 4, со второго и третьего каскадов умножения напряжения ГИН 7, 8 и на коллектор 5 с первого каскада умножения напряжения ГИН 6. Следует отметить, что каскады ГИН (6, 7, 8) построены на основе искусственных формирующих линий в виде LC-цепочек. При этом величина емкостей С1 первого каскада, к которому подключен коллектор, меньше емкостей С.

Данная схема была опробована на десятикаскадном ГИН по одиннадцать конденсаторов в каскаде: потенциал на электронную пушку подавался с последнего десятого каскада, на коллектор - с третьего. При этом емкости конденсаторов каскадов первого, второго и третьего были выбраны равными 3,3 нФ, остальных 4-10 - 4,7 нФ, а соотношения L и L1 - выбраны таким образом, что импульсы, формируемые каждым каскадом, имели одинаковую длительность.

Система работает следующим образом. От первичного источника все каскады генератора высоковольтных импульсов заряжаются до напряжения U₀, равного минус 25 кВ. После коммутации разрядников Р на катод 3 электронной пушки подается ускоряющий потенциал U_П, а на коллектор 5 - тормозящий потенциал U_к. Потенциалы подаются относительно анода 2 - U_a, который находится под нулевым потенциалом. Катодом 3 пушки формируется электронный пучок, который транспортируется вдоль электродинамической структуры 4, взаимодействуя с полями резонаторов. После прохождения электродинамической структуры 4 пучок попадает в тормозящее поле коллектора 5, где теряет часть своей кинетической энергии, которая возвращается в конденсаторы первых трех каскадов. За счет этого и возможно снижение емкостей этих каскадов без снижения мощности генерации СВЧ-излучения. В данном случае повышение КПД устройства составило порядка 10%. При этом массогабаритные характеристики системы питания не увеличились.