Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора



Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора
Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора

Владельцы патента RU 2651578:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)

Изобретение относится к области импульсной техники, а именно к высоковольтным импульсным источникам электропитания сверхвысокочастотных (СВЧ) прямопролетных генераторов и усилителей. Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора клистронного типа с рекуперацией энергии электронного пучка содержит единый импульсный источник, обеспечивающий питание электронной пушки и коллектора сверхвысокочастотного генератора. В качестве импульсного источника питания использован многокаскадный генератор импульсного напряжения (ГИН), причем емкость каскадов умножения напряжения ГИН, подключенных к коллектору, выбрана меньшей, чем емкость остальных каскадов умножения напряжения ГИН. Технический результат - повышение КПД при снижении массогабаритных характеристик устройства. 1 ил.

 

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 UП, а на коллектор 5 - тормозящий потенциал Uк. Потенциалы подаются относительно анода 2 - Ua, 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.

Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора с рекуперацией энергии электронного пучка, содержащая единый импульсный источник, обеспечивающий питание электронной пушки и коллектора сверхвысокочастотного генератора, отличающаяся тем, что 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.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технике генерации мощных электромагнитных импульсов и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях технических средств на воздействие мощных импульсных электромагнитных полей.

Изобретение относится к технике генерации мощных электромагнитных импульсов и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях технических средств на воздействие мощных импульсных электромагнитных полей.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации мощных импульсов электромагнитного излучения сильноточными электронными пучками. СВЧ-генератор с виртуальным катодом коаксиального типа содержит источник высокого напряжения (1), отрицательный электрод которого соединен с заземленной цилиндрической вакуумной камерой (2), высоковольтный изолятор (3), установленный в торце камеры, цилиндрический сеточный анод (7), расположенный вдоль оси камеры, соединенный с положительным электродом (9) источника высокого напряжения (1) через анододержатель (8) и высоковольтный изолятор (3), катодный узел с цилиндрическим катодом (11), расположенный внутри анода (7) на его оси и соединенный с вакуумной камерой (2) через коаксиальную конусную линию (4), широким концом подсоединенную к свободному торцу камеры (2), а узким концом к коаксиально-волноводному переходу (5), к которому подсоединены антенна (6) и согласующий элемент (14).

Изобретение относится к электронной СВЧ технике, а именно к электровакуумным СВЧ приборам гибридного типа - клистродам. Технический результат - повышение электрической прочности и КПД при высокой выходной мощности (более 20 КВт) в многолучевом электровакуумном приборе гибридного типа, предназначенном для работы во всей полосе частот телевизионного дециметрового диапазона (470÷860 МГц).

Клистрон // 2507625
Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно к области генерации электромагнитного излучения, и может быть использовано при создании генераторов мощного СВЧ-излучения.

Изобретение относится к сверхвысокочастотной технике, в частности к устройствам генерации электромагнитного излучения на основе колебаний виртуального катода (ВК), и может быть использовано при создании генераторов сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к СВЧ-приборам клистронного типа, предназначенным для получения СВЧ-мощности на нескольких кратных частотах.

Изобретение относится к области СВЧ техники и предназначено для увеличения функциональных возможностей усилителя СВЧ сигнала - лампы бегущей волны (ЛБВ). .

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным СВЧ-приборам, предназначенным для получения СВЧ-мощности на двух кратных частотах, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть применено для генерации мощного СВЧ излучения. .

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к лампам бегущей волны. Лампа бегущей волны с вводом и выводом энергии, содержащими передающие линии волноводного типа, с пространством взаимодействия в виде замедляющей системы, содержащей спираль, опорные диэлектрические стержни и металлический экран, с локальным поглотителем, выполненным на основе резистивной пленки, размещенной на опорных диэлектрических стержнях.

Оротрон // 2634304
Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для выделения пучков электронов из плазмы рабочей среды, создания электрических генераторов на основе энергии электронных пучков, электрореактивных двигателей, электронно-лучевых и ионно-лучевых приборов.

Изобретение относится к технике генерации мощных сверхширокополосных (СШП) электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов для средств связи, радиолокации, навигации и радиоэлектронной борьбы.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным двухрезонаторным генераторам СВЧ клистронного типа с двухзазорным первым резонатором. Первый резонатор обеспечивает самовозбуждение генератора в режиме автогенерации на противофазном виде колебаний и достаточно эффективное группирование электронов.

Способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона относится к технике СВЧ и может быть использован при разработке генераторов мощных широкополосных электромагнитных импульсов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Изобретение относится к радиотехнике и электронике сверхвысоких частот и может быть использовано в установках ускорителей заряженных частиц, в СВЧ устройствах, а именно установках СВЧ нагрева, радиолокационных станциях, СВЧ фильтрации радиосигналов, для увеличения функциональных возможностей усилителей СВЧ сигнала с электронными потоками.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным приборам СВЧ, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электровакуумных приборах, в частности в магнетронах непрерывного или импульсного действия, работающих в широком диапазоне длин волн.

Изобретение относится к технологии производства электровакуумных приборов, а именно к изготовлению высокочастотного пакета замедляющих систем спирального типа для ламп бегущей волны.

Изобретение относится к области импульсной техники, а именно к высоковольтным импульсным источникам электропитания сверхвысокочастотных прямопролетных генераторов и усилителей. Высоковольтная система электропитания сверхвысокочастотного генератора клистронного типа с рекуперацией энергии электронного пучка содержит единый импульсный источник, обеспечивающий питание электронной пушки и коллектора сверхвысокочастотного генератора. В качестве импульсного источника питания использован многокаскадный генератор импульсного напряжения, причем емкость каскадов умножения напряжения ГИН, подключенных к коллектору, выбрана меньшей, чем емкость остальных каскадов умножения напряжения ГИН. Технический результат - повышение КПД при снижении массогабаритных характеристик устройства. 1 ил.

Наверх