eng
Выпуск #2/1998
А.Королев, М.Лопин, Т.Мишкин, А.Победоносцев.
Многолучевой клистрод для телевидения
Многолучевой клистрод для телевидения
Просмотры: 3032
В 90-х годах на рынке ТВ-передатчиков появился новый прибор – клистрод, представляющий собой гибрид триода и пролетного клистрона. Благодаря высоким КПД, линейности, надежности, малым размерам и другим достоинствам клистроды стали широко использоваться в качестве мощных оконечных усилителей ТВ-передатчиков дециметрового диапазона (470–810 МГц). Важный шаг в развитии этих приборов сделан специалистами ГНПП “Исток”. Разработанный ими многолучевой клистрод открывает новые возможности для производителей ТВ-аппаратуры.
Как известно, лампа с индуктивным выходом была изобретена еще в 1939 году [1]. А спустя 43 года подобный прибор был разработан как бы заново, но уже для мощных ТВ-передатчиков дециметрового диапазона. Его создатели – Д.Х. Прейст и M.Б. Шрейдер из американской фирмы Eimac Division, Varian [2]. Прибор, получивший название клистрод, состоит из нескольких узлов, которые, с одной стороны, характерны для триода (тетрода), а с другой – для клистрона (рис.1).
Катод, сетка, анод и входной резонатор образуют как бы триодную часть прибора, возбуждаемую входным сигналом. На выходе из сетки электронный пучок оказывается модулированным по плотности вследствие воздействия высокочастотного электрического поля в пространстве катод-сетка. Такой режим характерен для мощных ТВ-триодов. В отличие от динамического группирования электронов в клистронах его называют модуляцией эмиссии (рис. 2). Триодная часть клистрода работает в классе В (точнее – в АВ), когда на сетку подается отрицательное смещение относительно катода, которое по абсолютной величине несколько меньше напряжения запирания триода. Этот режим характеризуется высокой линейностью и превосходным КПД. Так как сетка является элементом входного резонатора, она должна быть изолирована от его катода по постоянному напряжению. В качестве изоляции применяют специальные блокировочные конденсаторы, не препятствующие протеканию в резонаторе высокочастотных токов.
Таким образом, в катодно-сеточной части прибора формируется периодическая, с частотой входного сигнала, последовательность электронных сгустков, которые ускоряются до анодного потенциала в пространстве сетка-анод. Затем сгустки поступают в выходной резонатор и взаимодействуют с его высокочастотным полем, отдавая кинетическую энергию точно так же, как это происходит в обычном пролетном клистроне. Для обеспечения мгновенной полосы 6–9 МГц, требуемой для передачи ТВ-сигнала, в выходном каскаде клистрода используется система двух связанных резонаторов. В приборе предусмотрены короткие пролетные каналы до и после выходного резонатора, а от расфокусировки электронный пучок удерживается магнитным полем соленоида. Магнитное поле позволяет без потерь на стенках канала транспортировать электронный пучок до коллектора, где он и рассеивается.
Как оказалось, рассмотренная схема может обеспечить уникальные параметры ТВ-передатчиков дециметрового диапазона (470–810 МГц). В основе успеха прибора лежат два ключевых момента: показатель качества FOM (эффективность при усилении ТВ-сигнала) и великолепная линейность.
Показатель качества клистрода (Figure of Merit, FOM) определяется как отношение выходной мощности на вершине синхронимпульса к средней мощности потребления. Расходы на электроэнергию при эксплуатации прибора обратно пропорциональны величине FOM. Поскольку клистроды, как и ТВ-тетроды, работают в классе В, потребляемая ими мощность зависит от уровня сигнала. В обычном же клистроне (работающем в классе А), потребляемая мощность не зависит от уровня сигнала и для поддержания пикового значения выходной мощности должна быть постоянно высокой (FOM, соответственно, будет низким). Для клистродов фирм Varian (США) и EEV (Англия), работающих в режиме усиления видеосигнала, значение FOM составляет 120%, что в два раза превышает значение соответствующей величины для ТВ-клистрона, не имеющего модулирующего анода. Это обеспечивает существенную экономию средств при обычной интенсивности эксплуатации ТВ-передатчиков (до 17 часов в сутки).
Характеристика усиления клистрода более линейна, чем клистрона. Это обусловливает перспективность клистродов для передачи сигналов не только аналогового, но и цифрового телевидения (HDTV), где требования к линейности особенно высоки. Данное обстоятельство приобретает особое значение, поскольку уже к 2003 году в США планируют перейти на HDTV.
Немаловажно, что в клистродах остаточная энергия отработанного электронного пучка рассеивается в коллекторе, а не в аноде, как в триодах и тетродах. Эта особенность конструкции клистродов позволила достичь очень высоких уровней выходной мощности (пиковая мощность – до 70 кВт) при высокой надежности и долговечности прибора.
Усиление разработанных ТВ-клистродов относительно невелико – 21–22 дБ. Но это не препятствует их широкому использованию в передающей ТВ-аппаратуре, поскольку возможности полупроводниковых предусилителей в последнее время значительно возросли. Правда, стоимость предусилителей весьма высока и продолжает повышаться с увеличением их выходной мощности.
Одно из важных достоинств клистродов – малые размеры прибора при высоких мощности, КПД и надежности. Они характеризуются и хорошей долговечностью. По данным фирмы EEV, у клистродов время наработки на отказ превышает 10 тыс. часов, а у отдельных экземпляров достигает 30 тыс.часов [3].
Для передатчиков дециметрового телевидения используют несколько типов приборов: транзисторы, триоды и тетроды, многорезонаторные клистроны, а в последние годы – клистроды. Каждый из них в зависимости от требуемой мощности занимает свою нишу: от сотен ватт до киловатт – транзисторы, до 20 кВт – тетроды, свыше 20 кВт – клистроны и клистроды. При длительном сроке эксплуатации ТВ-передатчиков решающее значение для оценки перспективности применения того или иного класса приборов приобретает суммарная стоимость потребляемой электроэнергии. Сравнительный анализ стоимости эксплуатации мощных приборов для ТВ-трансляции в течение 20 лет (рис. 3) показывает, что в эксплуатации клистроды почти в два раза дешевле, чем обычные клистроны [3].
Представленные на западном рынке клистроды выпускают четыре фирмы: EEV (Великобритания), Eimac-Varian (США), Thomson (Франция), Philips (Голландия). Крупнейшим производителем клистродов сегодня считается фирма EEV. На 1 июля 1996г. ее приборы обеспечивали работу 428 передатчиков в Северной и Южной Америке, Азии, Австралии, Африке, Европе.
Перспективность клистродов для телевидения заставляет разработчиков искать новые пути улучшения их параметров. В 1995–1997 годах специалисты ГНПП “Исток”, опираясь на 25-летний опыт разработки и производства многолучевых СВЧ-приборов, создали новую конструкцию мощного клистрода – многолучевой клистрод (рис. 4).
Переход к многолучевой конструкции позволил создать приборы, обладающие значительными преимуществами по сравнению с однолучевыми клистродами. В их числе:
– снижение рабочего напряжения (традиционно для многолучевых конструкций приборов);
– использование металлических сеток – в отличие от сеток из пиролитического графита, применяемых в однолучевых клистродах;
– работа с парциальными сетками сравнительно небольшого диаметра, обладающими высокой надежностью в эксплуатации;
– более высокий уровень мощности при относительно низком напряжении (120 кВт, 25 кВ);
– увеличение усиления.
Последнее утверждение нуждается в пояснении. Для обеспечения требуемой выходной мощности в триодной части клистрода необходимо получить ток Iо, который зависит от величины зазора катод-сетка, площади катода и амплитуды высокочастотного поля в зазоре катод-сетка (в классе В она близка к величине запирающего напряжения сетки). Зазор катод-сетка нельзя сильно уменьшать по технологическим соображениям. Однако в многолучевой конструкции площадь катода можно существенно увеличить по сравнению с однолучевым клистродом. Следовательно, тот же ток Iо обеспечивается при более низком напряжении сетки. Напряжение понижают путем применения сеток с меньшей проницаемостью. Усиление клистрода приблизительно обратно пропорционально напряжению запирания (в классе В). Как показал опыт проектирования и разработки многолучевого клистрода, такой способ позволяет повысить усиление на 2–4 дБ по сравнению с однолучевым аналогом, что существенно снижает стоимость полупроводникового предусилителя.
Когда специалисты ГНПП “Исток” приступали к разработке многолучевого клистрода, публикации с описанием основ математического аппарата для теоретических исследований, оптимизации и проектирования клистродов практически отсутствовали. Доступные разработчикам фирменные проспекты и научно-популярные публикации о клистродах не содержали ответов на множество вопросов об особенностях их конструктивного исполнения, технологии изготовления, откачки, тренировки, экспериментальных исследований, защиты от пробоев, возникновения разряда в съемных резонаторах и т.п. В процессе разработки решение всех этих проблем пришлось начинать с нуля. Несмотря на это созданый 18-лучевой клистрод по ряду параметров (напряжение, эффективность, усиление) существенно превосходил однолучевые аналоги (табл.). Исследования показали, что многолучевая конструкция клистродов перспективна для цифрового телевидения. В частности, используя парциальные сетки небольшого диаметра (12–14 мм), можно получить высокую мощность (>120 кВт) при низких питающих напряжениях (~25кВ). Прибор уже получил положительную оценку прессы [4]. В марте этого года “Исток” планирует поставить прибор фирме Comrak (США) для пробной эксплуатации и исследования специальных характеристик.
Таким образом, в России создан мощный усилитель ТВ-сигналов дециметрового диапазона с хорошим набором параметров, который можно с успехом использовать в ТВ-передатчиках, в том числе и для цифрового телевидения.
Литература
1.A.V. Haeff. An UHF power amplifier of novel design. – Electronics, 1939, p.30–32.
2.D.H. Preist, M.B. Shrader. The Klystrode – An Unusual Transmitting Tube with Potential for UHF-TV. – Proc. of IEEE, 1996, v.70, N1, p.1318.
3. EEV Power Tubes, (Рекламные материалы фирмы EEV) 1996.
4. Dong Lung, Multibeamson the Horizon. – TV Technology, 1996, v. 14, N 15, p. 48.
Катод, сетка, анод и входной резонатор образуют как бы триодную часть прибора, возбуждаемую входным сигналом. На выходе из сетки электронный пучок оказывается модулированным по плотности вследствие воздействия высокочастотного электрического поля в пространстве катод-сетка. Такой режим характерен для мощных ТВ-триодов. В отличие от динамического группирования электронов в клистронах его называют модуляцией эмиссии (рис. 2). Триодная часть клистрода работает в классе В (точнее – в АВ), когда на сетку подается отрицательное смещение относительно катода, которое по абсолютной величине несколько меньше напряжения запирания триода. Этот режим характеризуется высокой линейностью и превосходным КПД. Так как сетка является элементом входного резонатора, она должна быть изолирована от его катода по постоянному напряжению. В качестве изоляции применяют специальные блокировочные конденсаторы, не препятствующие протеканию в резонаторе высокочастотных токов.
Таким образом, в катодно-сеточной части прибора формируется периодическая, с частотой входного сигнала, последовательность электронных сгустков, которые ускоряются до анодного потенциала в пространстве сетка-анод. Затем сгустки поступают в выходной резонатор и взаимодействуют с его высокочастотным полем, отдавая кинетическую энергию точно так же, как это происходит в обычном пролетном клистроне. Для обеспечения мгновенной полосы 6–9 МГц, требуемой для передачи ТВ-сигнала, в выходном каскаде клистрода используется система двух связанных резонаторов. В приборе предусмотрены короткие пролетные каналы до и после выходного резонатора, а от расфокусировки электронный пучок удерживается магнитным полем соленоида. Магнитное поле позволяет без потерь на стенках канала транспортировать электронный пучок до коллектора, где он и рассеивается.
Как оказалось, рассмотренная схема может обеспечить уникальные параметры ТВ-передатчиков дециметрового диапазона (470–810 МГц). В основе успеха прибора лежат два ключевых момента: показатель качества FOM (эффективность при усилении ТВ-сигнала) и великолепная линейность.
Показатель качества клистрода (Figure of Merit, FOM) определяется как отношение выходной мощности на вершине синхронимпульса к средней мощности потребления. Расходы на электроэнергию при эксплуатации прибора обратно пропорциональны величине FOM. Поскольку клистроды, как и ТВ-тетроды, работают в классе В, потребляемая ими мощность зависит от уровня сигнала. В обычном же клистроне (работающем в классе А), потребляемая мощность не зависит от уровня сигнала и для поддержания пикового значения выходной мощности должна быть постоянно высокой (FOM, соответственно, будет низким). Для клистродов фирм Varian (США) и EEV (Англия), работающих в режиме усиления видеосигнала, значение FOM составляет 120%, что в два раза превышает значение соответствующей величины для ТВ-клистрона, не имеющего модулирующего анода. Это обеспечивает существенную экономию средств при обычной интенсивности эксплуатации ТВ-передатчиков (до 17 часов в сутки).
Характеристика усиления клистрода более линейна, чем клистрона. Это обусловливает перспективность клистродов для передачи сигналов не только аналогового, но и цифрового телевидения (HDTV), где требования к линейности особенно высоки. Данное обстоятельство приобретает особое значение, поскольку уже к 2003 году в США планируют перейти на HDTV.
Немаловажно, что в клистродах остаточная энергия отработанного электронного пучка рассеивается в коллекторе, а не в аноде, как в триодах и тетродах. Эта особенность конструкции клистродов позволила достичь очень высоких уровней выходной мощности (пиковая мощность – до 70 кВт) при высокой надежности и долговечности прибора.
Усиление разработанных ТВ-клистродов относительно невелико – 21–22 дБ. Но это не препятствует их широкому использованию в передающей ТВ-аппаратуре, поскольку возможности полупроводниковых предусилителей в последнее время значительно возросли. Правда, стоимость предусилителей весьма высока и продолжает повышаться с увеличением их выходной мощности.
Одно из важных достоинств клистродов – малые размеры прибора при высоких мощности, КПД и надежности. Они характеризуются и хорошей долговечностью. По данным фирмы EEV, у клистродов время наработки на отказ превышает 10 тыс. часов, а у отдельных экземпляров достигает 30 тыс.часов [3].
Для передатчиков дециметрового телевидения используют несколько типов приборов: транзисторы, триоды и тетроды, многорезонаторные клистроны, а в последние годы – клистроды. Каждый из них в зависимости от требуемой мощности занимает свою нишу: от сотен ватт до киловатт – транзисторы, до 20 кВт – тетроды, свыше 20 кВт – клистроны и клистроды. При длительном сроке эксплуатации ТВ-передатчиков решающее значение для оценки перспективности применения того или иного класса приборов приобретает суммарная стоимость потребляемой электроэнергии. Сравнительный анализ стоимости эксплуатации мощных приборов для ТВ-трансляции в течение 20 лет (рис. 3) показывает, что в эксплуатации клистроды почти в два раза дешевле, чем обычные клистроны [3].
Представленные на западном рынке клистроды выпускают четыре фирмы: EEV (Великобритания), Eimac-Varian (США), Thomson (Франция), Philips (Голландия). Крупнейшим производителем клистродов сегодня считается фирма EEV. На 1 июля 1996г. ее приборы обеспечивали работу 428 передатчиков в Северной и Южной Америке, Азии, Австралии, Африке, Европе.
Перспективность клистродов для телевидения заставляет разработчиков искать новые пути улучшения их параметров. В 1995–1997 годах специалисты ГНПП “Исток”, опираясь на 25-летний опыт разработки и производства многолучевых СВЧ-приборов, создали новую конструкцию мощного клистрода – многолучевой клистрод (рис. 4).
Переход к многолучевой конструкции позволил создать приборы, обладающие значительными преимуществами по сравнению с однолучевыми клистродами. В их числе:
– снижение рабочего напряжения (традиционно для многолучевых конструкций приборов);
– использование металлических сеток – в отличие от сеток из пиролитического графита, применяемых в однолучевых клистродах;
– работа с парциальными сетками сравнительно небольшого диаметра, обладающими высокой надежностью в эксплуатации;
– более высокий уровень мощности при относительно низком напряжении (120 кВт, 25 кВ);
– увеличение усиления.
Последнее утверждение нуждается в пояснении. Для обеспечения требуемой выходной мощности в триодной части клистрода необходимо получить ток Iо, который зависит от величины зазора катод-сетка, площади катода и амплитуды высокочастотного поля в зазоре катод-сетка (в классе В она близка к величине запирающего напряжения сетки). Зазор катод-сетка нельзя сильно уменьшать по технологическим соображениям. Однако в многолучевой конструкции площадь катода можно существенно увеличить по сравнению с однолучевым клистродом. Следовательно, тот же ток Iо обеспечивается при более низком напряжении сетки. Напряжение понижают путем применения сеток с меньшей проницаемостью. Усиление клистрода приблизительно обратно пропорционально напряжению запирания (в классе В). Как показал опыт проектирования и разработки многолучевого клистрода, такой способ позволяет повысить усиление на 2–4 дБ по сравнению с однолучевым аналогом, что существенно снижает стоимость полупроводникового предусилителя.
Когда специалисты ГНПП “Исток” приступали к разработке многолучевого клистрода, публикации с описанием основ математического аппарата для теоретических исследований, оптимизации и проектирования клистродов практически отсутствовали. Доступные разработчикам фирменные проспекты и научно-популярные публикации о клистродах не содержали ответов на множество вопросов об особенностях их конструктивного исполнения, технологии изготовления, откачки, тренировки, экспериментальных исследований, защиты от пробоев, возникновения разряда в съемных резонаторах и т.п. В процессе разработки решение всех этих проблем пришлось начинать с нуля. Несмотря на это созданый 18-лучевой клистрод по ряду параметров (напряжение, эффективность, усиление) существенно превосходил однолучевые аналоги (табл.). Исследования показали, что многолучевая конструкция клистродов перспективна для цифрового телевидения. В частности, используя парциальные сетки небольшого диаметра (12–14 мм), можно получить высокую мощность (>120 кВт) при низких питающих напряжениях (~25кВ). Прибор уже получил положительную оценку прессы [4]. В марте этого года “Исток” планирует поставить прибор фирме Comrak (США) для пробной эксплуатации и исследования специальных характеристик.
Таким образом, в России создан мощный усилитель ТВ-сигналов дециметрового диапазона с хорошим набором параметров, который можно с успехом использовать в ТВ-передатчиках, в том числе и для цифрового телевидения.
Литература
1.A.V. Haeff. An UHF power amplifier of novel design. – Electronics, 1939, p.30–32.
2.D.H. Preist, M.B. Shrader. The Klystrode – An Unusual Transmitting Tube with Potential for UHF-TV. – Proc. of IEEE, 1996, v.70, N1, p.1318.
3. EEV Power Tubes, (Рекламные материалы фирмы EEV) 1996.
4. Dong Lung, Multibeamson the Horizon. – TV Technology, 1996, v. 14, N 15, p. 48.
Отзывы читателей
