RU2651578C1

RU2651578C1 - High voltage electronic supply system of high-frequency generator

Info

Publication number: RU2651578C1
Application number: RU2017101376A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Вячеславович Воронин; Алексей Викторович Гутов; Николай Владимирович Степанов; Виктор Дмитриевич Селемир; Артем Юрьевич Романов
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2018-04-23

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of pulse technology, namely high-voltage pulse power supplies of microwave direct-flying generators and amplifiers. High-voltage power supply system of microwave generator of klystron type with energy recuperation of electron beam contains single pulse source providing power to electron gun and collector of microwave generator. Multi-stage pulse voltage generator (PVG) is used as the pulse power source, the capacity of the PVG voltage multiplying stages connected to the collector is chosen to be smaller than the capacity of the remaining stages of the PVG voltage multiplication.

EFFECT: improving efficiency with decrease in the mass-dimensional characteristics of the device.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области импульсной техники, а именно к высоковольтным импульсным источникам электропитания сверхвысокочастотных (СВЧ) прямопролетных генераторов и усилителей.The invention relates to the field of pulsed technology, and in particular to high-voltage pulsed power supplies of microwave (microwave) direct-span generators and amplifiers.

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.When developing modern electrovacuum microwave devices of the type TWT (traveling wave lamp), VLW (backward wave lamp) and klystrons, special attention is paid to increasing their technical efficiency, reducing the heat load on the collector and reducing its size. The use of the phenomenon of recovery [Astaykin A.I., Voronina L.V., Lipatov A.F., Prof. V.B. Vacuum microwave electronics, Sarov 2011] opens up solutions to these problems by inhibiting the "spent" electrons in the collector region. Recuperation, especially in conditions of limited power consumption by the power supply system, for example, in space communication systems, has long gained recognition, is widely used and is the norm in the designs of classical TWTs.

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.Achievements in the creation of modern powerful pulse-periodic microwave devices and their reaching the level of practical application clearly require a significant increase in their efficiency and a corresponding reduction in energy consumption from the primary network. Unlike classical analogues, it is technically much more difficult to ensure the use of electron beam energy recovery in relativistic microwave radiation sources.

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.In classic microwave devices that operate in continuous mode with voltage levels of not more than several tens of kilovolts, the mode of operation with recovery is ensured by introducing an additional source into the power supply system, which is connected in series or in parallel with the main one, which feeds the electron gun. It is known that in a powerful TWT a separate current source is used to power a collector with recovery [Clampitt L. Powerful microwave electric devices. Mir Publishing House, Moscow. 1974, pp. 60-61, 1]. In powerful klystron generators or TWTs operating in a pulsed mode with an accelerating voltage level of hundreds of kilovolts with currents per kiloampere unit, the use of a second sufficiently powerful pulse-periodic high-voltage pulse generator with its charging and synchronization systems is quite problematic and leads to an increase in the total energy consumption and weight and size characteristics .

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.In [Ginzburg V.E., Ovcharov V.T. An experimental study of electron beams in a collector. Electronic equipment. Series 1. Microwave technology. Scientific and technical collection No. 5, Fryazino, Moscow Region, 1968. pp. 59-67, 2] describes a high-voltage power supply system of a microwave microwave prototype with energy recovery of the electron beam, in which the electron gun is powered and the braking potential is supplied to the collector with recovery comes from a single power source. Moreover, the lowering of the potential supplied to the collector is carried out using the additional resistance included in the power circuit. Such a scheme is valid for experimental studies of low-voltage low-power generators with continuous operation. The disadvantages of the prototype power supply system when switching to powerful microwave generators are associated with the impossibility of increasing the efficiency in this case and the increase in weight and size characteristics.

Задача состоит в применении рекуперации в мощных импульсных СВЧ-генераторах и усилителях с целью повышения КПД без увеличения массогабаритных характеристик.The task is to use recovery in high-power pulsed microwave generators and amplifiers in order to increase efficiency without increasing weight and size characteristics.

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.The technical result consists in increasing the efficiency while reducing the overall dimensions of the device as a whole due to a decrease in the heat load on the collector due to the return of part of the energy to the high voltage power source.

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.This technical result is achieved due to the fact that, in contrast to the high-voltage power supply system of a microwave generator with the recovery of electron beam energy, containing a single pulse source that provides power to the electron gun and the collector of the microwave generator, the proposed system uses a multi-stage pulse voltage generator as a pulse power source (GIN), and the capacity of the cascades of voltage multiplication of the GIN, to which the collector is connected, is selected enshey than the capacity of the remaining stages of multiplication GIN voltage.

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.The choice of GIN as a switching power supply is decisive. Reducing the energy consumption of a microwave generator with the proposed power supply circuit of the gun and collector with recovery occurs due to a decrease in the storage capacity of the GIN cascade and, as a result, a reduction in the energy consumption for charging it to the rated voltage. In this case, the return due to the recovery of part of the energy to the cascade connected to the collector ensures that the output microwave energy remains at the same level. The gain from the use of recovery (increased efficiency) is the greater, the more the capacity of the cascade connected to the collector is reduced, while maintaining unchanged microwave energy. With a large number of cascades of voltage multiplication in the high-voltage pulse generator, the braking potential can be supplied to the collector from the cascade, the number of which is relative to the first cascade (the cascade connected to the electron gun is considered to be the last), optimal from the point of view of the efficiency of the microwave generator as a whole. Moreover, all GIN cascades, starting from the first and connected to the collector, have a reduced capacity.

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.The drawings depict schematically a high-voltage power supply system of a microwave generator, where 1 is a pulse voltage generator (GIN): 2 is the anode of the electron gun: 3 is the cathode of the electron gun: 4 is the electrodynamic structure: 5 is the collector: 6-8 is the first, second, the third, respectively, cascades of voltage GIN multiplication.

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.As an example of the claimed system, a diagram is presented (shown in Fig.) For supplying an accelerating voltage from a single three-stage switching power supply - a pulse voltage generator (GIN) 1 to an electron gun of a klystron type microwave generator, consisting of anode 2, cathode 3, electrodynamic structure 4 , from the second and third cascades of voltage multiplication of GIN 7, 8 and to collector 5 from the first cascade of voltage multiplication of GIN 6. It should be noted that the GIN cascades (6, 7, 8) are constructed on the basis of artificial forming lines in the form LC-chains. Moreover, the value of capacitances C1 of the first stage to which the collector is connected is less than capacitances C.

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.This circuit was tested on a ten-cascade GIN with eleven capacitors per cascade: the potential for the electron gun was supplied from the last tenth stage, and to the collector from the third. In this case, the capacitances of the capacitors of the cascades of the first, second, and third were chosen equal to 3.3 nF, the remaining 4-10 - 4.7 nF, and the ratios L and L1 were chosen in such a way that the pulses generated by each cascade had the same duration.

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.The system operates as follows. From the primary source, all stages of the high-voltage pulse generator are charged to a voltage of U ₀ equal to minus 25 kV. After switching the arresters P, an accelerating potential U _P is supplied to the cathode 3 of the electron gun, and the braking potential U _k is applied to the collector 5. Potentials are supplied relative to the anode 2 - U _a , which is at zero potential. An electron beam is formed by the cathode 3 of the gun, which is transported along the electrodynamic structure 4, interacting with the fields of the resonators. After passing through the electrodynamic structure 4, the beam enters the braking field of the collector 5, where it loses part of its kinetic energy, which is returned to the capacitors of the first three stages. Due to this, it is possible to decrease the capacitance of these cascades without reducing the generation power of microwave radiation. In this case, the increase in efficiency of the device was about 10%. At the same time, the overall dimensions of the power system did not increase.

Claims

A high-voltage power supply system of a microwave generator with energy recovery of the electron beam, containing a single pulse source that provides power to the electron gun and the collector of the microwave generator, characterized in that a multi-stage pulse voltage generator (GIN) is used as a pulse power source, and the capacitance of the GIN voltage multiplication cascades, to which the collector is connected, less than the capacity of the remaining cascades of voltage GIN is selected.