Индуктивная выходная трубка

Индуктивная выходная лампа ( IOT ) или клистрод — это разновидность вакуумной лампы с линейным лучом , похожей на клистрон , используемой в качестве усилителя мощности для высокочастотных радиоволн. Он был разработан в 1980-х годах для удовлетворения растущих требований к эффективности мощных радиочастотных усилителей в радиопередатчиках. ^[1] Основное коммерческое использование IOT — в УВЧ телевизионных передатчиках . ^[2] где они в основном заменили клистроны из-за их более высокой эффективности (от 35% до 40%) и меньшего размера. IOT также используются в ускорителях частиц . Они способны производить выходную мощность примерно до 30 кВт в непрерывном режиме и до 7 МВт в импульсном режиме, а коэффициент усиления составляет 20–23 дБ на частотах примерно до гигагерца . ^[2]

История [ править ]

Индуктивная выходная лампа (IOT) была изобретена в 1938 году Эндрю В. Хаеффом . Позже патент Америки на IOT был выдан Эндрю В. Хаеффу и передан Радиокорпорации ( RCA). 1939 года Во время Всемирной выставки в Нью-Йорке IOT использовался для передачи первых телевизионных изображений из Эмпайр-стейт-билдинг на выставочную площадку. RCA в течение короткого времени продавала на коммерческой основе небольшой IOT под номером типа 825. Вскоре он устарел из-за новых разработок, и технология годами более или менее бездействовала.

Индуктивная выходная лампа вновь появилась в течение последних двадцати лет после того, как было обнаружено, что она обладает особенно подходящими характеристиками (широкополосная линейность) для передачи цифрового телевидения и цифрового телевидения высокой четкости .

В исследованиях, проведенных до перехода от аналогового к цифровому телевещанию, было обнаружено, что электромагнитные помехи от молний, высоковольтных сетей переменного тока, выпрямителей переменного тока и балластов, используемых в люминесцентном освещении, сильно влияют на низкочастотные каналы УКВ (в Северной Америке , каналы 2,3,4,5 и 6), что делает их использование для цифрового телевидения практически невозможным. Эти каналы с небольшим номером часто были первыми телевещательными компаниями в данном городе и часто представляли собой крупные, жизненно важные предприятия, у которых не было другого выбора, кроме как перейти на УВЧ. При этом современное цифровое телевидение стало преимущественно средой УВЧ, а IOT стали предпочтительной выходной лампой для выходной секции этих передатчиков.

Выходная мощность современных IOT 21 века на порядки выше, чем у первых IOT, выпущенных RCA в 1940–1941 годах, но основной принцип работы в основном остается прежним. IOT с 1970-х годов разрабатываются с использованием компьютерного программного обеспечения для электромагнитного моделирования, которое значительно улучшило их электродинамические характеристики.

Как это работает [ править ]

IOT представляет собой вакуумную трубку с линейным лучом. Как и в электронно-лучевой трубке старых телевизоров, электроны производятся нагретым отрицательным электродом или катодом и ускоряются высоким положительным напряжением в структуре, называемой электронной пушкой, на одном конце, образуя луч, движущийся по трубке. На другом конце трубки луч не создает светящуюся люминофорную картину, как в ЭЛТ, а проходит через резонансную полость, которая извлекает его энергию, затем попадает на положительный электрод и поглощается.

IOT были описаны как нечто среднее между клистроном и триодом , отсюда и , торговое название Eimac для них Klystrode . У них есть электронная пушка, похожая на клистрон, но с управляющей сеткой перед ней, как у триода, с очень малым расстоянием между ними, около 0,1 мм. Высокочастотное радиочастотное напряжение на сетке позволяет электронам проходить группами. высокого напряжения Постоянное напряжение на цилиндрическом аноде ускоряет модулированный электронный пучок через небольшую дрейфовую трубку, подобную клистрону. Эта дрейфовая трубка предотвращает обратный поток электромагнитного излучения. Сгруппированный электронный пучок проходит через полый анод в резонансную полость , аналогичную выходной полости клистрона, и попадает на коллекторный электрод. Как и в клистроне, каждый сгусток проходит в полость в тот момент, когда электрическое поле тормозит его, преобразуя кинетическую энергию пучка в потенциальную энергию ВЧ-поля, усиливая сигнал. Колеблющаяся электромагнитная энергия в резонаторе передается по коаксиальной линии передачи. Осевой магнитное поле предотвращает растекание пространственного заряда луча. Коллекторный электрод имеет более низкий потенциал, чем анод (погруженный коллектор), который восстанавливает часть энергии пучка, повышая эффективность. ^[1]^[2]

Два отличия от клистрона дают ему более низкую стоимость и более высокую эффективность. Во-первых, клистрон использует модуляцию скорости для создания группировки; ток его пучка постоянен. Для этого требуется дрейфовая трубка длиной в несколько футов, чтобы позволить электронам группироваться. Напротив, IOT использует модуляцию тока , как обычный триод; большая часть группировки осуществляется с помощью сетки, поэтому трубка может быть намного короче, что делает ее изготовление и монтаж менее дорогостоящим, а также менее громоздким. Во-вторых, поскольку клистрон имеет ток луча на протяжении всего ВЧ-цикла, он может работать только как неэффективный усилитель класса А , тогда как сетка IOT допускает более универсальные режимы работы. Сетка может быть смещена, поэтому ток луча можно отключить во время части цикла, что позволяет ему работать в более эффективном режиме класса B или AB. ^[1]^[2]

Наивысшая достижимая частота в IOT ограничена расстоянием между сеткой и катодом. Электроны должны быть ускорены от катода и пройти через сетку до того, как радиочастотное электрическое поле изменит направление. Верхний предел частоты составляет примерно 1300 МГц . Усиление . ИОТ составляет 20–23 дБ против 35–40 дБ у клистрона Меньшее усиление обычно не является проблемой, поскольку при уровне 20 дБ требования к мощности раскачки (1% выходной мощности) находятся в пределах возможностей экономичных полупроводниковых усилителей УВЧ. ^[1]

Последние достижения [ править ]

Последние версии IOT достигают еще более высокой эффективности (60–70%) за счет использования многоступенчатого депрессивного коллектора (MSDC). Версия одного производителя называется усилителем постоянной эффективности (CEA), а другой производитель продает свою версию как ESCIOT (энергосберегающий коллектор IOT). Первоначальные трудности проектирования MSDCIOT были преодолены за счет использования рециркуляционного трансформаторного масла с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве комбинированного хладагента и изоляционной среды для предотвращения искрения и эрозии между близко расположенными ступенями коллектора и обеспечения надежного охлаждения коллектора, не требующего особого обслуживания, на протяжении всего срока службы трубки. . Более ранние версии MSDC должны были иметь воздушное охлаждение (ограниченная мощность) или использовать деионизированную воду, которую нужно было фильтровать, регулярно заменять и не обеспечивать защиту от замерзания или коррозии.

Недостатки [ править ]

Тепловое излучение катода нагревает сетку. В результате катодный материал с низкой работой выхода испаряется и конденсируется на сетке. В конечном итоге это приводит к короткому замыканию между катодом и сеткой, поскольку материал, налипающий на сетку, сужает зазор между ней и катодом. Кроме того, эмиссионный материал катода на сетке вызывает отрицательный ток сетки (обратный поток электронов от сетки к катоду). Это может привести к перегрузке источника питания сети, если обратный ток станет слишком большим, изменяя напряжение сети (смещения) и, следовательно, рабочую точку лампы. Сегодняшние IOT оснащены катодами с покрытием, которые работают при относительно низких рабочих температурах и, следовательно, имеют более медленную скорость испарения, что сводит к минимуму этот эффект.

Как и большинство линейных лучевых трубок, имеющих внешние резонаторы настройки, IOT уязвимы к искрению и должны быть защищены датчиками дуги, расположенными в выходных полостях, которые запускают ломовую схему на основе водородного тиратрона или управляемый искровой разрядник в источнике высокого напряжения. ^[1] Целью схемы лома является мгновенный сброс огромного электрического заряда, накопленного в источнике высоковольтного луча, прежде чем эта энергия сможет повредить сборку трубки во время неконтролируемой дуги в резонаторе, коллекторе или катоде. ^[1]

См. также [ править ]

Лазер на свободных электронах

Ссылки [ править ]

↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Уитакер, Джерри К. (2005). Справочник по электронике, 2-е изд . ЦРК Пресс. стр. 488–489. ISBN 1420036661 .
↑ Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Сисодия, М.Л. (2006). СВЧ-активные устройства: вакуумные и твердотельные . Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 3.47–3.49. ISBN 8122414478 .

Внешние ссылки [ править ]

[Whitaker-1] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Уитакер, Джерри К. (2005). Справочник по электронике, 2-е изд . ЦРК Пресс. стр. 488–489. ISBN 1420036661 .

[Sisodia-2] Перейти обратно: Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Сисодия, М.Л. (2006). СВЧ-активные устройства: вакуумные и твердотельные . Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 3.47–3.49. ISBN 8122414478 .

[1]

[2]