RU2024182C1

RU2024182C1 - Microwave device

Info

Publication number: RU2024182C1
Authority: RU
Inventors: Р.М. Сабиров; В.Ф. Горняков; А.В. Смирнов
Original assignee: Научно-исследовательский институт "Титан"
Priority date: 1991-03-28
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1994-11-30

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: microwave device has microwave instrument 1 with cathode, electrodynamic system 4, power supply 8 whose positive pole is grounded, and in addition it is provided with impulse current transformer 9, Rogovskii belt 7, there differential amplifiers 10, 12, 18, d.c. component recovery unit 11, integrator 16 with capacitor 17, switch 15, one-shot multivibrator 13, and control unit 14 with relevant electric connections. Newly introduced components and connections make it possible to discriminate signal proportional to cathode current which is amplified, its d.c. component is recovered, and then this signal arrives at one of differential amplifier inputs whose other input is supplied with signal proportional to collector current measured by means of Rogovskii belt followed by its amplification and integration by external integrating device. EFFECT: provision for serviceability check of device by discriminating and measuring electrodynamic system current. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к импульсным усилительным и генераторным устройствам на СВЧ-приборах О-типа (клистроны, лампы бегущей волны - ЛБВ и др.), и может быть использовано в разработках аппаратуры для радиолокации, связи, ускорителей и др., самого СВЧ-прибора, входящего в состав устройства. The invention relates to radio engineering, in particular to pulse amplifying and generating devices on O-type microwave devices (klystrons, traveling-wave tubes - TWT, etc.), and can be used in the development of equipment for radar, communications, accelerators, etc., the microwave device itself, which is part of the device.

Для сохранения работоспособности СВЧ-устройства важно контролировать токопрохождение электронного луча на коллектор СВЧ-прибора. Для этого обычно измеряют ток электродинамической системы, который во избежание отказа СВЧ-прибора не должен превышать предельной величины. To maintain the operability of the microwave device, it is important to control the current path of the electron beam to the collector of the microwave device. For this, the current of the electrodynamic system is usually measured, which in order to avoid failure of the microwave device should not exceed the limit value.

У мощных СВЧ-приборов О-типа электродинамическая система обычно глухо соединяется с металлическим корпусом прибора, заземленным через волновод вывода энергии, а также соединенным с корпусом аппаратуры. Это не позволяет измерять ток электродинамической системы непосредственно. In powerful O-type microwave devices, the electrodynamic system is usually deafly connected to the metal case of the device, grounded through an energy output waveguide, and also connected to the equipment case. This does not allow measuring the current of the electrodynamic system directly.

При работе импульсного СВЧ-прибора О-типа ток электродинамической системы определяют как разность катодного и коллекторного токов [1], для чего используют электромагнитное трансформаторное вычитающее устройство с выходным напряжением, величина которого прямо пропорциональна разности токов катода и коллектора. During operation of a pulsed microwave O-type device, the current of the electrodynamic system is defined as the difference between the cathode and collector currents [1], for which an electromagnetic transformer subtractor with an output voltage is used, the value of which is directly proportional to the difference between the cathode and collector currents.

Для обеспечения возможности измерения тока коллектора последний изолируют от металлического корпуса СВЧ-прибора с помощью полого керамического изолятора так же, как и катод, находящийся под высоким отрицательным потенциалом (коллектор находится под сравнительно низким потенциалом). Наличие изолятора между коллектором и корпусом прибора создает опасность высокочастотного излучения через керамику изолятора во внешнее пространство, что недопустимо по соображениям электромагнитной совместимости, опасности поражения обслуживающего персонала и др. Поэтому в некоторых СВЧ-приборах, у которых излучение через керамику изолятора недопустимо, коллекторный изолятор не применяют. У таких приборов коллектор глухо соединяют с корпусом, в результате чего образуется электромагнитно экранированная система. Однако такая мера устраняет возможность контроля работоспособности СВЧ-прибора посредством выделения и измерения тока электродинамической системы. Другими словами подавление паразитного излучения через керамику изолятора достигается за счет устранения возможности измерения тока электродинамической системы. In order to be able to measure the collector current, the latter is isolated from the metal housing of the microwave device using a hollow ceramic insulator in the same way as the cathode, which is at a high negative potential (the collector is at a relatively low potential). The presence of an insulator between the collector and the housing of the device creates a danger of high-frequency radiation through the ceramic of the insulator into the external space, which is unacceptable for reasons of electromagnetic compatibility, danger of injury to personnel, etc. Therefore, in some microwave devices for which radiation through the ceramic of the insulator is unacceptable, the collector insulator is not apply. In such devices, the collector is deafly connected to the housing, as a result of which an electromagnetically shielded system is formed. However, such a measure eliminates the ability to control the operability of a microwave device by isolating and measuring the current of the electrodynamic system. In other words, the suppression of spurious radiation through the ceramic of the insulator is achieved by eliminating the possibility of measuring the current of the electrodynamic system.

У другой группы приборов коллекторный изолятор вводят в конструкцию прибора, но ток электродинамической системы измеряют только на технологических операциях юстировки магнитной фокусирующей системы при отсутствии высокочастотной модуляции электронного луча, т.е. в статическом режиме, когда излучения нет. In another group of devices, a collector insulator is introduced into the device design, but the current of the electrodynamic system is measured only during technological operations of aligning the magnetic focusing system in the absence of high-frequency modulation of the electron beam, i.e. in static mode when there is no radiation.

В динамическом режиме работы СВЧ-прибора - при высокочастотной модуляции электронного луча и наличии паразитного излучения через керамику коллекторного изолятора последний экранируют электромагнитным экраном, глухо соединенным с корпусом и коллектором. Эта мера, как уже отмечалось выше, образует электромагнитно экранированную систему, устраняет паразитное излучение, но и лишает возможности измерения тока электродинамической системы в динамическом режиме. In the dynamic mode of operation of a microwave device - with high-frequency modulation of the electron beam and the presence of spurious radiation through the ceramic of the collector insulator, the latter is shielded by an electromagnetic screen that is deafly connected to the body and collector. This measure, as noted above, forms an electromagnetically shielded system, eliminates spurious radiation, but also makes it impossible to measure the current of the electrodynamic system in dynamic mode.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа импульсный СВЧ-прибор О-типа [2]. Этот прибор содержит катод, электродинамическую систему, соединенную с заземленным металлическим корпусом, коллектор, отделенный от корпуса прибора полым керамическим изолятором, закрытым электромагнитным экраном, который глухо соединяют с корпусом и коллектором при работе прибора в динамическом режиме (для исключения излучения через керамику изолятора во внешнюю среду). The closest in technical essence to the claimed device is selected as a prototype pulse microwave device O-type [2]. This device contains a cathode, an electrodynamic system connected to a grounded metal case, a collector separated from the device case by a hollow ceramic insulator closed by an electromagnetic shield, which is deafly connected to the case and collector when the device is operating in dynamic mode (to exclude radiation through the ceramic of the insulator to the external Wednesday).

Недостатком известного прибора является невозможность контроля работоспособности посредством выделения и измерения тока электродинамической системы при работе в динамическом режиме. A disadvantage of the known device is the inability to control performance by isolating and measuring the current of the electrodynamic system when operating in dynamic mode.

Целью изобретения является обеспечение контроля работоспособности устройства посредством выделения и измерения тока электродинамической системы. The aim of the invention is the provision of monitoring the health of the device by isolating and measuring the current of the electrodynamic system.

Цель достигается тем, что в СВЧ-устройство, содержащее импульсный электровакуумный СВЧ-прибор О-типа с катодом, электродинамической системой, глухо соединенной с заземленным металлическим корпусом прибора и через керамический изолятор с коллектором, который экранирован металлическим экраном, глухо соединенным с корпусом и коллектором прибора, источник питания, положительный полюс которого заземлен, введены импульсный трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между отрицательным полюсом источника питания и катодом, пояс Роговского, размещенный в пространстве между изолятором и экраном, первый, второй и третий разностные усилители, блок восстановления постоянной составляющей, интегратор с интегрирующим конденсатором, ключ, одновибратор и блок управления, причем выводы вторичной обмотки трансформатора тока подключены к входам первого разностного усилителя, выход которого через блок восстановления постоянной составляющей подключен к первому входу второго разностного усилителя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, вход которого подключен к выходу третьего разностного усилителя, к входам которого подключены выводы пояса Роговского, параллельно интегрирующему конденсатору подключены выводы ключа, управляющие входы которого подключены к выводам блока управления, вход которого соединен с выходом одновибратора, вход которого соединен с вводом сигнала запуска устройства и одновременно с управляющим входом источника питания, выход второго разностного усилителя соединен с выводом сигнала, пропорционального току электродинамической системы. Пояс Роговского, как известно, служит для измерения импульсов тока, имеет обычно "воздушный", чаще всего пластмассовый сердечник любой формы. The goal is achieved by the fact that in a microwave device containing a pulsed electric vacuum O-type microwave device with a cathode, an electrodynamic system, blindly connected to a grounded metal housing of the device and through a ceramic insulator with a collector, which is shielded by a metal screen, blindly connected to the housing and collector device, the power source, the positive pole of which is grounded, introduced a pulse current transformer, the primary winding of which is connected between the negative pole of the power source and the cathode, from Rogovsky, located in the space between the insulator and the screen, the first, second and third difference amplifiers, a DC recovery unit, an integrator with an integrating capacitor, a key, a one-shot and a control unit, and the terminals of the secondary winding of the current transformer are connected to the inputs of the first difference amplifier, output which, through the DC recovery unit, is connected to the first input of the second difference amplifier, the second input of which is connected to the output of the integrator, the input of which is connected it is suitable for the output of the third difference amplifier, the inputs of which are connected to the outputs of the Rogowski belt, parallel to the integrating capacitor are connected to the outputs of the key, the control inputs of which are connected to the terminals of the control unit, the input of which is connected to the output of the one-shot, the input of which is connected to the input of the start signal of the device and simultaneously with the control the input of the power source, the output of the second difference amplifier is connected to the output of the signal proportional to the current of the electrodynamic system. The Rogowski belt, as you know, is used to measure current pulses, it usually has an "air", most often a plastic core of any shape.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: импульсного трансформаторного тока, пояса Роговского, разностных усилителей, блока восстановления постоянной составляющей, интегратора, ключа, одновибратора и блока управления. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is characterized by the presence of new elements: pulse transformer current, Rogowski belt, differential amplifiers, DC recovery unit, integrator, key, one-shot and control unit. Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями показывает, что введенные в устройство элементы известны. Однако при их введении в указанные связи между собой и с остальными элементами устройства вышеуказанные элементы проявляют новые свойства, что обеспечивает возможность контроля работоспособности устройства посредством выделения и измерения тока электродинамической системы. В самом деле, импульсный трансформатор тока выделяет сигнал, пропорциональный току катода, который после усиления и восстановления постоянной составляющей поступает на один из входов разностного усилителя. На другой вход этого разностного усилителя поступает сигнал, пропорциональный току коллектора, измеряемый посредством пояса Роговского с последующим усилением и интегрированием внешним интегрирующим устройством. A comparison of the claimed technical solution with other solutions shows that the elements introduced into the device are known. However, when they are introduced into the indicated relationships between themselves and with the other elements of the device, the above elements exhibit new properties, which makes it possible to control the operability of the device by isolating and measuring the current of the electrodynamic system. In fact, a pulsed current transformer emits a signal proportional to the cathode current, which, after amplification and restoration of the DC component, is fed to one of the inputs of the difference amplifier. A signal proportional to the collector current, measured by the Rogowski belt with subsequent amplification and integration by an external integrating device, is supplied to the other input of this difference amplifier.

Для исключения ошибки интегрирования применено обнуление напряжения интегрирующего конденсатора в паузе между импульсами посредством введенного замкнутого в паузе между импульсами и разомкнутого во время импульса ключа. Ключ управляется двухфазным напряжением сигнала. Такой подход исключает помехи, наводимые на сигнальные проводники за счет паразитных связей, а также устраняет шумы, обычно свойственные схемам, если в качестве второго проводника сигнала используется общий провод-корпус, земляная шина, с которыми обычно соединяются различные источники. Двухфазное напряжение сигнала вырабатывается блоком управления, на входе которого действует сигнал одновибратора, который управляется тем же сигналом, что и источник питания. На выходе разностного усилителя формируется сигнал, пропорциональный разности токов катода и коллектора, т.е. пропорциональный току электродинамической системы, который используется для контроля работоспособности устройства. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". To eliminate the integration error, the zeroing of the voltage of the integrating capacitor in the pause between pulses was applied by means of the key that was closed in the pause between pulses and open during the pulse. The key is controlled by a two-phase voltage signal. This approach eliminates the interference induced by the signal conductors due to spurious connections, and also eliminates the noise usually associated with circuits if a common wire-casing, an earth bus, to which various sources are usually connected, is used as the second signal conductor. The two-phase voltage of the signal is generated by the control unit, at the input of which a single-vibrator signal acts, which is controlled by the same signal as the power source. At the output of the difference amplifier, a signal is generated proportional to the difference between the cathode and collector currents, i.e. proportional to the current of the electrodynamic system, which is used to control the operability of the device. This allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого устройства, которое содержит импульсный электровакуумный СВЧ-прибор 1 О-типа с металлическим корпусом 2, коллектором 3, электродинамической системой 4, электромагнитным экраном 5 и полым кольцевым керамическим изолятором 6. В пространстве между изолятором 6 и экраном 5 размещен пояс 7 Роговского кольцевой формы. Устройство содержит также источник 8 импульсного питания с управляющим входом, импульсный трансформатор 9 тока, первый разностный усилитель 10, блок 11 восстановления постоянной составляющей, второй разностный усилитель 12, одновибратор 13, блок 14 управления, ключ 15, интегратор 16 с внешним интегрирующим конденсатором 17, третий разностный усилитель 18, ввод 19 сигнала управления устройством, вывод 20 сигнала тока электродинамической системы СВЧ-прибора. In FIG. 1 shows a functional diagram of the proposed device, which contains a pulsed microwave vacuum device 1 O-type with a metal housing 2, a collector 3, an electrodynamic system 4, an electromagnetic screen 5 and a hollow annular ceramic insulator 6. In the space between the insulator 6 and the screen 5 is placed a belt 7 Rogowski ring shape. The device also contains a pulse power supply 8 with a control input, a pulse current transformer 9, a first differential amplifier 10, a DC component recovery unit 11, a second differential amplifier 12, a one-shot 13, a control unit 14, a key 15, an integrator 16 with an external integrating capacitor 17, the third difference amplifier 18, input 19 of the device control signal, output 20 of the current signal of the electrodynamic system of the microwave device.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При включении всех питающих напряжений устройства (фиг. 1) на его элементах появляются импульсные сигналы, временные диаграммы которых представлены на фиг. 2. When all the supply voltages of the device are turned on (FIG. 1), pulse signals appear on its elements, the timing diagrams of which are presented in FIG. 2.

На ввод 19 поступает сигнал управления (фиг. 2а), управляющий работой источника 8 питания и одновибратора 13. На катоде прибора 1 появляется модулирующий импульс (фиг. 2б), вызывающий появление тока катода - электронного луча. Ток катода измеряется импульсным трансформатором 9 тока, и на входе разностного усилителя 10 появляется сигнал (фиг. 2в), смещенный относительно нулевой линии из-за потери постоянной составляющей в импульсном трансформаторе 9 тока катода. В блоке 11 происходит восстановление постоянной составляющей и сигнал приобретает форму фиг. 2г. Сигнал с восстановленной постоянной составляющей поступает на один из входов разностного усилителя 12. Input 19 receives a control signal (Fig. 2a), which controls the operation of the power source 8 and the single vibrator 13. At the cathode of the device 1, a modulating pulse appears (Fig. 2b), causing the appearance of the cathode current — an electron beam. The cathode current is measured by a pulse current transformer 9, and a signal appears at the input of the differential amplifier 10 (Fig. 2c), offset from the zero line due to the loss of the DC component in the pulse current transformer 9 of the cathode. In block 11, the DC component is restored and the signal takes the form of FIG. 2g The signal with the restored DC component is fed to one of the inputs of the difference amplifier 12.

Пояс 7 Роговского для измерения тока коллектора 3 прибора 1 работает в дифференцирующем режиме. Сигналы пояса Роговского показаны на фиг. 2,е. Rogowski belt 7 for measuring the collector current 3 of device 1 operates in a differentiating mode. The signals from the Rogowski belt are shown in FIG. 2, e.

Восстановление сигнала, пропорционального току коллектора 3 прибора 1, производится посредством внешнего интегрирующего устройства 16 с интегрирующим конденсатором 17. Восстановленный сигнал (фиг. 2ж), пропорциональный току коллектора 3, поступает на второй вход разностного усилителя 12, на выходе которого появляется сигнал, пропорциональный разности токов катода и коллектора 3 прибора 1, т.е. току электродинамической системы 4 (фиг. 2з). The signal proportional to the collector current 3 of the device 1 is restored by means of an external integrating device 16 with an integrating capacitor 17. The reconstructed signal (Fig. 2g), proportional to the collector 3 current, is fed to the second input of the difference amplifier 12, the output of which is a signal proportional to the difference currents of the cathode and collector 3 of the device 1, i.e. the current of the electrodynamic system 4 (Fig. 2z).

Для устранения ошибки интегрирования и повышения помехоустойчивости интегратор 16 выполнен с внешним дополнительным ключом 15, который замкнут (выходное напряжение интегратора обнулено), пока отсутствует входной интегрируемый импульс тока коллектора 3. К моменту прихода сигнала с пояса 7 Роговского ключ 15 размыкается, подготавливая интегратор 16 к работе по своему назначению. To eliminate the integration error and increase the noise immunity, the integrator 16 is made with an external additional switch 15, which is closed (the integrator output voltage is reset), while the collector 3 does not have an integrable input current pulse. By the time the signal arrives from Rogovsky’s belt 7, the switch 15 is open, preparing the integrator 16 to work as intended.

Для управления работой ключа 15 служат одновибратор 13 и блок 14 управления. Импульс управления (фиг. 2а) запускает одновибратор 13, который формирует импульс управления (фиг. 2д) длительностью τ _ов, превышающей длительность модулирующего импульса длительностью τ_и и периодом Т_и.To control the operation of the key 15 are a single vibrator 13 and a control unit 14. Control pulse (FIG. 2a) triggers the monostable multivibrator 13, which generates a control pulse (Fig. 2e) τ _s duration exceeding the duration modulation _and pulse duration τ and period T _and.

Импульсы управления через блок 14 управления, в котором осуществляется гальваническая развязка цепей управления от цепей ключа 15, вырабатывает изолированный от корпуса (земли) сигнал, который управляет работой ключа 15, разрешая интегрирование сигнала с пояса 7 Роговского только во время модулирующего импульса (фиг. 2б). The control pulses through the control unit 14, in which the control circuits are isolated from the key circuits 15, produce a signal isolated from the case (ground) that controls the operation of the key 15, allowing the integration of the signal from Rogowski belt 7 only during the modulating pulse (Fig. 2b )

Указанное решение позволяет достигать высоких помехоустойчивости и точности результата интегрирования. The specified solution allows to achieve high noise immunity and accuracy of the integration result.

Технико-экономический эффект предложения определяется тем, что введенными элементами и их связями обеспечивается возможность контроля работоспособности устройства по наиболее критичному к перегрузке параметру - току электродинамической системы. Контроль предельной величины этого тока предотвращает отказы устройства по оплавлению элементов электродинамической системы СВЧ-прибора (этот вид отказа является одним из основных). Поэтому контроль функционирования устройства посредством выделения и измерения сигнала, пропорционального току электродинамической системы, является основным условием обеспечения надежной работы устройства. The technical and economic effect of the proposal is determined by the fact that the introduced elements and their connections provide the ability to control the operability of the device according to the most critical parameter for overloading - the current of the electrodynamic system. Monitoring the limit value of this current prevents the device from failing to melt the elements of the electrodynamic system of the microwave device (this type of failure is one of the main ones). Therefore, monitoring the operation of the device by isolating and measuring a signal proportional to the current of the electrodynamic system is the main condition for ensuring reliable operation of the device.

Другим техническим преимуществом предложенного устройства являются высокие точность измерения тока и помехоустойчивость, так как в устройстве принято обнуление интегрирующего конденсатора в паузе между импульсами и применен двухфазный вывод сигналов с трансформатора тока и пояса Роговского, а также двухфазное управление ключом, устраняющие помехи за счет наличия паразитных связей, а также препятствующие проникновению сигнала помехи по общим нулевым (заземленным) цепям. Another technical advantage of the proposed device is the high accuracy of current measurement and noise immunity, since the device accepts zeroing of the integrating capacitor in the pause between pulses and uses two-phase output of signals from the current transformer and Rogowski belt, as well as two-phase key management, eliminating interference due to spurious connections , as well as interferences that prevent the penetration of the signal along common zero (grounded) circuits.

По предложенному устройству изготовлено лабораторное устройство и проведено экспериментальное исследование, давшее положительный результат. Подтвержден технический эффект и принято решение о проведении конструкторской разработки. Предполагается внедрение устройства в технологическом оборудовании производства и испытаний СВЧ-приборов. According to the proposed device, a laboratory device was manufactured and an experimental study was conducted, which gave a positive result. The technical effect was confirmed and a decision was made to carry out design development. It is planned to introduce the device in technological equipment for the production and testing of microwave devices.

Claims

A microwave device containing a pulsed electric vacuum microwave device of type 0, including a cathode, an electrodynamic system, rigidly connected to a grounded metal case of the device and through a ceramic insulator, to a collector that is shielded by a metal screen, rigidly connected to the body and collector of the device, and a source power supply, the positive pole of which is grounded, characterized in that, in order to expand functionality by providing performance monitoring by isolating and measuring t eye of the electrodynamic system, a pulsed current transformer is introduced into it, the primary winding of which is connected between the negative pole of the power source and the cathode, the Rogowski belt located in the space between the insulator and the screen, the first, second and third difference amplifiers, a DC component recovery unit, an integrator with an integrator a capacitor, a key, a one-shot and a control unit, and the terminals of the secondary winding of the current transformer are connected to the inputs of the first differential amplifier, the output of which is the DC component recovery unit is connected to the first input of the second differential amplifier, the second input of which is connected to the output of the integrator, the input of which is connected to the output of the third difference amplifier, the inputs of which are connected to the Rogowski belt leads, the key leads are connected to the parallel integrating capacitor, the control inputs of which are connected to the outputs of the control unit, the input of which is connected to the output of the one-shot, the input of which is connected to the input of the control signal of the device and simultaneously with directs the input power source, an output of second differential amplifier is an output device.