ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-ПРИБОР Российский патент 1994 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может применяться для создания широкополосных СВЧ-приборов, используемых в радиосвязи и для исследования воздействия СВЧ-сигналов различных частот на окружающую среду.

Известны широкополосные вакуумные СВЧ-приборы типа ЛБВ, содержащие замедляющую структуру, выполненную, например, на цепочке связанных резонаторов (ЦСР).

Недостатком их является то, что они имеют сравнительно небольшую полосу рабочих частот ( ≈15-20%), т.е. в диапазоне нескольких гигагерц ширина полосы составляет Δ f ≈ 0,5-0,8 ГГц.

Наиболее близким по технической сущности является пучково-пламенный СВЧ-прибор, содержащий последовательно соединенные электронную пушку, вакуумный насос, замедляющую структуру и коллектор, источник ускоряющего напряжения подключен отрицательным полюсом к катоду пушки, а положительным полюсом к земляной шине, блок напуска газа соединен с замедляющей структурой, СВЧ-вход и СВЧ-выход которой подключены соответственно к выходу блока входного сигнала и входу датчика входной мощности. Такой СВЧ-прибор с замедляющей структурой на цепочке связанных резонаторов, заполненной плазмой, также имеет сравнительно узкую полосу рабочих частот (полосу пропускания) Δ f = 0,5-0,8 ГГц, как и вакуумный СВЧ-прибор.

Цель изобретения - расширение диапазона полосы рабочих частот.

Поставленная цель достигается тем, что в пучково-плазменный СВЧ-прибор, содержащий последовательно подключенные источник высокого напряжения, электронную пушку, вакуумный насос, замедляющую структуру, которая вакуумно соединена с блоком напуска газа, и коллектор, при этом вход замедляющей структуры подключен к блоку входного сигнала, а выход через датчик выходной мощности соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к блоку уставок, выведены блок резисторов, распределитель, детектор-формирователь, блок фильтров, преобразователь, блок дифференцирования и переключатель, причем входы детекторного формирователя через блок фильтров подключены к блоку входного сигнала, а выходы его через распределитель и блок резисторов соединены с коллектором и через преобразователь, блок дифференцирования, переключатель, подключенный к блоку сравнения - с источником высокого напряжения.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого СВЧ-прибора.

СВЧ-прибор содержит последовательно соединенные электронную пушку 1, вакуумный насос 2, замедляющую структуру 3 и коллектор 4. Блок 5 напуска газа соединен со структурой, источник 6 подключен к пушке 1, коллектор 4 соединен через резисторы 7 с распределителем 8, содержащим реле 9 с замыкающими и размыкающими контактами, Блок 10 входного сигнала соединен через фильтры 11 и детекторы-формирователи 1 с распределителем 8 и преобразователем 13, который через блок 14 дифференцирования подключен к переключателю 15. Датчик 16 выходной мощности и блок установок соединены с входами блока 18 сравнения, подключенного через переключатель 15 к источнику 6.

СВЧ-прибор работает следующим образом.

Пучково-плазменный СВЧ-прибор без напуска газа в структуру работает как вакуумный прибор в обычной полосе пропускания.

При напуске газа в структуру электронный пучок, проходя через нее, ионизирует газ, создавая в канале структуры плазму. Плазменные электроны имеют сплошной энергетический спектр от нуля жо энергии пучка, но основное количество электронов имеет энергию до ≈ 100 эВ. Концентрация плазмы определяется скоростью ионизации газа и потерями плазмы. Основным видом потерь является вылет пламенных электронов вдоль магнитного поля на коллектор.

Вследствие больших потерь концентрация плазмы оказывается малой. Например, при использовании в качестве рабочего газа водорода и при давлении газа в структуре P=10^-4 Торр при потенциале коллектора, равном нулю, концентрация плазмы составляет ne ≈ 10⁹ см^-3. Такая концентрация не оказывает практически влияния на работу замедляющей структуры, т.е. она остается вакуумной.

Однако, если на коллекторе создан отрицательный потенциал, часть плазменных электронов, имеющих энергию Е_e<eu_k, отражается от коллектора и многократно двигаться в канале структуры, отражаясь от коллектора и от катода пушки (ускоряющее напряжение должно быть отрицательным, поданным на катод). При этом они дополнительно ионизируют газ и в результате концентрация плазмы возрастает. Чем выше U_k, тем больше часть электронов плазмы отражается от коллектора и тем выше концентрация плазмы в канале структуры. Как показали экспериментальные исследования, при U_k = -100 В практически все плазменные электроны отражаются от коллектора и при Р = 10^-4 Торр концентрация плазмы возрастает до n_e ≈10¹² см^-3.

Известно, что при наличии плазмы в резонаторах их резонансная частота увеличивается. Поэтому при образовании плазмы в структуре ее дисперсионная характеристика сдвигается в сторону более высоких частот. При концентрации плазмы n_e = 1-2·100¹² см^-3 плазменный частотный сдвиг ЦСР составляет Δf = 1-1,5 ННц. Поэтому, создавая различный отрицательный потенциал на коллекторе, можно изменять концентрацию плазмы в структуре и соответственно осуществлять перемещение полосы пропускания замедляющей структуры вверх по частоте, в результате чего рабочий диапазон частот СВЧ-прибора увеличивается.

Электронный пучок из пушки 1, ускоренный напряжением от источника 6, проходит через структуру 3, взаимодействует с СВЧ-сигналом, поступающим на вход структуры от блока 10, группируется, усиливает входной СВЧ-сигнал и проходит на коллектор. Ток электронного пучка I_b, проходя через какой-либо подключенный коллекторный резистор R_k блока 7, создает на нем падение напряжения, т.е. отрицательный потенциал U_k = I_b·R_k, который зависит от величины R_k. Блок 5 обеспечивает напуск газа в замедляющую структуру до некоторого давления. Вакуумный насос 2 обеспечивает перепад давления газа между замедляющей структурой 3 и электронной пушкой 1, обеспечивается в пушке низкое давление, необходимое для ее устойчивой работы. На блоке 10 устанавливается входной сигнал требуемой частоты с определенным уровнем входной мощности, а на блоке 17 установок задается необходимая величина выходной СВЧ-мощности.

При включении устройства входной сигнал с блока 10 поступает на входы блока 11 фильтров. Первый из этих фильтров может иметь полосу пропускания, равную полосе пропускания вакуумной замедляющей структуры. Другие фильтры имеют более узкие полосы пропускания порядка 0,1 ГГц, расположенные смежно выше верхней частотной границы вакуумной полосы пропускания замедляющей структуры. Сигнал с блока 10 заданной частоты проходит через соответствующий фильтр блока 11, детектируется и формируется на детекторах-формирователях блока 12 и далее поступает на соответствующий вход распределителя 8. Пример выполнения распределителя 8 приведен на блок-схеме. Он представляет собой группу реле 9, каждое из которых замыкает цепь соответствующего резистора через последовательно соединенные собственные замыкающие контакты и размыкающие контакты следующего реле. Последнее реле подключает резистор только через собственные контакты.

Сигнал с детектора-формирователя блока 12 поступает также на соответствующий вход преобразователя 13. Преобразователь 13 представляет собой блок, который при поступлении сигнала на какой-либо его вход вырабатывает на своем выходе напряжение соответствующей величины, причем чем выше частота сигнала с блока 10 и с соответствующего детектора-формирователя 12, тем выше напряжение на выходе преобразователя 13. Преобразователь 13 может быть выполнен, например, в виде ключевых элементов (реле) на каждом входе, соединенных с многоступенчатым резисторным делителем напряжения. Каждое реле, срабатывая, замыкает свою ступень делителя и на выходе преобразователя появляется соответствующее значение выходного напряжения. Реле переключают делитель также через собственные замыкающие контакты и размыкающие контакты следующего реле аналогично как в распределителе 8. Сигнал с преобразователя 13 поступает на управляющий вход переключателя 15, который выполнен с запоминанием и положительными импульсами устанавливается в одно положение, а отрицательными импульсами - в другое положение.

Если на блоке 10 установлена частота, расположенная в пределах вакуумной полосы пропускания замедляющей структуры, то сигнал с блока 10 проходит через первый фильтр блока 11 и первый детектор-формирователь блока 12 и включает первое реле К₁ блок 9, которое своими контактами К_1.1 подключает в цепь коллектора первый низкоомный резистор R₁(контакты К_2.2 другого реле при этом замкнуты), на котором ток пучка создает малый отрицательный потенциал, не препятствующий вылету плазменных электронов на коллектор. Концентрация плазмы в канале структуры оказывается малой и пучково-плазменный СВЧ-прибор работает на вакуумной полосе пропускания замедляющей структуры, усиливая входной СВЧ-сигнал заданной частоты.

Сигнал с выхода первого фильтра и детектора-формирователя поступает также на первый вход преобразователя 13 и на его выходе появляется скачок напряжения, который поступает на блок 14 дефференцирования. Блок 14 формирует положительный импульс, соответствующий моменту появления скачка напряжения, который поступает на управляющий вход переключателя 15 и устанавливает его в такое положение, что сигнал с блока 8 проходит на первый управляющий вход источника 6, через который осуществляется повышение ускоряющего напряжения U_b.

Выходная мощность с СВЧ-выхода замедляющей структуры измеряется датчиком 16 и сигнал с его выхода поступает на блок 18, который сравнивает его с сигналом от блока 17 установки выходной мощности и вырабатывает разностное управляющее напряжение, которое поступает через переключатель 15 на первый управляющий вход источника 6 и начинает повышать ускоряющее напряжение U_b. При возрастании U_b до некоторой величины происходит синхронное взаимодействие электронного пучка с СВЧ-волной в структуре, в результате чего выходная СВЧ-мощность Р_bnx увеличивается. Когда Р_bnx достигает заданной на блоке 17 величины, разностный сигнал с блока 18 уменьшается и рост U_b прекращается. Обычно ЛБВ проектируют так, что в пределах своей полосы частот она работает при одном значении ускоряющего напряжения. Поэтому для обеспечения ее работы в вакуумной полосе может быть достаточно одного фильтра 11. Если же при работе ЛБВ в вакуумной полосе при перестройке частоты для обеспечения постоянного уровня выходной мощности требуется изменять U_b, то необходимо использовать несколько фильтров, которые обеспечивают соответствующее изменение U_b при работе СВЧ-прибора в вакуумном варианте.

Если на блоке 10 устанавливается частота, расположенная выше полосы пропускания замедляющей структуры, то сигнал с блока 10 проходит через другой соответствующий фильтр 11 и детектор-формирователь 12 и включает другое соответствующее реле 9, которое своими контактами 8 замыкает другой, более высокоомный резистор в блоке 7, а предыдущий резистор с помощью размыкающих контактов этого реле отключается. Напряжение на коллекторе U_k = I_bR_k возрастает, концентрация плазмы в канале замедляющей структуры повышается и дисперсная характеристика структуры сдвигается в сторону высоких частот настолько, что новая заданная частота оказывается в пределах новой полосы пропускания структуры.

Сдвиг дисперсной характеристики структуры в сторону высоких частот происходит одновременно со сдвигом ее в сторону повышения ускоряющего напряжения. Поэтому при сдвиге частот необходимо повышать U_b. При установке новой, более высокой частоты, сигнал на выходе первого фильтра исчезает, а сигнал с другого фильтра и детектора-формирователя поступает на другой вход преобразователя 13, который выдает на своем выходе скачок возрастающего напряжения, который дифференцируется на блоке 14 и положительный сигнал с его выхода оставляет переключатель 15 в прежнем положении. Так как при перестройке частоты из-за нарушения синхронизма волны и пучка выходная мощность уменьшается, то разностный сигнал с блока 18 начинает дальше повышать ускоряющее напряжение до тех пор, когда вновь наступает синхронизм взаимодействия пучка с СВЧ-волной на новой частоте и выходная мощность вновь увеличивается до нового уровня.

При дальнейшем повышении частоты работа устройства повторяется аналогичным образом, а именно сигнал появляется на выходе третьего фильтра, к коллектору подключается еще более высокоомный резистор, потенциал на коллекторе возрастает, концентрация плазмы в структуре увеличивается, плазменный частотный сдвиг структуры возрастает и т.д.

Если на блоке 10 устанавливается вновь более низкая частота, чем предыдущая, то работа устройства осуществляется в обратном порядке, а именно сигнал появляется на более низкочастотном фильтре 11, а с предыдущего фильтра исчезает, поэтому на преобразователе 13 напряжение скачкообразно уменьшается и на выходе блока 14 дифференцирования появляется отрицательный сигнал, который устанавливает переключатель 15 в другое положение, при котором сигнал с блока 18 поступает на второй управляющий вход источника 6 и начинает понижать ускоряющее напряжение. Новое реле 8 подключает к коллектору более низкоомный резистор (предыдущий резистор отключается), потенциал коллектора понижается, концентрация плазмы в канале замедляющей структуры уменьшается, плазменный частотный сдвиг дисперсной характеристики структуры уменьшается, снижается требуемое на этой частоте синхронное ускоряющее напряжение, синхронизм пучка, движущегося с прежней, более высокой скоростью, с СВЧ-волной новой частоты нарушается, и выходная СВЧ-мощность уменьшается. Разностный сигнал с блока 18 сравнения поступает через переключатель 13 на второй управляющий вход источника 6 и начинает понижать ускоряющее напряжение до такой величины, когда синхронизм пучка с СВЧ-волной на новой частоте восстанавливается и выходная мощность вновь возрастает до заданного уровня.

Если на блоке 10 задается не узкополосный сигнал, а имеющий некоторую ширину спектра и он устанавливается на границе полос двух фильтров так, что спектр сигнала проходит через оба фильтра и срабатывают два реле, то и в этом случае подключенным оказывается только один резистор, так как цепь другого резистора размыкается контактами сработавшего реле. Аналогичным образом в этом случае срабатывает и преобразователь 13.

Так как при изменении U_k новое значение концентрации плазмы устанавливается за время ≈ 10^-6с, перемещение дисперсионной характеристики по частоте после переключения резисторов происходит практически мгновенно. При создании концентрации плазмы ne ≈ 10¹² - 2.10¹2 см^-3 частотный сигнал может составлять 1-1,5 ГГц, т. е. полоса рабочих частот СВЧ-прибора может быть увеличена в 2-3 раза по сравнению с обычной полосой.

Изобретение относится к радиоэлектронике, может быть использовано для создания широкополосных СВЧ-приборов и позволяет расширить диапазон полосы рабочих частот пучково-плазменного СВЧ-прибора. В прибор введены блок резисторов, распределитель, детектор-формирователь, блок фильтров, преобразователь, блок дифференцирования и переключатель, причем входы детекторного формирователя через блок фильтров подключены к блоку входного сигнала, а выходы его через распределитель и блок резисторов соединены с коллектором и через преобразователь, блок дифференцирования, переключатель, подключенный к блоку сравнения, - с источником высокого напряжения. 1 ил.

ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ-ПРИБОР, содержащий последовательно подключенные источник высокого напряжения, электронную пушку, вакуумный насос, замедляющую структуру, которая вакуумно соединена с блоком напуска газа, и коллектор, при этом вход замедляющей структуры подключен к блоку входного сигнала, а выход через датчик выходной мощности соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к блоку уставок, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона полосы рабочих частот в него введены блок резисторов, распределитель, детектор-формирователь, блок фильтров, преобразователь, блок дифференцирования и переключатель, причем входы детекторного формирователя через блок фильтров подключены к блоку входного сигнала, а выходы его через распределитель и блок резисторов соединены с коллектором и через преобразователь, блок дифференцирования, переключатель, подключенный к блоку сравнения соединены с источником высокого напряжения.