КЛИНОТРОН Российский патент 1994 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электровакуумным приборам и предназначено для генерирования электромагнитных колебаний миллиметровых и субмиллиметровых диапазонов волн в широкой полосе частот на уровне средних мощностей (в непрерывном режиме единицы - десятки ватт в миллиметровом диапазоне, десятки - сотни милливатт - в субмиллиметровом диапазоне).

Известны лампы обратной волны, содержащие электронно-оптическую и замедляющую систему, поверхность взаимодействия которой расположена параллельно оси электронного пучка, которые имеют электронную перестройку частоты в широкой полосе на уровне малых мощностей - десятки - сотни милливатт в миллиметровом диапазоне. Для того, чтобы добиться плавной перестройки по диапазону, необходимо исключить отражения от пушечного и коллекторного концов прибора. Для этого добиваются малого коэффициента отражения (КСВ ≅ 2,0) со стороны выходного устройства, а коллекторный конец согласуется с помощью поглощающих нагрузок. Однако такое согласование в миллиметровом и тем более в субмиллиметровом диапазонах представляет значительные трудности, в частности, из-за отсутствия поглощающих нагрузок с необходимыми характеристиками. Наличие отражений влияет на амплитудно-частотную характеристику ЛОВ, она в этом случае становится волнистой. При больших отражениях в частотной характеристике появляются разрывы и она состоит из отдельных областей генерации, а в зависимости от мощности по диапазону имеют место точки малой или нулевой мощности. В тех областях, где резонансная ЛОВ работает, она имеет несколько больший уровень мощности и большую стабильность частоты, чем согласованная ЛОВ.

Известна резонансная ЛОВ, содержащая электронно-оптическую и замедляющую системы, в которой плавная перестройка по частоте достигается путем комбинированной перестройки - электрической и механической. Механическая перестройка осуществляется за счет изменения зазора между поверхностью замедляющей системы - гребенки и противоположной ей стенкой волновода. Недостатком такого решения является следующее. Для обеспечения необходимой перестройки стенку волновода следует приближать к поверхности замедляющей системы на расстояние, равное или меньшее замедленной длины волны. Обычно в ЛОВ используются системы с замедлением порядка 10, т. е. замедленная длина волны на порядок меньше длины волны в свободном пространстве. Это значит, что расстояния на которые следует приближать стенку волновода, должны составлять десятые - сотые доли мм, что сложно осуществить, так как замедляющую систему в генераторе возбуждает проходящий над ее поверхностью электронный пучок, толщина которого ограничивает возможности перемещения стенки волновода по отношению к поверхности системы.

В качестве прототипа выбран прибор типа ЛОВ с повышенным КПД и мощностью, содержащий электронно-оптическую систему и гребенчатую замедляющую систему, поверхность взаимодействия которой расположена под острым углом к оси параксиального электронного пучка. Такие приборы в настоящее время получили название "клинотроны", в них используется толстый по сравнению с замедленной длиной волны электронный пучок и обеспечивается выходная мощность на порядок больше, чем в обычных лампах обратной волны, т. е. являются генераторами средней мощности.

Недостатком устройства-прототипа является наличие отражений от пушечного и коллекторного концов лампы, что приводит к работе прибора в отдельных дискретных областях по частоте. Причем в силу случайного характера отражений положение указанных областей от прибора к прибору не повторяется и, следовательно, не контролируются точки малой мощности и участки без генерации.

Целью изобретения является обеспечение плавной перестройки клинотрона по частоте в широком диапазоне с малым перепадом уровня выходной мощности.

Цель достигается тем, что клинотрон, содержащий электронно-оптическую систему и гребенчатую замедляющую систему, поверхность взаимодействия которой расположена под острым углом к оси параксиального электронного пучка, толстого по сравнению с замедленной длиной волны, имеет металлические пластины с выступами шириной, равной или большей замедленной длины волны, и высотой h/3 ≅ t ≅ h/2, где h - высота ламели, закрепленные на механизме перемещения и расположенные по бокам гребенчатой замедляющей системы на расстоянии, большем замедленной длины волны, причем выступ на одной пластине выполнен на уровне вершин ламелей гребенки, а на другой - на уровне оснований ламелей гребенки.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как патентный поиск, проведенный по материалам СССР, США, Англии, ФРГ, Франции, Японии, Швейцарии, клинотрона заявляемой конструкции не выявил.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение предлагаемого клинотрона.

Он содержит электронно-оптическую систему 1, гребенчатую замедляющую систему 2, выходной волновод 3, пластину 4 с выступом на уровне вершин ламелей гребенки, пластину 5 с выступом на уровне оснований ламелей гребенки, механизм 6 перемещения. Электронно-оптическая система 1 формирует электронный пучок, возбуждающий гребенчатую замедляющую систему 2. По бокам гребенки, параллельно им, находятся две металлические пластины 4 и 5. Пластина 4 выполнена так, что она имеет выступ вдоль всех ламелей гребенки длиной L, шириной, равной или большей замедленной длины волны середины соответствующего диапазона длин волн, на уровне вершин ламелей гребенки. Экспериментально установлено, что для клинотронов длинноволновой части миллиметрового диапазона высота выступа t составляет приблизительно половину высоты ламелей h, а в коротковолновой части в миллиметровых и в субмиллиметровых диапазонах - ее третью часть. Таким образом, высота выступа определяется соотношением h/3 ≅ t ≅ h/2. За пределами этих значений поставленная в изобретении цель не достигается. Пластина 5 выполнена аналогично пластине 4 с той разницей, что выступ выполнен на уровне оснований ламелей гребенки. Пластины 4 и 5 прикреплены к механизму 6 перемещения, который позволяет перемещать их параллельно боковым поверхностям гребенки одновременно или каждую в отдельности. В начальном положении расстояние l между боковой поверхностью гребенки и выступом пластины равно или больше замедленной длины волны. Выходной волновод 3 служит для вывода энергии из пространства взаимодействия прибора.

Устройство работает следующим образом. При возбуждении гребенки 2 электронным пучком, когда пластины 4, 5 находятся в некотором фиксированном положении относительно боковых поверхностей гребенки, наблюдается определенная амплитудно-частотная характеристика прибора (например, кривые 1 и 2 на фиг. 2). Меняя расстояние между боковой поверхностью гребенки и пластинами, можно менять индуктивную (пластина 5) или емкостную (пластина 4) связь между резонаторами гребенки и тем самым управлять амплитудно-частотной характеристикой прибора. Наблюдается смещение амплитудно-частотной характеристики, т. е. появляются колебания в области, где ранее генерации не было. Например, в условиях эксперимента за счет изменения емкостной связи между резонаторами гребенки при изменении зазора между боковой поверхностью гребенки и выступом пластины от 0,1 λ₃ до 0,5 λ₃ (λ₃ -замедленная длина волны) частотная характеристика сместилась в среднем на 4%.

Таким образом, пользуясь механизмом перемещения, можно осуществлять комбинированную электронно-механическую перестройку прибора во всей полосе работы замедляющей системы. Так как пластины перемещаются относительно боковых поверхностей гребенки, то они могут сколь угодно близко подходить к гребенке, что особенно существенно в субмиллиметровом диапазоне. Минимальное расстояние от боковой поверхности гребенки до выступа определяется точностью изготовления элементов прибора и, как показали экспериментальные исследования, составляет величину порядка 0,1 замедленной длины волны.

По сравнению с прототипом предлагаемый прибор имеет по преимущество, что в нем можно получить выходную мощность на уровне средней во всей полосе возбуждения замедляющей системы, что является весьма важным при разработке и практическом использовании прибора.

Это в значительной мере повышает процент выхода изготавливаемых приборов по их выходным характеристикам и расширяет область их применения.

Использование: электровакуумные приборы для генерирования электромагнитных колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн в широкой полосе частот на уровне средних мощностей. Сущность: клинотрон содержит электронно-оптическую систему и гребенчатую замедляющую систему, поверхность взаимодействия которой расположена под острым углом к оси параксиального электронного пучка, толщиной, равной или превышающей λ , где l - средняя по рабочему диапазону длина замедленной волны, две металлические пластины с выступами, ширина которых равна или больше l, высота h/3 ≅ t ≅ h/2 , где h - высота ламелей гребенки, металлические пластины закреплены на механизме перемещения и расположены по бокам гребенчатой замедляющей системы на расстоянии l ≥ λ , при этом основание выступа на первой пластине выполнено на уровне вершин ламелей гребенчатой замедляющей системы, а на второй - на уровне оснований ламелей гребенчатой замедляющей системы. 2 ил.

КЛИНОТРОН, содержащий электронно-оптическую систему и гребенчатую замедляющую систему, поверхность взаимодействия которой расположена под острым углом к оси параксиального электронного пучка толщиной, равной или превышающей λ , где λ - средняя по рабочему диапазону длина замедленной волны, отличающийся тем, что, с целью обеспечения непрерывности амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне, в него введены две металлические пластины с выступами, ширина которых равна или превышает λ , высота h/3 ≅ t ≅ h/2, где h - высота ламелей гребенки, металлические пластины закреплены на механизме перемещения и расположены по бокам гребенчатой замедляющей системы на расстоянии l ≥ λ , при этом основание выступа первой металлической пластины выполнено на уровне вершин ламелей гребенчатой замедляющей системы, а второй - на уровне оснований ламелей гребенчатой замедляющей системы.