ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МИКРОВОЛНОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 1995 года по МПК H01J23/24 

Изобретение относится к технике и электронике сверхвысоких и крайне высоких частот (СВЧ и КВЧ).

Замедляющие системы (ЗС) применяются в микроволновых электронных приборах (лампах бегущей и обратной волны, твистронах, магнетронах и т.п.) для уменьшения скорости распространения электромагнитной волны до значения, приблизительно равного скорости движения электронов, с целью обеспечения длительного взаимодействия электромаг- нитного поля волны с электронным потоком. Известны конструкции ЗС для мощных микроволновых приборов диапазонов СВЧ и КВЧ.

Однако такие конструкции обладают недостаточно высоким сопротивлением связи и сравнительно узкой полосой пропускания, что ограничивает возможности улучшения параметров электронных приборов, в которых используются эти системы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ЗС типа цепочки связанных кольцевых резонаторов (ЦСКР), которая предназначена для использования в приборах с многолучевым электронным потоком. ЗС состоит из коаксиального волновода, разделенного диафрагмами на отдельные кольцевые резонаторы. В диафрагмах имеются отверстия для прохождения электронных потоков (пролетные отверстия) и азимутально расположенные щели, обеспечивающие связь между смежными резонаторами.

В рабочей полосе пропускания в резонаторах возбуждаются колебания вида Е₀₁₀, магнитное поле которых наводит радиальный поверхностный ток в диафрагмах. Если колебания в смежных резонаторах синфазны, поверхностные токи на двух стенках диафрагмы имеют противоположные направления и не возбуждают колебания в щели связи. Поэтому частота ω_о, соответствующая сдвигу фазы колебаний ϕ 0, близка к собственной частоте резонатора ω_р. При сдвиге фаз колебаний в смежных резонаторах ϕ π поверхностные токи на стенках диафрагмы имеют одинаковые направления и возбуждают колебания в щели связи. Эквивалентная емкость щели добавляется к емкости резонатора, уменьшая его резонансную частоту ω_π. В результате ЗС типа ЦСКР обладает отрицательной дисперсией (ω_о > ω_π) и в качестве рабочей необходимо использовать ее минус первую пространственную гармонику, обладающую существенно меньшим, по сравнению с основной, сопротивлением связи (0,1-1 Ом). Кроме того, перекрытие электромагнитных полей смежных щелей связи ограничивает ширину полосы пропускания ЗС типа ЦСКР до 15-25% и приводит к сильной зависимости ее дисперсионной характеристики от угла разворота щелей в смежных диафрагмах.

Задачей изобретения является создание замедляющей системы, лишенной отмеченных недостатков и позволяющей улучшить параметры электронных приборов, в которых она используется.

Сущность изобретения заключается в том, что в каждый резонатор замедляющей системы, содержащей внутренний и внешний проводники коаксиального волновода, разделенного на отдельные резонаторы поперечными диафрагмами с азимутальными щелями связи и отверстиями для прохождения электронного потока, соосно продольной оси системы введен металлический диск с отверстиями для прохождения электронного потока, закрепленный на поверхности одного из проводников коаксиального волновода и образующий кольцевой зазор с другим проводником.

В результате введения металлического диска в резонаторе образуются два высокочастотных зазора, а его основным видом колебаний становится квази-Т вид, электрическое и магнитное поля которого имеют противоположные направления в зазорах резонатора, что приводит к изменению типа дисперсии и позволяет в качестве рабочей использовать основную пространственную гармонику. Установка диска в резонаторе приводит также к экранированию электромагнитных полей щелей связи в смежных диафрагмах.

Таким образом, техническим результатом, который достигается при осуществлении изобретения, является увеличение сопротивления связи рабочей пространственной гармоники и расширение полосы пропускания.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемой ЗС с диском, закрепленным на внутреннем проводнике волновода; на фиг.2 то же, с диском, закрепленным на внешнем проводнике; на фиг.3 сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.5 представлены расчетная и экспериментальная характеристики ЗС.

Замедляющая система содержит внешний 1 (7) и внутренний 2 (8) проводники коаксиального волновода, диафрагмы 3 (9) с одной или несколькими щелями 4 (10) связи и диск 5 (11), соединенный с внутренним или внешним проводниками коаксиального волновода. В диафрагмах и дисках имеются соосные отверстия 6 (12) для прохождения электронного потока.

Замедляющая система работает следующим образом.

Благодаря наличию диска 5 (11), закрепленного на одном из проводников, в каждом резонаторе ЗС возбуждается квази-Т вид колебаний, напряженность магнитного поля которого ориентирована азимутально и имеет противоположные направления у левой и правой диафрагм резонатора. Азимутальное магнитное поле наводит радиальный ток, текущий по поверхности диафрагм, причем направление этого тока одинаково для обеих диафрагм. Азимутально расположенные щели 4 (10) связи создают препятствие для протекания тока, вследствие чего в них возбуждаются колебания и возникает ток смещения, обеспечивающий непрерывность линий полного тока. Амплитуда тока смещения щелей, а следовательно, и амплитуда колебаний электромагнитного поля в них, пропорциональна алгебраической сумме поверхностных токов, текущих по двум стенкам диафрагмы, и наводимых магнитным полем смежных резонаторов.

Если сдвиг фазы колебаний в соседних резонаторах ϕ=π, токи на поверхностях диафрагмы, наводимые колебаниями в смежных резонаторах, имеют противоположные направления, их сумма равна нулю и колебания в щели связи не возбуждаются. Частота ω_π, соответствующая этому значению угла сдвига фаз ϕ, близка к собственной частоте резонатора ω_р. При ϕ 0 токи на поверхностях диафрагмы имеют одинаковые направления, их сумма отлична от нуля и имеет максимальное значение. Поэтому в щели возникают колебания и эквивалентная емкость резонатора увеличивается, что приводит к уменьшению частоты ω_о. Следовательно, предлагаемая ЗС обладает положительной дисперсией, что позволяет в таких приборах, как лампа бегущей волны, твистрон и т.п. использовать в качестве рабочей нулевую пространственную гармонику, обладающую наибольшим сопротивлением связи. Так как диск экранирует щели связи, их поля не перекрываются, что приводит к расширению полосы пропускания и слабой зависимости дисперсионной характеристики от угла разворота щелей в смежных диафрагмах.

Диск 5 (11), вводимый в резонатор, может соединяться либо с внешним 1 (7), либо с внутренним 2 (8) проводником коаксиального волновода. Размеры диска должны обеспечивать наличие зазора между ним и одним из проводников коаксиального волновода и экранировку щелей в смежных диафрагмах. Математическое моделирование двухзазорных кольцевых резонаторов методом конечных разностей показало, что в резонаторах с креплением диска как на внутреннем, так и на внешнем проводниках коаксиального волновода наиболее низкочастотным (основным) является квази-Т вид колебаний с противоположно направленными полями в зазорах. Поэтому тип дисперсии ЗС с резонаторами обеих конфигураций одинаков. Максимум напряженности магнитного поля резонатора находится вблизи той поверхности, с которой соединен диск. Так как щели связи должны находиться в области максимального магнитного поля резонатора, в случае крепления диска к внутреннему проводнику они находятся вблизи внешнего, а в случае крепления к внешнему вблизи внутреннего проводника коаксиального волновода. Пролетные отверстия располагаются в области максимума электрического поля резонатора, т.е. вблизи внутреннего края диска в первом случае и внешнего во втором.

ЗС с креплением диска на внешнем проводнике более широкополосна, так как позволяет разместить большее число щелей связи, а ЗС с креплением диска на внутреннем проводнике позволяет использовать электронные потоки с большим количеством лучей. Таким образом, диапазон параметров приборов, в которых может быть использована предлагаемая ЗС, существенно расширяется.

Для исследования был изготовлен макет замедляющей системы, масштабированный с целью упрощения измерений на рабочую частоту 2 ГГц. Макет ЗС с креплением диска на внутреннем проводнике имел следующие размеры, мм: Радиус внутреннего стержня 12 Радиус диска 30 Радиус резонатора 40,5 Период 20 Длина зазора 8 Толщина диафрагмы 3 Толщина диска 1 Длина щели 45 Ширина щели 10
На фиг. 5 представлены результаты экспериментального и теоретического исследования предлагаемой ЗС.

Значения сопротивления связи, показанные на фиг.5 цифрами, получены расчетным путем.

Анализ результатов исследования показывает, что предложенная замедляющая система имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
дисперсия основной пространственной гармоники положительна;
сопротивление связи увеличено приблизительно на порядок;
ширина полосы пропускания достигает 50%

Использование: в электрическом приборостроении, в частности в устройствах замедляющей системы для микроволновых электронных приборов. Сущность изобретения: в каждый резонатор замедляющей системы,содержащий внешний и внутренний проводники коаксиального волновода, который разделен на отдельные резонаторы поперечными диафрагмами с азимутальными щелями связи и отверстиями для прохождения электрического потока, введен соосно продольной оси системы металлический диск с отверстиями для прохождения электронного потока, закрепленный на поверхности одного из проводников коаксиального волновода и образующий кольцевой зазор с другим проводником. Введение в резонатор диска позволяет увеличить сопротивление связи рабочей пространственной гармоники и расширить полосу пропускания замедляющей системы. 5 ил.

ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МИКРОВОЛНОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ, содержащая внешний и внутренний проводники коаксиального волновода, который разделен на отдельные резонаторы поперечными диафрагмами, имеющими азимутальные щели связи и отверстия для прохождения электронного потока, отличающаяся тем, что в каждый резонатор соосно с продольной осью системы введен металлический диск с отверстиями для прохождения электронного потока, соосными с отверстиями в диафрагмах, закрепленный на поверхности одного из проводников волновода и образующий колцевой зазор с другим проводником.