МНОГОЛУЧЕВОЙ СВЧ - ПРИБОР Российский патент 1996 года по МПК H01J23/00 H01J25/00 

Изобретение относится к СВЧ-технике, в частности к электровакуумным усилительным приборам СВЧ О-типа, например лампам бегущей волны (ЛБВ) СВЧ-диапазона.

Известны классические однолучевые ЛБВ с замедляющей системой (ЗС), состоящей из цепочки связанных резонаторов (ПСР) с пролетным каналом в центральной части, через который с катода проходит электронный поток. Вход и выход ЛБВ согласованы с ЗС, что обуславливает наличие небольших отражений сигналов от переходных участков. Отраженные паразитные волны поглощаются нанесенным на части диафрагм специальными поглотителями, что обеспечивает работу ЛБВ с усилением 40-50 дБ без самовозбуждения, при достаточно больших длинах ЗС, содержащих несколько десятков резонаторов вдоль электронного потока. ЛБВ такой конструкции обладают достаточно широкой полосой усиливаемых частот (10-15% ), большим коэффициентом усиления, но имеют низкий электронный КПД, определяемый как длительным процессом группировки, так и поглощением основной усиливаемой волны поглотителем.

Известны сравнительно короткие прозрачные ЛБВ, содержащие около десятка резонаторов вдоль электронного потока, работающие без внутреннего поглотителя, в которых процесс группировки и отбора энергии идет на сравнительно небольшой длине. Прозрачные ЛБВ имеют электронный КПД примерно в 1,5-2 раза выше, чем классические ЛБВ (с поглотителем), однако из-за малой длины коэффициент усиления таких ЛБВ невысок и составляет 10-15 дБ.

Известны конструкции классических и прозрачных ЛБВ на основе многолучевой электронно-оптической системы. В таких ЛБВ вдоль центральной части ЗС выполнено несколько близко расположенных пролетных каналов, соосных с катодами многолучевой электронно-оптической системы.

В таких многолучевых ЛБВ благодаря малому пространственному заряду отдельных электронных потоков в каждом пролетном канале для фокусировки электронных потоков требуются меньшие магнитные поля, чем в однолучевой ЛБВ с таким же суммарным электронным током.

В коротких прозрачных многолучевых ЛБВ для фокусировки электронных потоков могут использоваться постоянные магниты (ПМ).

Известно построение цепочек усилителей на ЛБВ, в которых несколько ЛБВ соединены друг с другом СВЧ-трактом так, что с выхода первой ЛБВ сигнал подается на вход другой ЛБВ. Цепочка усилителей, построенная таким образом, имеет широкую полосу рабочих частот и большой коэффициент усиления, равный сумме коэффициентов усиления.

Недостатками такого построения усилителей являются большие массогабариты и низкий электронный КПД.

Наиболее близким техническим решением (прототипом изобретения) является известная лампа бегущей волны, в которой несколько одинаковых заземляющих систем, представляющих собой круглые одинаковые волноводы с перемычками, помещенными на определенном расстоянии вдоль системы, расположены параллельно и симметрично оси прибора. Через каждую замедляющую систему проходит с эмиттирующих участков общего катода электронный поток. Вдоль оси прибора расположен круглый волновод, который со стороны катода имеет разводящую СВЧ энергию звезду, посредством которой все замедляющие системы оказываются соединенными параллельно, и через который осуществляется одновременное возбуждение всех замедляющих систем, а в выходном устройстве происходит сложение мощностей от всех замедляющих систем. Хотя такая конструкция и позволяет увеличить выходную мощность по сравнению с ЛБВ, имеющей одну замедляющую структуру, вдоль которой проходит электронный поток, в лучшем случае в число раз используемых параллельных замедляющих систем. Однако ей присущ тот же недостаток, что и однолучевой ЛБВ, низкий электронный КПД.

Цель изобретения увеличение КПД и уменьшение габаритных размеров усилителя типа ЛБВ.

Предлагается многолучевой СВЧ-прибор О-типа, содержащий по крайней мере две параллельные системы взаимодействия, соединенные высокочастотным трактом, устройства ввода и вывода энергии, систему формирования электронных потоков и коллекторную систему, в котором все системы взаимодействия, начиная с входной, соединены высокочастотным трактом последовательно, диаметры пролетных каналов и интенсивности электронных лучей увеличены последовательно от входной системы взаимодействия к выходной, система взаимодействия с наиболее интенсивным электронным лучом расположена вблизи оси прибора, а одна из систем взаимодействия выполнена прозрачной для энергии усиливаемого сигнала.

Сущность изобретения состоит в том, что в многолучевом СВЧ-приборе несколько параллельно расположенных систем взаимодействия, вдоль которых проходят электронные потоки разной интенсивности, соединены между собой последовательностью СВЧ-трактом и находятся в одном фокусирующем магнитном поле, а система взаимодействия с наиболее интенсивным электронным потоком расположена ближе к оси фокусирующей системы (прибора) для уменьшения динамической расфокусировки электронного потока из-за больших неоднородностей магнитного фокусирующего поля.

В предлагаемой конструкции ЛБВ мала и габариты фокусирующей системы определяются размерами короткой прозрачной структуры, вдоль которой проходит наиболее интенсивный электронный поток. Электронные потоки меньшей интенсивности предыдущих каскадов работают в магнитном поле, рассчитанном для выходной системы.

Для данного технического решения возможно применение замедляющих структур различного типа. Для фокусировки электронных потоков могут использоваться магнитные поля, создаваемые различными источниками: соленоид, постоянный магнит и т.д.

В предлагаемом техническом решении в части замедляющих структур, например исключая последнюю, могут применяться поглотители для подавления самовозбуждения в отдельных каскадах усилителя. В то же время предлагаемое решение дает возможность во всех каскадах усилителя использовать прозрачные структуры (без поглотителя) и работать с высоким КПД, а за счет увеличения числа каскадов получать к тому же большой коэффициент усиления.

На чертеже показана предлагаемая конструкция ЛБВ.

Замедляющие системы 1-3, расположенные параллельно оси прибора, имеют пролетные каналы 4-6 и соосные им катоды 7-9. Входная замедляющая система 1 имеет устройство 10 ввода энергии, а входная замедляющая система 3 имеет устройство 11 вывода энергии. Входная часть ЗС 1 соединена высокочастотным трактом (волноводом, коаксиалом) 12 с первыми секциями ЗС 2, а выходная часть ЗС 2 соединена высокочастотным трактом 13 с первыми секциями замедляющей системы 3. Фокусирующая магнитная система 14 соленоид (ПМ).

Работа предлагаемой ЛБВ осуществляется следующим образом. Через устройство 10 ввода на вход первой системы взаимодействия подается маломощный СВЧ-сигнал, который усиливается до определенного уровня электронными потоками небольшой интенсивности, проходящими вдоль этой системы, и с ее выхода подается на вход следующей системы 2. Длина этой системы и проходящий через нее электронный поток рассчитаны на усиление поданного сигнала в несколько раз. По достижении достаточно высокого уровня этот сигнал поступает на вход, например, последней прозрачной структуры 3, вдоль которой проходит электронный поток большой мощности (по сравнению с предыдущими каскадами) с выходной части этой системы взаимодействия усиленный сигнал большой мощности выводится через устройство 11 вывода энергии в полезную нагрузку.

В предлагаемой конструкции ЛБВ за счет применения короткой прозрачной системы взаимодействия в выходной части прибора достигается высокий КПД, а учитывая, что каждый каскад усиления сравним с ней по своей длине, то достигается и уменьшение массогабаритных характеристик.

Использование: изобретение относится к СВЧ-технике. Сущность изобретения: многолучевой СВЧ-прибор выполнен с несколькими параллельно расположенными системами взаимодействия в виде замедляющих систем, соосных с отдельными эмиттерами многолучевой электронно - оптической системы, в которой замедляющие системы соединены последовательно друг с другом СВЧ-трактами. 1 ил.

МНОГОЛУЧЕВОЙ СВЧ - ПРИБОР О-типа, содержащий по крайней мере две параллельных системы взаимодействия, соединенные высокочастотным трактом, устройства ввода и вывода энергии, систему формирования электронных потоков и коллекторную систему, отличающийся тем, что все системы взаимодействия, начиная с входной, соединены высокочастотным трактом последовательно, диаметры пролетных каналов и интенсивности электронных лучей увеличены последовательно от входной системы взаимодействия к выходной, причем система взаимодействия с наиболее интенсивным электронным лучом расположена вблизи оси прибора, а одна из систем взаимодействия выполнена прозрачной для энергии усиливаемого сигнала.