ГЕНЕРАТОР СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к генерированию СВЧ-колебаний и может найти применение в специальных системах передачи СВЧ-энергии на расстояние, в радиолокации, в системах радиовидения, в системах нагрева плазмы и др.

Известны устройства для генерирования СВЧ-колебаний, содержащие расположенные вдоль прямой линии электрически связанные объемные резонаторы со щелями связи и внешние магнитные системы для создания магнитного поля в рабочем канале. Эти устройства могут быть как генераторами, так и усилителями (ЛБВ и ЛОВ типа М) [1]
Недостатками всех этих устройств является то, что преобразование энергии электронных потоков происходит в небольшом объеме внешнего магнитного поля, что не позволяет получить высокую мощность и удельную мощность на единицу массы и единицу объема прибора. Значительные части массы и объема аналогов занимают внешние магнитные системы, которые вносят основное ограничение на относительную величину объема рабочего канала, мощность и удельную мощность прибора.

Известен генератор СВЧ-излучения, содержащий генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных резонаторов со щелями связи, образующих анодный резонаторный блок и катод [2]
Прототипу присущи все недостатки, указанные для аналогов. Кроме того, этот генератор имеет сравнительно сложную конструкцию.

Целью изобретения является упрощение конструкции и увеличение выходной мощности.

Цель изобретения достигается тем, что в генераторе СВЧ-излучения, содержащем генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных и объемных резонаторов со щелями связи, образующих анодный резонаторный блок, и катод, щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде, симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы со щелями связи.

Дополнительно цель изобретения достигается тем, что генератор СВЧ-излучения содержит не менее двух генераторных модулей, расположенных соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны и заключенных в общую волноводную систему.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 7.

На фиг. 1 показан поперечный разрез одной секции генераторного модуля, где 1 анодная секция, 2 анодная ламель, 3 внутренний объем анодного резонатора, 4 щели связи, 5 выходная щель, 6 катодная секция, 7 - катодная ламель, 8 внутренний объем катодного резонатора, 9 катодные щели, 10 электронные эмиттеры любого известного вида 11, 12 электрические зажимы для подвода электрической энергии от внешнего источника. Анодные и катодные секции расположены вдоль образующей окружности, как показано на фиг. 2 (поперечный разрез), где 13 радиальные токоподводы к катодным ламелям, 14 - корпус коаксиального резонатора волн Н_оп, 15 радиальные токоподводы к анодным секциям, 16 радиальные токоподводы к катодным секциям, 17 прорезь или катодный резонатор длинных волн. Анодные и катодные щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении.

При работе генератора к зажимам 11, 12 каждой секции подают один и тот же высоковольтный импульс напряжения в несколько сотен кВ. Под действием напряжения формируется ток автоэлектронной эмиссии со средней плотностью радиального тока j_r со всех поверхностей эмиттеров 10 (фиг. 1). В анодных и катодных ламелях 2, 7 протекает азимутальная составляющая анодного тока j_a, модуль которого возрастает к точкам крепления ламелей к секциям. Азимутальная составляющая анодного тока создает в рабочем канале поперечное магнитное поле с индукцией В. Под действием этого поля электроны приобретают азимутальную скорость V, значение которой возрастает от 0 у катода до релятивистской у анода.

На фиг. 3 показаны расчетные графики зависимости средней плотности тока и азимутальной скорости V электронов для одного из режимов работы генератора: амплитуда импульса напряжения 500 кВ, длительность импульса 10^-7 c. Графики скорости электронов на половине расстояния межэлектродного зазора (r l/2) и у анода (r l) имеют участок плато, что обеспечивает автоматическое поддержание условия синхронизации с учетом допустимого диапазона на всем протяжении длительности импульса или рабочего промежутка времени t_p. В режиме преобразования энергии импульса напряжения в энергию СВЧ-колебаний работа генератора подобна работе релятивистского магнетрона.

Отсутствие внешнего магнита позволяет расположить соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны любое количество генераторных модулей, заключенных в общую волноводную систему.

На фиг. 4 показан продольный разрез генератора, содержащего четыре генераторных модуля, где 19 анодный резонаторный блок модуля, 20 катодный блок, 21 радиальный токоподвод, 22 связки, которые одновременно выполняют роль токоподводов к анодным секциям, 23 изолирующая втулка, 24 рупор, 25 - конус, 26 проходная диафрагма из диэлектрика, 27 дополнительные формирующие втулки. Генераторные модули расположены в корпусе коаксиального резонатора волн Н_оп, образующие общую волноводную систему для всех генераторных модулей. Для данной схемы подвод первичной энергии осуществляется по коаксиальным электродам 11, 12 с одной стороны генератора. Количество генераторных модулей ограничивается возрастанием плотности мощности излучения на входе излучателя из рупора 24 и конуса 25 и пробоем диафрагмы 26.

При работе генератора по схеме на фиг. 4 СВЧ-энергия из резонатора 14 выводится непосредственно на излучение через рупор 24.

Генераторные модули 30 (фиг. 5) могут быть расположены в тороидальном резонаторе 31 волн Н_оп с радиальными токоподводами 11, 12. Большой радиус тороидального резонатора 31 должен быть значительно больше длины волны колебаний. СВЧ-энергия из резонатора 31 при работе генератора может выводиться через фидерные линии 32 любого известного вида.

На фиг. 6 показан продольный разрез излучающей системы на основе генераторов с тороидальными резонаторами 31, где 33 поверхность решетки. В зависимости от длины волны СВЧ-энергия может выводится к решетке или вибраторами 34, или гибкими прямоугольными волноводами с излучающими рупорами на выходе. Синхронизация колебаний в соседних тороидальных резонаторах осуществляется связками 37. Все генераторные модулей 30 и тороидальных резонаторов 31 можно получить любой требуемый уровень мощности излучения. Мощность излучения ограничивается пробоем среды на поверхности решетки и мощностью источника питания.

На фиг. 7 показана развертка части анодных ламелей 2, на которых изображены мгновенные распределения зарядов q и высокочастного поля Е в одной из плоскостей радиального сечения при возбуждении π-колебаний. Токоподводы 12 и связки 22 находятся в точках нулевых потенциалов высокочастотных колебаний. Заряды и поля в анодных резонаторах и на ламелях соседних генераторных модулей колеблются в противофазе. Поперечное магнитное поле В всех генераторных модулей направлено в одну сторону. Расстояния между соседними модулями по плоскостям экваториальных сечений модулей Z_c равны половине рабочей длине волны.

Технико-экономическая эффективность генератора обусловлена новым выполнением конструкции, что исключило необходимость применения внешних магнитов и существенно упростило конструкцию. Отсутствие внешних магнитов позволяет располагать соосно любое количество генераторных модулей, что позволяет увеличить мощность до любого требуемого уровня.

Источники информации
1. Лебедев Н.В. Техника и приборы СВЧ. т. 2, М. Высшая школа, 1972, с. 107, 375.

Диденко А. Н. и др. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М. Энергоатомиздат, 1984, с. 112. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6

Использование: в специальных системах передачи СВЧ-энергии на расстояние, в радиолокации, в системах радиовидения, в системах нагрева плазмы. Сущность изобретения: в генераторе СВЧ-излучения, содержащем модуль, состоящий из анодных резонаторов с щелями связи, образующих анодный резонаторный блок, и катод, щели связи смещены по азимуту относительно середины анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Генератор СВЧ -излучения, содержащий генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных объемных резонаторов с щелями связи образующих анодный резонаторный блок и катод, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и увеличения выходной мощности, щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде, симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы со щелями связи. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что содержит не менее двух генераторных модулей, расположенных соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны и заключенных в общую волноведущую систему.