ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ПРИБОР СВЧ ТИПА "О" С СОСРЕДОТОЧЕННЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ Российский патент 1997 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ типа "О" с сосредоточенным взаимодействием и может быть использовано как усилитель и как генератор СВЧ сигнала.

Известна конструкция электровакуумного прибора СВЧ типа "О" с сосредоточенным взаимодействием клистрона [1] содержащего триодную электронную пушку, пролетный канал, резонаторы, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор. Электронная пушка формирует поток с постоянной или переменной во времени плотностью тока, пропорциональной величине напряжения, подаваемого на сетку пушки, причем электронный поток поступает в зазор первого резонатора с энергией, определяемой анодным потенциалом прибора. Входной СВЧ сигнал подается в первый резонатор, размещенный после анода электронной пушки. В зазоре первого резонатора электронный поток приобретает переменные скорости, которые обеспечивают группирование потока в пролетном канале. Для получения высокого КПД и усиления в подобных приборах настройки резонаторов и длины пролетных труб подбираются так, чтобы в зазоре выходного резонатора электронный поток был сгруппирован в короткие плотные сгустки, однако высокий КПД в клистроне достигается только в узком интервале изменения частоты и величины входного сигнала.

Известна конструкция электровакуумного прибора СВЧ типа "О" с сосредоточенным взаимодействием клистрода [2] содержащего: триодную электронную пушку, пролетный канал, 2 резонатора, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, причем зазор первого резонатора образован катодом и сеткой пушки. Входной СВЧ сигнал подается в первый резонатор и поступает на сетку триодной электронной пушки. В пушке происходит модуляция электронного потока по плотности СВЧ напряжением. Триодная пушка работает с углом отсечки катодного тока порядка 90^o при этом в пролетный канал поступают сгустки электронов длиной около половины периода. Триодная электронная пушка заменяет несколько резонаторов, выполняющих группирование потока в пролетном клистроне. Клистроды имеют высокий КПД при более простой конструкции, чем клистроны. Недостатком клистродов является малый коэффициент усиления.

Известна конструкция электровакуумного прибора СВЧ типа "О" с сосредоточенным взаимодействием триод-клистрона [3] который является усовершенствованием клистрода, содержащего триодную электронную пушку, пролетный канал, 3 резонатора, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, причем зазор первого резонатора образован катодом и сеткой пушки. Входной СВЧ сигнал подается в первый резонатор и поступает на сетку триодной электронной пушки. Дополнительный резонатор предназначен для увеличения коэффициента усиления триод-клистрона по сравнению с клистродом за счет дополнительного группирования сгустков, выходящих из пушки. Недостатком триод-клистрона является сравнительно небольшой коэффициент усилении, превосходящий коэффициент усиления клистрода всего в 5 6 раз [4] Этот прибор по технической сущности наиболее близок к заявляемому изобретению.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электровакуумного прибора типа "О" с сосредоточенным взаимодействием, сочетающего простоту конструкции и высокий КПД триод-клистрона с большим усилением.

Предлагаемый прибор так же, как и известный триод-клистрон, содержит: триодную электронную пушку, пролетный канал, три резонатора, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, причем зазор первого резонатора образован катодом и сеткой пушки, но в отличии от прототипа, входной элемент связи установлен во втором резонаторе и введена линия обратной связи выходного резонатора с первым, длина которой удовлетворяет условию отсутствия передачи энергии от потока полю второго резонатора. Приборы СВЧ с сосредоточенным взаимодействием, у которых входной элемент связи установлен во втором резонаторе, в литературе не описаны.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана конструкция предлагаемого прибора.

Предлагаемый прибор содержит три резонатора 1, 2 и 3, расположенные последовательно вдоль пролетного канала 4, триодную электронную пушку с катодом 5 и управляющей сеткой 6, которые образуют зазор первого резонатора. Во втором резонаторе установлен входной элемент связи 7, а в третьем резонаторе выходной элемент связи 8. Первый и третий резонаторы соединены линией обратной связи 9, по которой часть мощности из выходного резонатора 3 подается в первый резонатор 1 для модуляции тока катода. Отработанный электронный поток поступает в коллектор 10.

Рассмотрим работу предлагаемого прибора. Покажем, что предлагаемый прибор может работать в качестве усилителя, т.е.

прибор не возббуждается в отсутствии входного сигнала;
прибор возбуждается при подаче входного сигнала;
величина выходной мощности зависит от мощности входного сигнала.

Для работы предлагаемого прибора в качестве усилителя необходимо выполнение двух условий: амплитудного и фазового, т.е. коэффициент обратной связи должен выбираться меньше критического, а сдвиг фаз в кольцевой линии: пролетный канал между вторым и третьим резонаторами линия обратной связи 9 - пролетный канал между первым и вторым резонаторами должен удовлетворять условию:

Здесь: θ₂₃- угол пролета между вторым и третьим резонаторами;
Φ₃=π сдвиг фазы между током и напряжением на зазоре третьего резонатора;
Φ_ос сдвиг фазы в линии обратной связи;
θ₁₂ угол пролета между первым и вторым резонаторами.

При выполнении фазового условия сгустки, сформированные в триодной пушке, поступают в зазор второго резонатора в момент перехода напряжения от тормозящего к ускоряющему и передачи энергии от потока к полю второго резонатора не происходит. При несоблюдении указанных условий работа предлагаемого прибора в качестве усилителя невозможна: если коэффициент обратной связи больше критического, прибор работает как генератор с самовозбуждением, если фазовая длина линии обратной связи выбрана неверно и сдвиг фаз в кольцевой линии меньше π/2,, второй резонатор возбуждается модулированным потоком, выходящим из пушки, при этом прибор будет работать как генератор с внешним возбуждением.

Требуемый для работы прибора в качестве усилителя сдвига фаз в кольцевой линии обеспечивается за счет выбора длины линии обратной связи.

Условия возбуждения колебаний в заявляемом приборе будем рассматривать в приближении малого сигнала и в предположении линейности анодно-сеточной характеристики триодной пушки. Будем также считать, что коэффициенты взаимодействия для всех резонаторов равны 1. При этих упрощающих допущениях справедливы следующие соотношения [1]
I_к=I_ко+I_к1sinωt (2)
где I_к полный катодный ток;
I_ко S(E_c U_зап) средний катодный ток;
S крутизна анодно-сеточной характеристики;
E_c постоянное сечение сетки;
U_зап потенциал запирания катодного тока;
I_кт S U_cm первая гармоника катодного тока;
U_cm переменное напряжение на сетке;
ω=2πf круговая частота;
f частота сигнала;
t время.

Переменное напряжение U_cm на сетку 6 подается из третьего резонатора по линии обратной связи 9, причем:
U_cm К_oc U₃. (3)
где: К_oc коэффициент обратной связи,
U₃ амплитуда напряжения на зазоре третьего (выходного) резонатора.

В приближении малого сигнала переменный ток в пролетном канале 4 I₁ можно рассматривать как сумму токов, созданных триодной пушкой и напряжением на зазоре второго резонатора [1]
I₁= I_к1+I_коθ₂₃U₂/2U_o (4)
где: U₂ амплитуда напряжения на втором резонаторе;
U₀ постоянное ускоряющее напряжение прибора.

Учитывая, что
I_к1 S K_ocU₃, (5)
U₃ R₃I₁, (6)
получаем коэффициент передачи для кольцевой линии в предлагаемом приборе:

где: R₃ характеристическое сопротивление 3 резонатора.

Коэффициент передачи р определяет условие возбуждения прибора. При отсутствии входного сигнала во втором резонаторе (U₂ 0), прибор не возбуждается при условии, что:
SK_ocoR₃ < 1 или K_oc < 1/SR₃. (8)
Если обратная связь больше критической, р > 1 и прибор возбуждается при отсутствии входного сигнала, т.е. работает в режиме генератора с самовозбуждением.

При подаче входного сигнала во второй резонатор с входного элемента связи 7 (U₂ > 0), поскольку переменная составляющая катодного тока в начале возбуждения значительно меньше постоянной составляющей (I_к1 << I_ко), то р > 1 и прибор возбуждается. При наличии мощности во втором резонаторе происходит скоростная модуляция потока в зазоре второго резонатора, далее в пролетном канале 4 поток группируется и в выходном резонаторе 3 возбуждаются СВЧ колебания. Часть мощности по линии обратной связи 9 передается из выходного резонатора 3 в первый, на зазоре катод-сетка пушки возникает переменное напряжение, происходит модуляция катодного тока по плотности. Модулированный электронный поток поступает в пролетный канал 4, в зазоре второго резонатора на поток дополнительно действует переменное напряжение, амплитуда и фаза которого определяются входным сигналом. Это напряжение вызывает дополнительное группирование электронного потока, в результате увеличивается переменная составляющая тока в пролетном канале. Поток возбуждает в выходном резонаторе 3 колебания СВЧ и т.д. Уровень мощности в выходном резонаторе 3 увеличивается, соответственно увеличиваются напряжение на сетке 6 пушки и катодный ток, прибор переходит в режим большого сигнала.

Обозначив:
H I₁/I_к1, (9)
и используя (5) и (6), получим для коэффициента передачи кольцевой линии прибора в режиме большого сигнала:
p SK_ocR₃H, (10)
Здесь: Н коэффициент увеличения содержания первой гармоники в потоке в зазоре выходного резонатора по сравнению с потоком на выходе из пушки.

В пролетном канале 4 после второго резонатора действуют два фактора: группирование сгустков потока под действием напряжения на зазоре второго резонатора U₂ и расширение сгустков под действием сил расталкивания. С ростом тока, силы расталкивания возрастают, при этом уменьшаются Н и р. Когда р становится равным 1, группирование сгустка под действием напряжения U₂ полностью компенсируется расширением его под действием сил расталкивания и рост тока прекращается.

Следуя [1] рассмотрим действие сил расталкивания на крайний электрон сгустка радиуса r в канале радиуса R. Известно, что поле заряда в канале быстро ослабевает в направлении оси Z и на расстоянии 2R им можно пренебречь. Ввиду этого будем считать, что напряженность электрического поля E_z от реального сгустка в канале эквивалентна напряженности поля от сгустка длиной 2R в свободном пространстве. По теореме Гаусса:

где E_n нормальная составляющая напряженности электрического поля;
dS элемент поверхности, окружающей заряд;
ρ плотность заряда;
dV элемент объема.

Полагая, что E_n на всей поверхности одинакова, получаем для сгустка радиуса r и длиной 2R:
E_z= Q/ε_o(2πr²+4πrR) (11)
где Q общий заряд сгустка.

Из (11) и (12) получаем:

где I_кmax максимальный катодный ток;
фазовая длина сгустка длиной 2R;
e и m заряд и масса электрона.

Будем полагать, что крайний электрон сгустка перемещается под действием сил расталкивания равноускоренно, то есть:

где ΔZ смещение электрона;
переменная скорость, полученная электроном в поле второго резонатора;
время пролета между вторым и третьим резонаторами;
L длина пролетного канала.

Если группирование сгустка полностью скомпенсировано силами расталкивания, то ΔZ=0 и из (14) получаем:

и

Таким образом, величина тока, которая устанавливается в предлагаемом приборе при напряжении U₂ на зазоре второго резонатора, равна:

Для сравнения оценим величину катодного тока пушки в клистроде при подаче на сетку переменного напряжения U_cm и угле отсечки 90^o [1]
(17)
где Х_c расстояние катод-сетка;
r радиус катода, равный радиусу пучка.

Отношение токов и, следовательно, напряжений на выходном резонаторе в предлагаемом приборе и в клистроде при U₂ U_cm равно:

Рассмотрим пример с типичными размерами приборов:
f 510⁸ Гц, Х_c 0,5 мм, R 5 мм, r 4 мм, L 50 мм, U₀ 50000 B, U U_cm 100 В.

Для предлагаемого прибора получаем: I_к,max 33 А, для клистрода: I_к,max 0,275 А. Таким образом, отношение токов в предлагаемом приборе и в клистроде при одинаковом входном напряжении составляет K_u 112. Во столько же раз отличаются напряжения на выходном резонаторе и коэффициенты усиления по напряжению. Отношение выходных мощностей в предлагаемом приборе и в клистроде равно K2и

Типичное значение характеристического сопротивления второго резонатора около 30000 Ом. Для клистрода входное сопротивление в рассматриваемом конкретном случае равно:
R₁ U_cm/I_к1 U_сm/0,5I_кmax 730 Ом.

Из (18) следует, что усиление по мощности предлагаемого прибора в 46000 раз больше, чем клистрода. По литературным данным [4] усиление триод-клистрона превосходит усиление клистрода по напряжению в 4 6 раз, а по мощности, соответственно, в 16 36 раз. Таким образом, коэффициент усиления по мощности предлагаемого прибора больше, чем триод-клистрона в 1500 раз.

Назначение: электровакуумные приборы СВЧ типа "О" с сосредоточенным взаимодействием. Сущность изобретения: прибор содержит триодную электронную пушку, пролетный канал, три резонатора, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, причем зазор первого резонатора образован катодом и сеткой пушки. Входной элемент связи установлен во втором резонаторе и введена линия обратной связи выходного резонатора с первым. Длина линии подбирается такой, чтобы сгустки электронов, сформированные пушкой, поступали в зазор второго резонатора в момент изменения напряжения от тормозящего к ускоряющему с тем, чтобы не происходило передачи энергии от потока полю второго резонатора. Усиление по мощности предлагаемого прибора примерно в 1000 раз больше, чем триод-клистрона. 1 ил.

Электровакуумный прибор СВЧ типа "О" с сосредоточенным взаимодействием, содержащий триодную электронную пушку, пролетный канал, три резонатора, расположенные последовательно вдоль пролетного канала, входной и выходной элементы связи и коллектор, причем зазор первого резонатора образован катодом и сеткой пушки, отличающийся тем, что входной элемент связи установлен во второй резонатор и введена линия обратной связи выходного резонатора с первым, длина которой удовлетворяет условию отсутствия передачи энергии от потока полю второго резонатора.