КОМБИНИРОВАННЫЙ СВЧ-ПРИБОР Российский патент 1998 года по МПК H01J25/61 

Изобретение относится к СВЧ электронике и может быть использовано при создании мощных импульсных источников СВЧ излучения.

Известен комбинированный СВЧ прибор содержащий задающий СВЧ генератор, связанный посредством волноводной линии и окна внешней связи с усилителем СВЧ мощности, который выполнен в виде прибора с виртуальным катодом и содержит вакуумную камеру, катод, сетчатый анод и окно вывода излучения [1] (В. П. Григорьев, А.Г. Жерлицын, Т.В.Коваль, С.И.Кузнецов, Г.В.Мельников, "О возможности изменения частоты излучения внешним сигналом в СВЧ - триоде с виртуальным катодом". Письма в ЖТФ, 1988, т. 14, N 23, с. 2164-2168). В этом комбинированном СВЧ приборе ввод сигнала от задающего СВЧ генератора в усилитель СВЧ мощности осуществляется рупорной антенной, находящейся на конце волноводной линии и установленной напротив окна внешней связи.

Недостатком этого прибора является малая эффективность усиления.

Наиболее близким по технической сущности является комбинированный СВЧ прибор, содержащий задающий СВЧ генератор, связанный посредством по крайней мере одной волноводной линии и фланцевого соединения с окном внешней связи по крайней мере одного усилителя СВЧ мощности, который выполнен в виде прибора с виртуальным катодом и содержит вакуумную камеру, катод и сетчатый анод, коаксиальные вакуумной камере, а также окно вывода излучения, причем два боковых окна внешней связи, расположенные на боковой стенке камеры диаметрально противоположно друг другу, одно из окон связи посредством волновода и фланцевого соединения связано с задающим генератором, а другое окно нагружено отрезком волновода с согласованной нагрузкой или короткозамкнутым поршнем на конце, [2] (H.Sze, D.Price, B-Harteneck, N.Cooksley, "A master-oscillator-driven phase-locked vircator array", J Appl. Phys., 1990, v. 68, N 7, р. 3073-3079). Кроме того, известен СВЧ прибор с виртуальным катодом, не входящий в состав комбинированного СВЧ прибора, в котором окно вывода излучения расположено по оси вакуумной камеры [3] (K.G.Kostov, N.A.Nikolov, I. P. Spassovsky, V.A.Spassov, "Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field", Appl. Phys. Lett., 1992, v. 60, N 21, p. 2598-2600).

Недостатком прибора [2], выбранного нами за прототип, является малая эффективность усиления.

Технической задачей является повышение эффективности усиления, что необходимо, например, при создании фазированных антенных решеток на основе приборов с виртуальным катодом (см. [2]).

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности усиления путем сосредоточения СВЧ поля от задающего СВЧ генератора непосредственно в зоне формирования виртуального катода внутри вакуумной камеры усилителя СВЧ мощности.

Данный результат достигается тем, что комбинированный СВЧ прибор, содержащий задающий СВЧ генератор и по крайней мере один усилитель СВЧ мощности, который выполнен в виде прибора с виртуальным катодом и содержит вакуумную камеру, катод и сетчатый анод, коаксиальные вакуумной камере, окно вывода излучения, расположенное на оси камеры, а также два боковых окна внешней связи, расположенные на боковой стенке камеры диаметрально противоположно друг другу, причем к одному из окон связи примыкает волновод, связанный с задающим генератором, к другому окну примыкает волновод с согласованной нагрузкой или короткозамкнутым поршнем на конце, так что он содержит расположенный внутри вакуумной камеры усилителя СВЧ мощности отрезок двухпроводной линии, соединяющей волноводы в месте расположения окон внешней связи, при этом виртуальный катод формируется между проводниками двухпроводной линии.

СВЧ поле сигнала с задающего генератора при прохождении его по отрезку двухпроводной линии сосредоточено между проводниками, составляющими эту линию. Пропуская эту линию внутри вакуумной камеры так, чтобы виртуальный катод оказывался между проводниками линии, эффективность воздействия задающего сигнала на колебания виртуального катода повышается, а следовательно, повышается и эффективность усиления.

Пример конструкторского выполнения комбинированного СВЧ прибора показан на фиг 1.

Задающий СВЧ генератор, выполненный в виде, например, магнетрона 1, состыкован посредством волноводной линии 2 через предохранительный циркулятор 3 и делитель 4 с помощью фланцевых соединений 5 с окнами внешней связи 6, 13 нескольких усилителей СВЧ мощности 7, выполненных в виде приборов с виртуальным катодом (виркаторов) и образующих вместе фазированную антенную решетку. Здесь отметим, что в качестве усилителей СВЧ мощности возможно использование других классов приборов с виртуальным катодом (отражательный триод, редитрон и т.д.).

Виркатор 7 содержит вакуумную камеру 8, катод 9 и сетчатый анод 10. Вакуумная камера 8 оканчивается рупором 11 с окном вывода излучения 12. Напротив окна внешней связи 13 диаметрально противоположно ему на боковой поверхности вакуумной камеры 8 расположено еще одно окно 13, нагруженное отрезком волновода 14 с короткозамкнутым поршнем 15 или согласованной нагрузкой 16 на конце. Окна 6 и 13 соединены между собой отрезком двухпроводной линии 17, находящейся внутри камеры 8 и проходящей так, чтобы виртуальный катод 18 формировался бы между проводниками двухпроводной линии 17.

Работает предлагаемый комбинированный СВЧ генератор следующим образом. Перед началом импульса задающий генератор 1 возбуждает отрезок двухпроводной линии 17 усилителя СВЧ мощности (виркатора) 7. В случае использования короткозамкнутого поршня 15 в двухпроводной линии 17 возбуждается стоячая волна, а в случае согласованной нагрузки 16 - бегущая волна.

При подаче высоковольтного импульса напряжения на катод - анодный промежуток виркатора 7 в результате взрывной эмиссии в виркаторе формируется электронный поток, который проходя с катода 9 сквозь сетчатый анод 10, образует виртуальный катод 18 в месте наибольшей концентрации задающего СВЧ поля между проводниками двухпроводной линии 17. Осциллируя под действием этого задающего СВЧ поля, виртуальный катод генерирует мощный импульс СВЧ излучения с частотой и фазой задающего СВЧ поля, то есть фактически усиливая сигнал задающего генератора 1.

Предлагаемый комбинированный СВЧ генератор был опробован экспериментально. Сравним эффективность его усиления с эффективностями генераторов [1] и [2] по экспериментальным данным.

Ясно, что эффективность усиления тем больше, чем больше коэффициент усиления: k_ус = P_зг/P_В, где P_зг - мощность задающего генератора, P_В - мощность виркатора. Кроме того, усиление затруднено, если длительность импульса генерации виркатора τ_имп которая. В связи с этим удобно характеризовать эффективность усиления СВЧ усилителя в составе комбинированного СВЧ генератора величиной Э = k_ус/ τ_имп (ГГц). Результаты сравнения сведены в таблицу, из которой видно преимущество предлагаемого комбинированного СВЧ генератора.

Применение: изобретение относятся к СВЧ электронике и может быть использовано при создании мощных импульсных источников СВЧ излучения. Сущность: комбнированный СВЧ прибор, содержащий задающий СВЧ генератор и по крайней мере один усилитель СВЧ мощности, который выполнен в виде прибора с виртуальным катодом и содержит вакуумную камеру, катод и сетчатый анод, коаксиальные вакуумной камере, окно вывода излучения, расположенное на оси камеры, а также два боковых окна внешней связи, расположенные на боковой стенке камеры диаметрально противоположно друг другу, причем одно из окон связи посредством волновода и фланцевого соединения связано задающим генератором, а другое окно нагружено отрезком волновода с согласованной нагрузкой или короткозамкнутым поршнем на конце, отличается тем, что он содержит отрезок двухпроводной линии, соединяющий окна связи между собой и расположенный внутри вакуумной камеры усилителя мощности. Технический результат: повышение эффективности усиления путем сосредоточения СВЧ поля от задающего СВЧ генератора непосредственно в зоне формирования виртуального катода внутри вакуумной камеры усилителя СВЧ мощности. 1 ил.

Комбинированный СВЧ прибор, содержащий задающий СВЧ генератор и по крайней мере один усилитель СВЧ мощности, который выполнен в виде прибора с виртуальным катодом и содержит вакуумную камеру, катод и сетчатый анод, коаксиальные вакуумной камере, окно вывода излучения, расположенное на оси камеры, а также два боковых окна внешней связи, расположенные на боковой стенке камеры диаметрально противоположно друг другу, причем к одному из окон связи примыкает волновод, связанный с задающим генератором, к другому окну примыкает волновод с согласованной нагрузкой или короткозамкнутым поршнем на конце, отличающийся тем, что он содержит расположенный внутри вакуумной камеры усилителя СВЧ мощности отрезок двухпроводной линии, соединяющий волноводы в месте расположения окон внешней связи, при этом виртуальный катод формируется между проводниками двухпроводной линии.