ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ТИПА "РАЗРЕЗНОЕ КОЛЬЦО - СПИРАЛЬНАЯ ПЕРЕМЫЧКА" Российский патент 1999 года по МПК H01J23/24 H01P9/02 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной СВЧ техники, а конкретно - к замедляющим системам (ЗС) электронных СВЧ приборов. Может быть использовано в широкополосных электронных приборах различной мощности с распределенным пространственным взаимодействием, например, ЛБВ типа О.

Известна спиральная ЗС (СЗС) /1, стр. 135-146/, содержащая два коаксиально расположенных проводника, внешний из которых выполнен в виде цилиндрического корпуса, а внутренний - в виде винтовой линии (спирали) /2/.

Такая ЗС обладает широким спектром достоинства, которые и обусловили ее широкое применение в приборах СВЧ электроники. Однако СЗС обладает и рядом недостатков, затрудняющих теоретические и экспериментальные исследования и ограничивающих ее применение, а именно:
a) в СЗС нет плоскостей зеркальной симметрии, т.е. в систему с бесконечной спиралью в режиме стоячих волн нельзя внести нормальную к оси спирали проводящую поверхность так, чтобы она не искажала электромагнитное поле /3, стр. 17-18, 92/;
б) снижение сопротивления связи R_св мощных ЛБВ /4/;
в) плохая теплоотдача. /4/.

Известна ЗС /1, стр. 149-152; 4; 5/, содержащая два коаксиально расположенных проводника, внешний из которых выполнен в виде цилиндрического корпуса, а внутренний - в виде периодической последовательности колец одного диаметра, расположенных в плоскостях, перпендикулярных продольной оси ЗС, каждое из которых соединено с предыдущим и последующим продольными перемычками (стержнями) в диаметрально противоположных точках.

Такую ЗС в литературе называют ЗС типа "кольцо-стержень" или "кольцо-продольная перемычка".

Эта ЗС снимает некоторые недостатки первого аналога, в частности сохраняет симметрию двухзаходной спирали в отношении зеркальной плоскости и проще в изготовлении /4/. Однако она имеет недостаточные возможности для изменения (регулирования) ее электродинамических характеристик (ЭДХ) при неизменных диаметре и шаге (периоде) периодической последовательности.

Каждый из приведенных аналогов может быть использован в качестве ЗС приборов СВЧ электроники. Но все они имеют общий недостаток-ограниченные возможности изменения (регулирования) ЭДХ ЗС при неизменных диметре и периоде периодической последовательности либо колец (второй и третий аналоги), либо винтовой линии (первый аналог).

В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбраны первый и второй аналоги. Эти аналоги выбраны в качестве прототипа потому, что каждый из них в отдельности является частным случаем предлагаемой ЗС, что будет показано ниже.

Необходимо отметить, что существенным недостатком первого аналога (СЗС), кроме указанных, особенно при использовании СЗС в качестве резонатора, является неоднозначность определения геометрических размеров (длины СЗС) резонатора в силу свойств самой винтовой линии конечной длины и в силу отсутствия в винтовой линии нормальной к ее оси плоскости зеркальной симметрии.

Эта неоднозначность выражается в том, что точные границы начала и конца проводника винтовой линии (спирали) с конечной длиной могут быть измерены точно, а границы спирали как резонатора точно устанавливаются по распределению электромагнитного поля вдоль резонатора.

Как правило, геометрические начало и конец проводников спирали не совпадают с соответствующими этим границам распределениями электромагнитного поля вдоль резонатора на основе СЗС: поле либо "выбегает" за геометрические границы проводников СЗС, либо "втягивается" внутрь СЗС конечной длины.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение возможностей регулирования (изменения) ЭДХ СЗ при неизменных диаметре и периоде ЗС и получение структуры с наличием плоскостей зеркальной симметрии, позволяющей точно устанавливать продольные размеры ЗС (длину), совпадающие и по геометрическим границам и по соответствующим этим границам распределениям электромагнитного поля, при использовании предлагаемой ЗС в качестве ЗС с конечной длиной в режиме стоячих волн.

Техническим достигаемым результатом предлагаемой ЗС является то, что ЭДХ ЗС можно менять, изменяя либо длину проводника разрывного кольца без изменения длины проводника спиральной перемычки, либо длину проводника спиральной перемычки без изменения длины проводника разрезного кольца, либо длины проводников и разрезного кольца и спиральной перемычки одновременно без изменения диаметра и периода ЗС и что точные продольные размеры ЗС (длина ЗС конечной длины), совпадающие и по геометрическим границам проводника и по соответствующим этим границам распределениям электромагнитного поля, можно установить тем, что предлагаемая ЗС начинается с разрезного кольца и заканчивается разрезным кольцом и само это кольцо является нормальной к оси системы плоскостью зеркальной симметрии.

Этот технический результат достигается тем, что в замедляющей системе типа "разрезное кольцо - спиральная перемычка", содержащей два коаксиально расположенных проводника, внешний из которых выполнен в виде цилиндрического корпуса, а внутренний - в виде периодической последовательности колец одного диаметра, расположенных в плоскостях, перпендикулярных продольной оси замедляющей системы, и соединенных перемычками, новым является то, что кольца выполнены разрезными, а перемычки выполнены спиральными, при этом каждая из них соединена с концом предыдущего и началом последующего колец, разрезы в двух соседних кольцах расположены произвольно относительно друг друга, а длины каждых разрезного кольца l_кi и спиральной перемычки l_прмj определяются из соотношений.

l_кi= k_1i2πa; (1)

где i, j - номер кольца и перемычки в последовательности соответственно, i=j или i≠j; K₁- коэффициент заполнения длины разрезного кольца, 0 < K₁ < 1; K₂ - коэффициент заполнения длины спиральной перемычки, 0 < K₂ < 1; h - шаг (период) последовательности; a - радиус разрывных колец и спиральных перемычек.

Указанная совокупность введенных признаков позволяет изменять, без изменения диаметра и периода ЗС, электродинамические характеристики ЗС по ее длине в любом локальном участке ЗС, а именно дисперсионную зависимость коэффициента замедления от частоты (дисперсионную характеристику), дисперсионную зависимость сопротивления связи R_св от частоты, крутизну дисперсионной характеристики и т.д. путем выбора разных значений коэффициентов K_1i и K_2j для каждого локального участка ЗС; наличие колец в ЗС обеспечивает наличие в ней нормальных к оси ЗС плоскостей зеркальной симметрии и обеспечивает совпадение границ по геометрическим концу и началу проводников и по соответствующим этим границам распределениям электромагнитного поля.

Покажем, что выбранные в качестве прототипа первый /1/ и второй /1, 4, 5/ аналоги являются частными случаями предлагаемой ЗС.

Положим в формулах (1) и (2) K_1i = 0 и K_2j = 1. Получим l_кi = 0 и

Но формула (3) определяет длину проводника одного витка (одного периода) винтовой линии (спирали) /1, 2/. Таким образом, при K_1i = 0 и K_2j = 1 предлагаемая ЗС вырождается, как частный случай, в спиральную ЗС /1, 2/ с радиусом a первого аналога.

Положим в формулах (1) и (2) K_1i = 1 и K_2j = 0. Получим
l_кi= 2πa, l_прм = h (4)
Но формула (4) определяет длину проводников одного периода ЗС типа "кольцо-продольная перемычка". Таким образом, при K_1i = 1 и K_2j= 0 предлагаемая ЗС вырождается, как частный случай, в ЗС типа "кольцо-продольная перемычка" второго аналога /1, 4, 5/.

Раскроем физический смысл коэффициентов K_1i и K_2j заполнения длин разрезного кольца и спиральной перемычки. Рассмотрим K_1i и K_2j на примере одного периода, i=j, поэтому обозначим коэффициенты как K₁ и K₂, опустив пока индексы "i" и "j".

Длина проводника разрезного кольца l_к не равна длине окружности l_ок кольца l_ок= 2πa того же радиуса a, так как кольцо разрезано и в нем имеется разрыв длиной l_рз, следовательно, длина проводника разрезного кольца равна l_к= l_ок-l_рз= к₁2πa. Физический смысл коэффициента K₁ заполнения длины разрезного кольца есть отношение длины проводника разрезного кольца l_к радиуса a к полной длине окружности l_ок того же радиуса a, т.е.

Как видно из (5), при l_рз = 0 (кольцо не разорвано), K₁=1, а при l_рз=l_ок (нет кольца, ЗС вырождается в СЗС) K₁=0, т.е. диапазон изменения коэффициента K₁, равен K₁=[0; 1] или 0 ≤ K₁ ≤ 1. При K₁ = ]0; 1[ (или 0 < K₁ < 1) длина проводника разрезного кольца l_к всегда меньше длины окружности l_ок, т. е. l_к=]0; 2πa[ (или 0<l_к= K12πa<l_ок= 2πa).
Длина проводника одного витка винтовой (спиральной) линии равна где h - период спирали, a - радиус спирали. Как видно из этой формулы, длина проводника одного витка l_втк есть длина гипотенузы прямоугольного треугольника, у которого длина одного катета l_кт1 равна периоду спирали l_кт1 = h, а длина второго катета l_кт2 равна длине окружности l_ок= 2πa, где a - радиус спирали. При K₂= 1 l_кт2 = l_ок, при K₂ = 0 l_кт2 = 0, при K₂ = ]0; 1[ 0 < l_кт2 < l_ок и l_кт2 = K₂ l_ок. Физический смысл коэффициента K₂ заполняется спиральной перемычки определяет отношение длины катета l_кт2 к длине окружности l_ок= 2πa спирали радиуса a, K₂ = l_кт2/l_ок и l_кт2= K2•l_ок= K₂•2πa. Поэтому длина спиральной перемычки
Так как в предлагаемой ЗС K₂ = ]0; 1[, то

где h - период последовательности; a - радиус колец и спиральных перемычек.

На фиг. 1 приведена предлагаемая ЗС, на фиг. 2 - экспериментальная дисперсионная характеристика n = n(f), где n - коэффициент замедления, f - частота; на фиг. 3 - эскизы внутренних проводников; фиг. 3,а - внутренний проводник СЗС (первого аналога), фиг. 3,б - внутренний проводник второго аналога типа "кольцо-продольная перемычка"; фиг. 3,в - внутренний проводник предлагаемой ЗС с 0 < K_1i < 1 и K_2j = 0 (продольная перемычка); фиг. 3,г - внутренний проводник предлагаемой ЗС с 0 < K_1i < 1 и 0 < K_2j < 1 (разрывное кольцо - спиральная перемычка).

Предлагаемая ЗС (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, являющийся внешним проводником, коаксиальный внутренний проводник, выполненный в виде периодической последовательности разрезных колец 2 с разрывом 3, соединяемых между собой спиральными перемычками 4, и электрические стрежни 5 для закрепления колец 2 коаксиально внутри цилиндрического корпуса 1.

Предлагаемая ЗС работает следующим образом /4; 7, стр. 372; 8, стр. 136/.

Электронный поток проходит внутри последовательности разрезное кольцо 2 - спиральная перемычка 4 и взаимодействует с электромагнитной волной (ЭМВ), распространяющейся вдоль ЗС. ЭМВ типа ТЕМ, поступающая на вход ЗС из внешней цепи, например, из коаксиальной линии, продолжает распространяться вдоль внутреннего проводника ЗС, выполненного в виде последовательности разрезных колец 2 и спиральных перемычек 4, со скоростью C = 3•10⁸ м/с, равной скорости распространения электромагнитного сигнала в материале проводника. Эта волна обегает один период ЗС, состоящий из разрезного кольца 2 и спиральной перемычки 4, за время τ, равное отношению длины проводника 4 одного периода ЗС к скорости распространения с ЭМВ вдоль проводника:
τ = L_пр/c. (7)
В то же время замедленная волна распространяется вдоль продольной оси ЗС с фазовой скоростью U_ф < c и за это же время проходит путь h, равный длине одного периода ЗС вдоль ее оси:
τ = h/v_ф. (8)
Сравнивая формулы (7) и (8), в которых время τ одинаково, найдем фазовую скорость U_ф и коэффициент замедления n ЭМВ в ЗС:
U_ф = c • h/L_пр; (9)

Длина проводника L_пр одного периода в предлагаемой ЗС состоит из длины проводника разрезного кольца l_к= к₁•2πa и длины проводника спиральной перемычки где h - длина периода ЗС, a - радиус колец и перемычек ЗС. Подставляя значения l_к и l_прм из формул (1) и (2) в выражении (9) и (10), найдем фазовую скорость и коэффициент замедления n в предлагаемой ЗС


В формулах (11) и (12) принято, что K₁₁ = K₁₂ = ... K_1i... = K₁ = const и K₂₁ = K₂₂ = ... K_2j= ...= K₂ = const.

Выражения (11) и (12) обычно называют геометрическими значениями U_ф и n, понимая под этим те максимальные значения U_фг и n_r, которые обеспечиваются только геометрией структуры ЗС и к которым в реальной ЗС фазовоя скорость U_ф и коэффициент замедления n_г приближаются только на высоких частотах. На самом деле U_ф и n в предлагаемой ЗС, как и в прототипе /1, 2, 4, 5/, описываются более сложными зависимостями.

Как видно из формул (11) и (12), величины U_ф и n можно изменять путем изменения коэффициентов заполнения K₁и K₂, оставляя неизменными диаметр 2a и период h ЗС.

Цилиндрический корпус 1 может быть изготовлен из металла, например, латуни, нержавеющей стали и т.п., разрывное кольцо 2 и спиральная перемычка 4 - из молибдена, вольфрама, сплавов на основе меди и т.п., диэлектрические стрежни 5 - например, из кварцевого стекла, оргстекла и т.п.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достижения технического результата в институте изготовлен макет предлагаемой ЗС в цилиндрическом корпусе из латуни длиной L_к = 220 м с внутренним диаметром D_к = 120 мм. ЗС типа "разрезное кольцо - спиральная перемычка" закреплялась в корпусе коаксиально с помощью трех диэлектрических стержней диаметром 8 мм из оргстекла. Геометрические размеры ЗС приведены в табл. 1.

В табл. 1 обозначены: РКСП - разрезное кольцо - спиральная перемычка; D_н - наружный диаметр ЗС; D_ср - средний диаметр ЗС; h - период (шаг) ЗС; L_sp - общая длина ЗС; S - сечение проводников ЗС; N - количество периодов; n_г - геометрический коэффициент замедления.

В табл. 2 приведены измеренные и рассчитанные параметры предлагаемый ЗС в макете. Измерения параметров ЗС проводились резонансным методом /3, стр. 23, 92/ в режиме короткого замыкания ЗС на торцевые стенки корпуса с помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи Р4-37. Погрешности измерений прибором δA ≤ ±10%, где A - любая измеряемая величина.

В табл.2 обозначены: f_p - измеряемая резонансная частота; λ_o - длина волны в свободном пространстве, соответствующая измеренной резонансной частоте f_p; λ_o= c/fp; С = 3 • 10⁸ м/с, f_p - в герцах; K₀ - волновое число, соответствующее измеренной f_p, к_o= 2π/λ_o; n - коэффциент замедления в ЗС на измеренной f_p; β_z- фазовая постоянная распространения ЭВМ и ЗС на измеренной f_p, β_z= n•к_o; V_ф - фазовая скорость распространения ЭВМ вдоль ЗС на измеренной f, ω = 2πfp; R_св - сопротивление связи на оси ЗС на измеренной f_p; Z₀ - волновое сопротивление ЗС на измеренной резонансной частоте f_p.

Коэффициент замедления n_m рассчитывался по известному соотношению /3/:

где m - номер резонанса; величины λ_om взяты из табл. 2, L_sp - из табл. 1.

Сопротивление связи R_св на измеренной резонансной частоте f_pm оценивалось по приближенной формуле /9/:

где a - радиус ЗС, n и взяты из табл. 2.

Волновое сопротивление Z_o рассчитывалось по формуле /10/
Z_o= R_св•β2zm

/P4m, (15)
где P_m - поперечное волновое число на измеренной резонансной частоте f_pm,
Приведенные анализ и экспериментальные данные табл. 2 показывают, что предлагаемая ЗС отвечает критериям новизна, изобретательский уровень, технически реализуется, является техническим решением и имеет промышленную применимость: может быть использована, например, как ЗС в ЛБВО или как спиральный резонатор.

Источники информации
1. Н.М.Советов. "Техника СВЧ", М, Высшая школа, 1976 г.

2. И.А.Гольдфрайн "Векторный анализ и теория поля", М, ФМ, 1962 г.

3. "Электромагнитные замедляющие системы (методика измерения электрических характеристик)", под ред. д.т.н. Л.Н. Дерюгина, М. Оборонгиз, 1960 г.

4. В.П.Шестопалов, С.С. Калмыкова "К теории модифицированной спирали со встречной намоткой", ЖТФ, 1961 г., т. 31, вып. 3, стр. 327-335.

5. Л. Н. Лошаков и др. "Исследование замедляющей системы типа "кольцо-перемычка", РЭ, 1983 г., т. 28 N 2. стр. 257-264.

7. И.В.Лебедев "Приборы и техника СВЧ" ч. 1, М. Высшая школа, 1970 г.

8. О.С.Милованов, Н.П.Собенин "Техника СВЧ", М, Атомиздат, 1980 г.

9. В.Клеен "Введение в электронику СВЧ", М, Сов. Радио, 1963 г.

10. Ю.Н.Пчельников "Расчет затухания волны в линии задержки на связанных спиралях". Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника, 1986 г., т. 29, N 9, стр. 59-61.

Предлагаемое изобретение относится к электронной СВЧ технике и может быть использовано как замедляющая система (ЗС) в электронных СВЧ приборах с распределенным пространственным взаимодействием, например, ЛБВ типа 0. Достигаемый технический результат - возможность широкого изменения электродинамических характеристик ЗС при неизменных диаметре и периоде последней. ЗС содержит цилиндрический корпус, являющийся внешним проводником, коаксиальный внутренний проводник, выполненный в виде периодической последовательности разрезных колец с разрывом, соединенных между собой спиральными перемычками, и диэлектрические стержни для закрепления колец коаксиально внутри цилиндрического корпуса. 3 ил., 2 табл.

Замедляющая система типа "разрезное кольцо - спиральная перемычка", содержащая два коаксиально расположенных проводника, внешний из которых выполнен в виде цилиндрического корпуса, а внутренний - в виде периодической последовательности колец одного диаметра, расположенных в плоскостях, перпендикулярных продольной оси замедляющей системы и соединенных перемычками, отличающаяся тем, что кольца выполнены разрезными, а перемычки выполнены спиральными, при этом каждая из них соединена с концом предыдущего и началом последующего колец, разрезы в двух соседних кольцах расположены произвольно относительно друг друга, а длины каждых разрезного кольца l_ki и спиральной перемычки l_прмj определяются из соотношений
l_кi = K_1i•2πa;
,
где i, j - номер кольца и перемычки в последовательности соответственно i = j или i ≠ j;
K₁ - коэффициент заполнения длины разрезного кольца, 0 < K₁ < 1;
K₂ - коэффициент заполнения длины спиральной перемычки, 0 < K₂ < 1;
h - период последовательности;
а - радиус разрезных колец и спиральных перемычек.