ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЛБВ Российский патент 2000 года по МПК H01J23/24 

Изобретение относится к электронным приборам сверхвысоких частот (СВЧ), в частности - к лампам с бегущей волной (ЛБВ).

Одним из основных узлов ЛБВ является замедляющая система (ЗС). ЛБВ повышенной мощности создают на основе ЗС типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР), содержащей в периоде одну или две диафрагмы. Она обеспечивает работу ЛБВ в полосе частот 5-10%, так как только в такой полосе частот при почти постоянном замедлении волны она обеспечивает достаточно высокое сопротивление связи. Задача изобретения состоит в получении ЗС типа ЦСР, имеющей ветвь дисперсионной характеристики с мало изменяющимся замедлением (не болте 6%) в широкой полосе частот (не менее 20%) при сопротивлении связи, более чем в 1,5 раза превышающем сопротивление связи известных ЦСР, в указанной полосе. Такое повышение сопротивления связи должно обеспечить работу ЛБВ в полосе частот не менее 20%.

В качестве замедляющих систем для ЛБВ используют [1] цепочки связанных резонаторов. Каждую из них можно представить в виде волновода, периодически перегороженного одинаковыми диафрагмами, содержащими щели связи и каналы для пролета электронов, так что образуется ЦСР. Взаимодействие электронного потока с электромагнитным полем осуществляется на пространственной гармонике, обусловленной структурой пространства взаимодействия. Существенным недостатком описанной ЦСР служит настолько малое сопротивление связи, так что она практически почти не используется в ЛБВ.

С другой стороны, известны [2] четырехступенчатые штыревые замедляющие системы, т.е. системы, содержащие по четыре штыря в каждом периоде, которые имеют ветви дисперсионной характеристики с малым изменением замедления в полосе частот выше 20% при сопротивлении связи порядка 40 Ом. Столь высокое сопротивление связи связано с тем, что соответствующая ветвь дисперсионной характеристики представляет собой пространственную гармонику, обусловленную расположением штырей и связями между ними, а не структурой пространства взаимодействия. Это наводит на мысль, что в четырехступенчатых ЦСР не нужны трубки дрейфа. Недостатком четырехступенчатой штыревой замедляющей системы служит то, что требуется ленточный поток электронов, который не удается достаточно жестко сфокусировать. Поэтому штыревые замедляющие системы не пригодны и не используются для создания ЛБВ достаточно большой мощности. В ЛБВ повышенной мощности их практически не используют.

Проблему некоторого повышения сопротивления связи в ЦСР решают введением трубок дрейфа [3]. Соответствующая ЦСР изображена на фиг. 1 и служит прототипом предлагаемой замедляющей системы. Она представляет волновод 1, периодически нагруженный одинаковыми диафрагмами 2 и 3 со щелями связи 4 и пролетными каналами 5, расположенными в трубках дрейфа 6. Соседние диафрагмы 2 и 3 повернуты друг относительно друга на 180 градусов вокруг оси волновода так, чтобы ЦСР имела скользящую плоскость симметрии. При этом каждый период содержит две диафрагмы. Системы, содержащие по две диафрагмы в периоде, называют двухступенчатыми замедляющими системами. Поворот диафрагм осуществляют с целью расширения полосы пропускания ЦСР (примерно на 10%). Поскольку взаимодействие электронов с электромагнитным полем осуществляется на пространственной гармонике, обусловленной периодичностью пространства взаимодействия, то с целью увеличения сопротивления связи на пространственной гармонике пролетные каналы в диафрагмах помещают в трубки дрейфа 6, которые особенно трудно реализовать при создании ЛБВ миллиметрового диапазона волн. Даже использование трубок дрейфа не позволяет получить достаточно высокого сопротивления связи на пологом участке дисперсионной характеристики. Оно изменяется с частотой и имеет достаточно высокую величину лишь в небольшом диапазоне частот. Описанные ЦСР обеспечивают возможность создания ЛБВ с полосой усиления не выше 6 - 10%. Если бы удалось получить ЦСР с несколько более высоким сопротивлением связи, то удалось бы создать более широкополосные ЛБВ повышенной мощности. Кроме того, увеличение сопротивления связи должно привести к росту мощности ЛБВ.

Цель изобретения состоит в создании замедляющей системы типа ЦСР, имеющей как и прототип, ветвь дисперсионной характеристики с почти постоянным замедлением в полосе частот не менее 20%, но отличающейся существенно более высоким сопротивлением связи (не менее, чем в полтора раза). Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен прототип предлагаемой системы в виде ЦСР, представляющий волновод 1, периодически перегороженный одинаковыми диафрагмами 2 и 3 со щелями связи 4, пролетными каналами 5 и трубками дрейфа 6. В периоде прототип содержит две диафрагмы 2 и 3, повернутые друг относительно друга вокруг оси волновода на 180 градусов. На фиг.2 изображена предлагаемая система, как и прототип - в виде ЦСР. Она выполнена в виде волновода 7, периодически перегороженного одинаковыми диафрагмами 8 и 9 со щелями связи 10 и с отверстиями 11 для пролета электронов. В отличие от прототипа с целью увеличения сопротивления связи ЦСР в периоде предлагаемой замедляющей системы установлены четыре диафрагмы, из которых каждая пара диафрагм 8 (а также 9) расположена одинаково и повернута относительно другой пары (9 относительно 8) на 180 градусов вокруг оси волновода, т.е. предложена четырехступенчатая ЦСР. Увеличение сопротивления связи связано с тем, что рабочей является пространственная гармоника, обусловленная расположением и связью диафрагм, а не структурой пространства взаимодействия. По этой же причине в предлагаемой ЦСР нет необходимости в трубках дрейфа.

Сравнение результатов расчета дисперсионных характеристик n(λ) и сопротивления связи R_с, на оси прототипа (сплошные линии) и предложенной системы (штриховые линии) приведены на фиг. 3. Видно, что как прототип, так и предложенная ЦСР могут иметь коэффициент замедления n почти постоянный в полосе частот, превышающей 20%, а сопротивление связи R_с, предложенной системы более чем в полтора раза выше, чем у прототипа. Это сопротивление для предложенной ЦСР остается порядка десяти Ом во всей 20%-ной полосе, тогда как для прототипа по мере уменьшения длины волны оно падает до долей ома.

Выше описана предложенная конструкция (фиг. 2) ЦСР для однолучевой ЛБВ. Она содержит по одному пролетному каналу в каждой диафрагме. Для многолучевой ЛБВ предлагается модификация ЦСР (фиг.4), отличающаяся тем, что в каждой диафрагме имеется несколько пролетных каналов 16. Так же, как и на фиг. 2, она представляет волновод 12, периодически перегороженный одинаковыми диафрагмами 13 и 14 со щелями связи 15 и пролетными каналами 16.

Ha фиг. 4 этих каналов 18. Число диафрагм в периоде равно четырем (четырехступенчатая система), причем каждая пара соседних диафрагм ориентирована одинаково, а другая повернута относительно первой (14 относительно 13) вокруг оси волновода на 180 градусов.

Фиг. 5 иллюстрирует преимущество четырехступенчатой ЦСР для многолучевой ЛБВ перед двухступенчатой. Обе ЦСР могут обеспечить почти постоянное замедление в полосе частот, превышающей 20%. Сопротивление связи четырехступенчатой системы, однако, более чем вдвое превышает сопротивление связи двухступенчатой ЦСР.

Источники информации
1. Р.А.Силин, В.П.Сазонов. Замедляющие системы. - М.: Сов. радио, 1966, с.269, рис.VII.19б.

2. Р.А.Силин, В.П.Сазонов. Замедляющие системы. - М.: Сов. радио, 1966, с.372, рис. XII.6a.

3. А.Д.Григорьев, В.Б.Янкевич. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. - М.: Радио и связь. - 1984, с. 28, рис. 1.14б

Для ЛБВ повышенной мощности с полосой усиления не менее 20% предложены конструкции замедляющих систем типа цепочки связанных резонаторов, представляющие волноводы, периодически перегороженные одинаковыми диафрагмами со щелями связи и с одним или несколькими каналами для пролета электронов. Техническим результатом является увеличение сопротивления связи. Каждая пара соседних диафрагм в периоде ориентирована одинаково и повернута относительно другой пары вокруг оси волновода на 180^o. 5 ил.

Замедляющая система типа цепочки связанных резонаторов, представляющая волновод, перегороженный одинаковыми плоскими диафрагмами, перпендикулярными оси системы и содержащими щели связи и каналы для пролета электронов, отличающаяся тем, что в периоде замедляющей системы содержится четыре одинаковые диафрагмы, из которых пара соседних диафрагм расположена одинаково, а другая пара повернута относительно первой на 180^o.