УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H03K3/543 H01J25/02 

Изобретение относится к радиотехнике коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) в части создания устройств для генерирования электрических импульсов напряжения и может быть использовано, например, в радиолокаторах, медицинских приборах, использующих радиолокационные принципы и др.

Известно устройство для генерирования электрических импульсов напряжения типа клистрон, содержащее генератор электронных сгустков, по ходу движения которых установлены: вакуумированный объем для пролета сгустков, фокусирующие движения сгустков магнитные элементы и коллектор. Внутри вакуумированного объема расположен узел преобразования энергии сгустка в энергию электромагнитного поля для ее передачи в нагрузку (1).

Недостатком известного устройства является то, что оно генерирует импульсы напряжения только синусоидальной формы, что ограничивает область его применения из-за невозможности создания коротких (порядка долей наносекунды) электрических импульсов, которые необходимы в радиотехнике коротких сверхширокополосных ЭМИ.

Также известно устройство для генерирования электрических импульсов напряжения, являющееся наиболее близким к описываемому, содержащее генератор электронных сгустков с активной проводимостью G электронного потока, по ходу движения которых установлены вакуумированный объем для пролета сгустков, фокусирующие магнитные элементы и коллектор, при этом внутри указанного объема расположен узел преобразования энергии сгустка в энергию электромагнитного поля для ее передачи через согласованную передающую линию в нагрузку, узел преобразования выполнен в виде двух параллельных плоских электродов шириной D каждый, плоскости электродов расположены перпендикулярно направлению движения сгустков, и в каждом электроде выполнен канал для прохождения сгустков (2).

Данное устройство - прототип по сравнению с устройством-аналогом (1) обеспечивает возможность создания коротких электрических импульсов, необходимых в радиотехнике коротких сверхширокополосных ЭМИ. Однако недостатком устройства является его низкий КПД за счет того, что передающая линия согласована только с нагрузкой и не согласована с проводимостью электронных сгустков, при этом увеличиваются потери энергии сгустка при передаче ее в узле преобразования на передающую линию.

Целью изобретения является повышение КПД устройства за счет оптимизации согласования элементов устройства при передаче энергии сгустка в энергию электромагнитного поля в передающей линии.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для генерирования электрических импульсов напряжения, содержащем генератор электронных сгустков с активной проводимостью G электронного потока, по ходу движения которых установлены вакуумированный объем для пролета сгустков, фокусирующие магнитные элементы и коллектор, при этом внутри указанного объема расположен узел преобразования энергии сгустка в энергию электромагнитного поля для ее передачи через согласованную передающую линию в нагрузку, узел преобразования выполнен в виде двух параллельных плоских электродов шириной D каждый, плоскости электродов расположены перпендикулярно направлению движения сгустков, и в каждом электроде выполнен канал для прохождения сгустков, согласно изобретению оба электрода образуют начальный участок полосковой линии, которая является упомянутой согласованной линией, торец каждого электрода в начале полосковой линии выполнен закругленным с радиусом закругления, равным D/2, и центром закругления, лежащим на оси движения сгустка, при этом полосковая линия имеет волновое сопротивление Z, которое связано с активной проводимостью G соотношением:

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве в качестве согласованной передающей линии использована полосковая линия, которая за счет геометрии своего начального участка и выбираемых из условия (I) параметров обеспечивает оптимальное согласование сопротивлений при передаче энергии сгустков во всей электрической цепи к нагрузке, что повышает КПД устройства (в то время, как в прототипе имеет место согласование предающей линии только на конце цепи - с нагрузкой).

На фиг. 1 показано устройство для генерирования электрических импульсов напряжения.

На фиг. 2 дан разрез по А-А фиг. 1.

Устройство содержит генератор 1 электронных сгустков 2 (сгустки могут быть одиночными или групповыми), имеющих активную проводимость G электронного потока. По ходу движения (показанного на фиг. 1 стрелкой по оси O-O') сгустков установлены: вакуумированный объем, ограниченный корпусом 3, для пролета сгустков, фокусирующие магнитные элементы 4 и коллектор 5. Внутри указанного объема в корпусе 3 расположен узел преобразования энергии сгустка в энергию электромагнитного поля для ее передачи через согласованную передающую линию в нагрузку (не показана). Узел преобразования выполнен в виде двух параллельных плоских электродов 6 шириной D (фиг. 2) каждый. Плоскости электродов 6 расположены перпендикулярно направлению движения сгустков 2, и в каждом электроде 6 выполнен канал 7 для прохождения сгустков 2. Канал 7 может быть выполнен в виде отверстия, сетки и др. Оба электрода 6 образуют начальный участок полосковой линии 8, которая является упомянутой согласованной передающей линией, связанной с нагрузкой. (Как следует из физики работы полосковой линии, под "начальным участком" полосковой линии понимается участок протяженностью от собственно начала полосковой линии, то есть от торцов каждого из ее электродов, до той части электродов линии, на которой уже не сказывается краевой эффект, искажающий поле между электродами. Этот "начальный участок" составляет 1. . . 2•h, где h - величина зазора между электродами. ). Торец 9 (фиг. 2) каждого электрода 6 в начале полосковой линии 8 выполнен закругленным с радиусом г закругления, равным D/2 и центром "а" закругления, лежащим на оси O-O' движения сгустка. Полосковая линия 8 имеет волновое сопротивление Z, которое определяется соотношением между шириной D и величиной зазора h между электродами. Волновое сопротивление связано с активной проводимостью G сгустка 2 соотношением:

Линия 8 при выходе из вакуумированного объема преобразуется для удобства вывода из корпуса 3, например, в коаксиал, подключаемый к нагрузке. В качестве нагрузки могут быть использованы, например, рупорная антенна, антенна с параболическим рефлектором и др.

Устройство работает следующим образом.

После подачи питания (не показано) на генератор 1 электронных сгустков (например, клистрон) на его выходе формируется последовательность электронных сгустков 2 (с частотой следования порядка гигагерц), каждый из сгустков имеет активную проводимость G электронного потока внутри сгустка, которая равна U/I, где U - ускоряющее напряжение электронов в генераторе 1, I - ток электронов в сгустке. Генератор 1 имеет возможность формировать геометрию сгустка 2 (длину, диаметр) и частоты следования сгустков. Сгусток 2 попадает в вакуумированный объем корпуса 3, который необходим для беспрепятственного движения электронных сгустков. В объеме движение каждого сгустка фокусируется в заданном направлении (на фиг. 1 по оси 00') с помощью фокусирующих магнитных элементов 4 (например, электромагнитных катушек). В устройстве предусмотрен коллектор 5, в котором поглощается остаточная (после преобразования в узле преобразования) энергия сгустков. В узле преобразования энергия сгустков преобразуется в энергию электромагнитного поля полосковой линии. При этом происходит следующее. С момента, когда сгусток 2 при движении по оси 0-0' начинает проникать в зазор между электродами 6 полосковой линии 8, в электродах 6 наводится ток, равный току проникающего сгустка, при этом на волновом сопротивлении полосковой линии по закону Ома наводится напряжение в виде импульса с амплитудой V. Это напряжение создает в зазоре между электродами 6 тормозящее электроны сгустка электрическое поле. Скорость электронов сгустка по мере движения в тормозящем поле уменьшается, в результате чего кинетическая энергия электронов сгустка при выходе из зазора между электродами 6 оказывается меньше, чем на входе в зазор. Разность между этими значениями кинетической энергии электронов сгустка равна энергии, отданной в полосковую линию и далее рассеянной в нагрузке. Длительность импульса с амплитудой V равна времени пролета сгустка (со скоростью, близкой к скорости света) между электродами 6. Расстояние между электродами 6 в типичной полосковой линии, используемой в широкополосных радиоустройствах, составляет единицы миллиметра. Таким образом, длительность импульса с амплитудой V составляет доли наносекунды, т. е. импульс относится к категории сверхширокополосных, при этом амплитуда V импульса близка по порядку к значению ускоряющего напряжения U электронов в генераторе 1 и составляет десятки - сотни киловольт.

Выбор диапазона значений в соотношении (I) проведен эмпирически и обусловлен следующим. При использовании описанной полосковой линии имеет место наличие консоли концевой части электродов линии относительно оси О-О' движения сгустков (в устройстве - закругленный участок электродов 6). Наличие указанной консоли представляет собой дополнительную электрическую емкость, включенную параллельно волновому сопротивлению Z полосковой линии. Эта емкость должна быть учтена при согласовании сопротивлений электрической цепи в зоне "сгусток - электроды в начальном участке полосковой линии". Эмпирически определено, что при уменьшении значения числителя в зависимости (I) ниже предельного значения 1,05 влияние консоли как дополнительной емкости в узле преобразования увеличивается, что уменьшает КПД устройства ниже заданного уровня. При увеличении числителя в зависимости (I) выше предельного значения 1,2 уменьшается КПД устройства ниже заданного уровня за счет влияния рассогласования узла преобразования с далее передающей импульс частью полосковой линии (со стороны нагрузки).

При этом:
- за счет того, что в устройстве использована в качестве передающей линии - описанная полосковая линия, обеспечено оптимальное согласование сопротивлений всей электрической цепи при передаче энергии сгустков к нагрузке, что повышает КПД устройства до значений не менее 45%, в то время, как в прототипе КПД не более 30%,
- за счет того, что в устройстве имеет место согласование сопротивлений его электрической цепи по зависимости (I) - обеспечено повышение КПД устройства путем максимального преобразования энергии сгустка в энергию электромагнитной волны, возбуждаемой в описанной полосковой линии и передаваемой в нагрузку,
- за счет того, что в узле преобразования оба электрода образуют начальный участок полосковой линии, практически вся преобразованная энергия сгустка направляется в устройстве к нагрузке, а не "ответвляется" частично в противоположную от нагрузки сторону, повышается КПД устройства,
- за счет того, что в узле преобразования торец каждого электрода в начале полосковой линии выполнен закругленным, увеличена электрическая прочность межэлектродного зазора между электродами полосковой линии, так как при этом уменьшается поверхностная напряженность на торцах электродов, она выравнивается за счет уменьшения краевых эффектов, и, собственно, уменьшается концевая емкость полосковой линии, уменьшается дополнительная энергия, необходимая на заряд этой емкости, что повышает КПД устройства,
- за счет того, что в устройстве радиус закругления торцов электродов равен половине ширины электрода, а центр закругления лежит на оси движения сгустка, обеспечено выравнивание расстояний от зоны преобразования энергии сгустка до краев электродов полосковой линии, что уменьшает энергию, потребляемую на возбуждение высших типов колебания, увеличивает широкополосность полосковой линии, и, как следствие, повышает КПД устройства.

Примеры выполнения устройства
В каждый из нижеприведенных примеров выполнения устройства входят следующие общие элементы:
- генератор-клистрон, типа МЛК, разработки ГНПП "Исток", г. Фрязино. Генерирует групповые сгустки с G= 0,01 Ом^-1 (без коллектора и выходного резонатора); ток сгустка I= 100 А. Ускоряющее напряжение электронов U= 10 кВ;
- фокусирующие магниты - стандартные от клистрона МЛК, постоянные кольцевые магниты со встречным направлением магнитных полей;
- коллектор, стандартный от Клистрона МЛК;
- полосковая линия в виде двух плоских электродов из нержавеющей стали, толщиной 0,3 мм, шириной D электрода линии, равной 2 см, разработки заявителя;
- канал в электродах для прохода сгустков в виде сетки толщиной 0,3 мм из нержавеющей стали, с коэффициентом прозрачности 0,9. Сетка образована группой отверстий, каждое их которых соответствует сгустку из группы, разработки заявителя;
- полосковая линия нагружена на волновой трансформатор, разработки заявителя, описанный в патенте 2149485, кл. Н 01 Р 5/12, 5/19 от 1999 г. Трансформатор подключен к фазированной антенной решетке размером 2•2 мм, разработки заявителя.

Расстояние h между электродами полосковой линии, определяющее в этом случае волновое сопротивление Z линии, переменно.

В процессе экспериментов изготавливались варианты полосковой линии с различными значениями h. По известной зависимости для Z:

(см. Г. И. Веселов и др. "Микроэлектроника устройства СВЧ. Учебное пособие для М59 радиотехнических специальностей вузов. М. : Высшая школа, 1988, с. 21), вычислялось значение Z с учетом D= 2 см.

Далее - измерялась амплитуда V в данном варианте полосковой линии.

Затем рассчитывалось значение КПД данного варианта устройства по зависимости

Методом итерационных приближений определялись значения h, которые соответствуют заданному допустимому уровню КПД устройства: не менее 45% (это значение КПД определено тем, что при нем еще не возникает серьезных технических проблем при решении задачи охлаждения коллектора устройства) и значения h, которым соответствуют граничные значения при выбранном КПД.

Из множества экспериментов в данном тексте в таблице представлены характерные значения параметров полосковой линии, поясняющие выбранный в условии (I) интервал значений соотношения Z и G.

Таким образом, рассмотрение примеров выполнения устройства показало, что описанное устройство обеспечивает генерирование широкополосных электрических импульсов напряжения с КПД не менее 45%, что существенно больше, чем у прототипа (где КПД≤30%).

Устройство может быть использовано в радиотехнике коротких сверхширокополосных электромагнитных импульсов при радиолокации, радиопротиводействии, радиотелефонии, в медицинских приборах, использующих радиолокационные принципы, охранных системах и др.

Источники информации
1. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. М. : Высшая школа, 1972, с. 168-169.

2. Там же, с. 32 - прототип.

Устройство для генерирования электрических импульсов напряжения содержит генератор электронных сгустков с активной проводимостью электронного потока, по ходу движения которых установлены вакуумированный объем для пролета сгустков, фокусирующие магнитные элементы и коллектор. В объеме расположен узел преобразования энергии сгустков в энергию электромагнитного поля, передаваемую в нагрузку через согласованную передающую линию в виде полосковой линии. Узел выполнен в виде двух параллельных плоских электродов, перпендикулярных направлению движения сгустков и образующих начальный участок полосковой линии. Торец каждого электрода выполнен закругленным с радиусом, равным половине ширины электрода, и центром на оси сгустков. Приведено расчетное соотношение волнового сопротивления линии к активной проводимости сгустка. Техническим результатом является повышение КПД устройства. 2 ил. , 1 табл.

Устройство для генерирования электрических импульсов напряжения, содержащее генератор электронных сгустков с активной проводимостью G электронного потока, по ходу которых установлены вакуумированный объем для пролета сгустков, фокусирующие магнитные элементы и коллектор, при этом внутри указанного объема расположен узел преобразования энергии сгустка в энергию электромагнитного поля для ее передачи через согласованную передающую линию в нагрузку, узел преобразования выполнен в виде двух параллельных плоских электродов шириною D каждый, плоскости электродов расположены перпендикулярно направлению движения сгустков и в каждом электроде выполнен канал для прохождения сгустков, отличающееся тем, что оба электрода образуют начальный участок полосковой линии, которая является упомянутой согласованной линией, торец каждого электрода в начале полосковой линии выполнен закругленным c радиусом закругления, равным D/2, и центром закругления, лежащим на оси движения сгустков, при этом полосковая линия имеет волновое сопротивление Z, которое связано с активной проводимостью G соотношением