ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2003 года по МПК H01J23/06 H01J23/18 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройству лампы бегущей волны (ЛБВ), используемой в качестве генераторов, усилителей, переключателей тока и других устройств.

Одним из требований, предъявляемым к ЛБВ, является обеспечение их работы в режиме модуляции, при котором происходит частичная или полная отсечка тока пучка за счет подачи соответствующих потенциалов на электроды пушки. Такие режимы модуляции требуются для циклического или апериодического изменения уровня выходной мощности или, при отсутствии полезного сигнала на входе ЛБВ, для подавления шумовой мощности на выходе лампы. Подобная отсечка тока в ЛБВ происходит при переходном процессе включения или выключения прибора.

Основным недостатком, присущим этим режимам, является то, что требуемое ослабление тока пучка в ряде случаев происходит при таких значениях модулирующих напряжений, при которых возникают высокие значения оседания тока на входной участок замедляющей системы (ЗС), что приводит к преждевременному выходу из строя прибора (см. Морев С.П., Якунин А.Н. Исследование особенностей процессов управления током пучка в электронно-оптических системах приборов О-типа. - Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1987, вып. 5).

Известны конструкции ЛБВ с фокусировкой пучка магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), в которых для защиты входного участка ЗС от оседания тока между электронной пушкой и вводом высокочастотной (ВЧ) энергии размещают коллиматор (Groshart G., Armstrong С. Vacuum Power Booster Development for the Power Module. IEEE MTT-s International Microwave Symposium, 1995, Orlando, Florida).

В работе Leborgne R.H. A 700W KU - Band TWT for SATCOM Ground Terminals - Microwave Journal, 1981, v.24, N7, p.65-68 описан коллиматор, представляющий собой участок пролетного канала, который образован системой чередующихся медных и стальных прокладок вакуумно плотно спаянных между собой. В режимах частичной или полной отсечки тока пучка, включении или выключении основной перехват электронного пучка осуществляется этим коллиматором. Вследствие хорошей теплопроводности медных прокладок обеспечивается сохранение коллиматора от разрушения из-за чрезмерного оседания тока в этих режимах. Недостатком данной конструкции является сложность технологии изготовления коллиматора, обусловленная необходимостью обеспечения вакуумной плотности большого числа спаев. В результате такой технологии снижается надежность и долговечность работы ЛБВ в целом.

Указанных недостатков лишены известные конструкции ЛБВ (см. King R.C.M. The design of grid pulsed, PPM focussed, coupled cavity TWT's for reliable operation in military transmitters. Intern. Conf on Micr. Tubes in systems; Problems and prospects, London, 1984, p.16-22), в которых коллиматор выполнен в виде толстостенного медного цилиндра, имеющего диаметр отверстия, близкий к диаметру ЗС.

Наиболее близким к заявляемому решению является конструкция ЛБВ с коллиматором, описанная в работе G. Fleury, J.C. Kuntzmann, E.D. Maloney. New TWT Generation Pumps Power for Today and Tomorrow. MSN, 1982, v. 12, N 1, pp. 97-98, 100, 101, 102, 104, 107, 108, 110, 114, 117, 118. Эта конструкция выбрана в качестве прототипа.

В этой конструкции коллиматор выполнен в виде толстостенного медного цилиндра, имеющего диаметр, близкий к диаметру ЗС, а его длина составляет два с половиной периода МПФС. Однако и эта конструкция не лишена недостатков.

В результате появляющихся при изготовлении ЛБВ перекосов или несоосностей протяженного коллиматора с диаметром отверстия, равным диаметру канала относительно осей электронной пушки и ЗС, имеет место уменьшение реального сечения пролетного канала. Это приводит к повышенному оседанию тока на коллиматор в рабочем режиме, уменьшению тока пучка, проходящего через ЗС, и, как следствие этого, к уменьшению выходной мощности и КПД прибора. Так, при внутреннем диаметре коллиматора 0,6 мм, равном диаметру пролетного канала, и длине коллиматора 20 мм уже при перекосе оси коллиматора относительно оси электронной пушки, равном 0,85^o, половина общего тока пучка полностью перехватывается коллиматором и не попадает в пролетный канал ЗС. Кроме этого, применение столь протяженного коллиматора приводит к увеличению массы и габаритов прибора, не улучшая его параметров.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является защита входного участка ЗС от нежелательного оседания тока и улучшение прохождения тока через пролетный канал ЛБВ в режиме полного тока пучка.

Поставленная задача решается таким образом, что в ЛБВ, содержащей вакуумную оболочку, ввод ВЧ энергии, электронную пушку, магнитную периодическую фокусирующую систему (МПФС), состоящую из ячеек чередующихся кольцевых магнитов и наконечников, замедляющую систему (ЗС) и коллиматор, расположенный внутри вакуумной оболочки между электронной пушкой и вводом ВЧ энергии, внутренняя часть коллиматора выполнена в виде ступенчатого тела вращения, состоящего из не менее двух цилиндрических частей, причем положение начала участка коллиматора с наименьшим диаметром отверстия, со стороны электронной пушки, совпадает с положением середины второй ячейки МПФС. Кроме того, участок коллиматора с наименьшим диаметром отверстия имеет протяженность, не превосходящую 0,5L, и внутренний диаметр 0,8-1,0d_к, a другие части коллиматора имеют суммарную протяженность, не превосходящую L, и внутренние диаметры, не превосходящие 2d_к, где d_к - внутренний диаметр ЗС, L - период МПФС.

При выборе внутренней конфигурации и расположении коллиматора в соответствии с предлагаемой формулой, коллиматор не перехватывает ток пучка в рабочем режиме, не критичен к перекосу оси коллиматора относительно осей электронной пушки и ЗС из-за малой протяженности части коллиматора с меньшим диаметром. В то же время часть коллиматора с наименьшим диаметром, расположенная во второй ячейке МПФС, надежно предохраняет входной участок ЗС от тепловой перегрузки при переходных режимах включения-выключения или при уменьшенном значении тока пучка, обусловленном заданным режимом работы ЛБВ, а в целом конструкция коллиматора обеспечивает надежный отвод тепла от участка коллиматора с наименьшим диаметром. Практическое изготовление коллиматора предлагаемой конструкции не требует многочисленных технологических операций и выполняется на стандартном металлообрабатывающем оборудовании, что облегчает промышленную применимость
Анализ конструкций аналогов и прототипа заявляемого устройства показывает, что признаки, связанные с конкретизацией профиля тела коллиматора, расположением части коллиматора во второй ячейке МПФС, и положительный эффект, вызванный этим при переходных режимах включения-выключения или при уменьшенном значении тока пучка, обусловленном заданным режимом работы ЛБВ, неизвестны.

На фиг.1 схематически изображена ЛБВ заявляемой конструкции. ЛБВ содержит электронную пушку 1, вакуумную оболочку 2, МПФС, состоящую из ячеек чередующихся кольцевых магнитов и наконечников 3, входной участок ЗС 4, высокочастотный ввод энергии 5, коллиматор 6, расположенный между электронной пушкой 1, вводом ВЧ энергии 5 и входным участком ЗС 4. Внутренняя часть коллиматора 6 выполнена в виде ступенчатого тела вращения, состоящего из нескольких цилиндрических частей, причем положение начала выступа коллиматора 7 с наименьшим диаметром, со стороны электронной пушки, совпадает с положением середины второй ячейки МПФС 3.

На фиг. 2-7 представлены варианты выполнения коллиматоров для различных конструктивных размеров и местоположения ввода ВЧ энергии.

На фиг.8-11 представлены результаты траекторного анализа пучка в области электронной пушки (фиг. 8, фиг.10) и в области пролетного канала диаметром 1,1 мм (фиг.9, фиг.11) ЛБВ средней мощности коротковолновой части СВЧ диапазона заявленной конструкции в номинальном режиме работы при токе пучка I= 160 мА, напряжении ЗС Uзс=4000 В (фиг.8-9) и в переходном режиме с пониженным током пучка I=90 мА (фиг.10-11).

На фиг. 12 представлены результаты траекторного анализа пучка в области пролетного канала ЛБВ с коллиматором в виде трубки с отверстием, равным диаметру канала в переходном режиме с тем же пониженным значением тока пучка.

Сравнительный анализ расчетов на фиг.8-12 показывает, что выбор профиля коллиматора и его расположения в ЛБВ предлагаемой конструкции обеспечивает отсутствие перехвата тока пучка в номинальном режиме работы ЛБВ, а также надежную защиту входного участка ЗС от тепловой перегрузки в переходном режиме с пониженным током, при котором на коллиматор может оседать 17 мА общего тока пучка. Кроме этого, малая протяженность выступа коллиматора обеспечивает нечувствительность величины тока пучка, которая проходит через коллиматор, к перекосу оси коллиматора относительно осей электронной пушки и ЗС. Это показано как расчетным, так и экспериментальным путем.

Так, при длине выступа коллиматора, равной 2 мм, диаметре пролетного канала 1 мм и перекосе оси коллиматора относительно оси электронной пушки, равном 0,85^o, уменьшение эффективного диаметра составляет 20%, что позволило выбрать диаметр этого участка коллиматора равным 0,9 диаметра пролетного канала ЗС без ухудшения прохождения тока в ЛБВ.

На основании расчетных и экспериментальных данных определены основные размеры коллиматора и его оптимальное положение относительно электронной пушки и входного участка ЗС.

Размещение участка коллиматора с наименьшим диаметром в области первой ячейки МПФС не защищает входной участок ЗС от оседания тока при переходных режимах включения-выключения или при уменьшенном значении тока пучка, а выбор диаметра отверстия этого участка коллиматора, меньше чем 0,8 диаметра пролетного канала, вызывает ухудшение прохождения тока пучка через коллиматор в номинальном режиме работы ЛБВ, ухудшая тем самым характеристики прибора, связанные с током пучка. При внутреннем диаметре отверстия выступа в коллиматоре больше диаметра пролетного канала, коллиматор не защищает входной участок ЗС от перегорания в переходных режимах включения-выключения, а также при пониженных значениях тока пучка. Так как максимальный размер пучка в переходных режимах включения-выключения, а также при пониженных значениях тока, не превосходит (как показывают расчеты и экспериментальные измерения) двух диаметров пролетного канала, то выбор величин внутренних диаметров отверстий участков коллиматора, обращенных к электронной пушке или к высокочастотному вводу энергии, больше, чем двух диаметров пролетного канала, приводит к потере защитных свойств коллиматора в этих режимах. При размещении высокочастотного ввода энергии в третьей ячейке МПФС максимальная длина выступа коллиматора ограничена величиной половины периода МПФС (суммарная протяженность наконечника и половин второго и третьего магнитов МПФС). Так как в переходных режимах включения-выключения, а также при пониженных значениях тока пучка, размер пучка в области третьей ячейки МПФС минимален, то дальнейшее увеличение длины выступа коллиматора (при размещении ввода ВЧ энергии в четвертой ячейке МПФС) приводит лишь к ухудшению прохождения тока через коллиматор в номинальном режиме (из-за имеющихся перекосов осей электронной пушки и пролетного канала), не улучшая защитных свойств коллиматора. Суммарная протяженность коллиматора при размещении ввода ВЧ энергии в третьей ячейке МПФС ограничена величиной периода МПФС и обусловлена протяженностью первых двух ячеек МПФС. Такая длина коллиматора достаточна для рассеяния выделяющейся на коллиматоре мощности в переходных режимах включения-выключения, а также при пониженных значениях тока пучка и увеличение длины коллиматора нецелесообразно.

Применение коллиматора в ЛБВ в соответствии с предложенной формулой изобретения позволило исключить перегорание входного участка ЗС при одновременном уменьшении габаритов прибора в целом, за счет появившейся возможности размещения высокочастотного ввода энергии, начиная с третьей ячейки МПФС.

Таким образом, предлагаемая конструкция ЛБВ обладает следующими преимуществами:
защита входного участка ЗС от тепловой перегрузки в переходных режимах включения-выключения, а также при пониженных значениях тока пучка;
улучшение токопрохождения в приборах О-типа в номинальном режиме;
уменьшение габаритов и массы ЛБВ при сохранении надежности работы во время процессов включения-выключения или при пониженных значениях тока пучка.

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к лампам бегущей волны О-типа. Лампа бегущей волны содержит электронную пушку (ЭП), вакуумную оболочку, магнитную периодическую фокусирующую систему (МПФС), состоящую из ячеек чередующихся кольцевых магнитов и наконечников, входной участок замедляющей системы (ЗС), высокочастотный ввод энергии (ВВЭ), коллиматор, расположенный между ЭП, ВВЭ и входным участком ЗС. Для защиты входного участка ЗС при режимах включения-выключения или при уменьшенном значении тока пучка и улучшения токопрохождения в ЛБВ в рабочем режиме внутренняя часть коллиматора выполнена в виде ступенчатого тела вращения, состоящего из нескольких цилиндрических частей, причем положение начала выступа коллиматора с меньшим диаметром со стороны ЭП совпадает с положением середины второй ячейки МПФС. Техническим результатом является защита входного участка замедляющей системы от нежелательного оседания тока. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Лампа бегущей волны, содержащая вакуумную оболочку, ввод высокочастотной энергии, электронную пушку, магнитную периодическую фокусирующую систему, состоящую из ячеек чередующихся кольцевых магнитов и наконечников, замедляющую систему и коллиматор, расположенный внутри вакуумной оболочки между электронной пушкой и вводом высокочастотной энергии, отличающаяся тем, что внутренняя часть коллиматора выполнена в виде ступенчатого тела вращения, состоящего из не менее двух цилиндрических частей, причем положение начала участка коллиматора с наименьшим диаметром отверстия со стороны электронной пушки совпадает с положением середины второй ячейки магнитной периодической фокусирующей системы. 2. Лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что участок коллиматора с наименьшим диаметром отверстия имеет протяженность, не превосходящую 0,5L и внутренний диаметр 0,8-1,0d_k, а другие части коллиматора имеют суммарную протяженность, не превосходящую L, и внутренние диаметры, не превосходящие 2d_k, где d_k - внутренний диаметр замедляющей системы, L - период магнитной периодической фокусирующей системы.