ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК H01J25/34 

Изобретение относится к технике СВЧ, более конкретно к мощным широкополосным лампам бегущей волны (ЛБВ) сантиметрового диапазона и их гибридам.

Известны широкополосные ЛБВ с переходами от прямоугольного волновода к цепочкам связанных щелями резонаторов [1-3].

В [1] прямоугольный волновод расположен перпендикулярно оси лампы и связан с тороидальным резонатором через щель в диафрагме отрезком волновода с поперечным сечением, имеющим форму щели и расположенным параллельно оси лампы. Отрезок волновода имеет протяженность, равную нескольким тороидальным резонаторам, что увеличивает длину и вес лампы.

В [2] описан прибор с переходом от прямоугольного волновода к замедляющей системе (ЗС) типа "клеверный лист". Прямоугольный волновод в его конструкции расположен перпендикулярно оси лампы, но он соединен с крайним резонатором ЗС втулкой, которая входит в резонатор через отверстие, выполненное вдоль оси диска ЗС. Таким образом переход от прямоугольного волновода к цепочке связанных резонаторов имеет протяженность в осевом направлении, по крайней мере, в два раза большую, чем протяженность одного резонатора.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция ЛБВ с переходом от прямоугольного волновода к цепочке связанных щелями резонаторов, приведенная в [3]. В этой конструкции так же, как и в предыдущих, прямоугольный волновод расположен перпендикулярно оси лампы.

В [3] между отрезком волновода с большим поперечным сечением и отрезком с максимальным поперечным сечением выполнен ступенчатый переход и на отрезке волновода с большим поперечным сечением установлены две пары индуктивных диафрагм. Отрезок волновода с меньшим поперечным сечением связан с переходным резонатором щелью в боковой стенке резонатора, и вблизи этой щели в дисках, ограничивающих переходный резонатор, выполнены углубления, имеющие в поперечном сечении форму щели связи между резонаторами. Эта конструкция позволяет достичь ввода/вывода потока энергии в/из прибора с малым коэффициентом отражения, только начиная с частот, на 3% больших нижней частной границы полосы пропускания ЗС.

Использование в волноводе двух пар индуктивных диафрагм и ступенчатого перехода усложняет изготовление прибора, увеличивает его габариты и массу, а выполнение углублений в ферромагнитных дисках переходного резонатора приводит к неоднородности фокусирующего магнитного поля, что вызывает ухудшение токопрохождения и, как следствие, снижение выходной мощности. Кроме того, конструкция прибора прототипа не позволяет достичь на его входе/выходе малых коэффициентов отражения на частотах вблизи длинноволновой границы полосы пропускания ЗС.

На этих частотах замедляющая система имеет самое высокое сопротивление связи. Поэтому использование для работы прибора области дисперсионной характеристики вблизи длинноволновой отсечки пропускания позволяет достичь как наибольшего удельного усиления, так и коэффициента полезного действия.

Задачей изобретения является упрощение изготовления, уменьшение массогабаритных характеристик, улучшение однородности фокусирующего магнитного поля при использовании в приборах совмещенной магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС), достижение малых коэффициентов отражения непосредственно у низкочастотной границы полосы пропускания ЗС.

Указанная задача решается выполнением между отрезком волновода с большим поперечным сечением и отрезком волновода с меньшим поперечным сечением перехода с плавно уменьшающимся поперечным сечением, выполнением угла γ раствора щели в боковой стенке переходного резонатора, соединяющей отрезок волновода с меньшим поперечным сечением и переходный резонатор, в интервале 180°≥γ≥57,3° , где λg - длинноволновая граница полосы пропускания цепочки связанных щелями резонаторов, d_p - диаметр переходного резонатора, выполнением ширины щели h_щ относительно высоты h_p переходного резонатора в пределах от 0,8 до 1,0, установкой на трубке дрейфа крайнего диска цепочки связанных щелями резонаторов согласующего элемента, выполненного из немагнитного металла, с внутренним диаметром, равным наружному диаметру d_m трубки дрейфа, установкой на поверхности крайнего диска цепочки связанных щелями резонаторов согласующих элементов, выполненных из немагнитного металла, выполнением угла α между серединой щели в боковой стенке переходного резонатора и серединой щели в согласующей диафрагме, ограничивающей переходный резонатор, и угла β между серединой щели в согласующей диафрагме и серединой щели в диске, ограничивающем резонатор, следующий за переходным в пределах от 90 до 180°.

Выше приведено общее решение поставленной задачи. Однако в процессе изготовления приборов при сборке и пайке возникают технологические погрешности и не во всех случаях требуется установка на трубке дрейфа ферромагнитного диска согласующего (проводящего) элемента с внутренним диаметром, равным наружному диаметру трубки дрейфа, также как и согласующих элементов, устанавливаемых на поверхности этого диска. В некоторых случаях вообще отсутствует необходимость установки согласующих элементов как на трубке дрейфа, так и на поверхности ферромагнитного диска.

На фиг.1 показано продольное сечение предложенной ЛБВ, на фиг.2 и фиг.3 - соответственно вид по стрелке А и по стрелке Б поперечного сечения ЛБВ плоскостью I-I на фиг.4 - фрагмент Ф прибора в продольном сечении в увеличенном масштабе.

На этих фигурах: 1 - цепочка, 2 - щели связи между резонаторами, 3 - резонаторы, 4 - ферромагнитные диски, 5 - медные диафрагмы, 6 - трубки дрейфа, 7 - вход ЛБВ, 8 - выход ЛБВ, 9 - керамические вакуумные уплотнения, 10 - прямоугольный волновод, 11 - отрезок прямоугольного волновода с большим поперечным сечением, 12 - отрезок волновода с плавно уменьшающимся поперечным сечением (плавный волноводный переход), 13 - отрезок прямоугольного волновода с меньшим поперечным сечением, 14 - циклическое отверстие, выполненное в волноводе, 15 - переходный резонатор, 16 - щель связи между отрезком прямоугольного волновода с меньшим поперечным сечением и переходным резонатором, 17 - крайний ферромагнитный диск цепочки связанных щелями резонаторов, 18 - трубка дрейфа крайнего ферромагнитного диска цепочки связанных щелями резонаторов, 19 - согласующий элемент, выполненный из немагнитного металла, с внутренним диаметром, равным диаметру трубки дрейфа крайнего ферромагнитного диска, установленного на этой трубке, 20 - согласующие элементы, выполненные из немагнитного металла, установленные на поверхности крайнего ферромагнитного диска, 21- согласующая диафрагма, 22 - щель в согласующей диафрагме.

В лампе бегущей волны (фиг.1) замедляющая система - цепочка 1 связанных щелями 2 резонаторов 3 - выполнена из покрытых медью ферромагнитных дисков 4 и медных диафрагм 5. Вдоль оси лампы в дисках и диафрагмах выполнены трубки дрейфа 6. Между дисками 4 установлены навстречу друг другу одноименными полюсами магнитные кольца (не показаны). Эти кольца создают на оси прибора знакопеременное магнитное поле, фокусирующее электронный пучок (условно показан стрелками на оси прибора), создаваемый электронный пушкой и собираемый коллектором (показаны условно). Таким образом, прибор имеет магнитную периодическую фокусирующую систему, совмещенную с замедляющей системой.

Конструкция переходов от прямоугольных волноводов 10 к цепочке 1 связанных щелями 2 резонаторов 3 на входе 7 и выходе 8 ЛБВ, содержащих керамические вакуумные уплотнения 9, одинакова. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать конструкцию перехода только на входе 7.

Сечение отрезка 11 прямоугольного волновода 10 по направлению к переходному резонатору 15 уменьшается, переходя в сечение отрезка 13 волновода 10. Таким образом, между отрезками 11 и 13 выполнен плавный волноводный переход 12.

Отрезок 13 связан с переходным резонатором 15 щелью 16 в его боковой стенке. Переходный резонатор 15 образован поверхностью крайнего ферромагнитного диска 17, поверхностью цилиндрического отверстия 14, выполненного в волноводе 10, и поверхностью согласующей диафрагмы 21. На трубке дрейфа 18 крайнего ферромагнитного диска 17 установлен согласующий элемент 19, а на его поверхности - один-два согласующих элемента 20. Элементы 19 и 20 выполнены из немагнитного металла, соединены с диском 17 (фиг.3 и фиг.4), элемент 19 - контактной и лазерной сваркой, элемент 20 - контактной сваркой и пайкой.

Середина щели 22 в согласующей диафрагме 21 повернута относительно середины щели 16, связывающей отрезок 13 волновода 10 с переходным резонатором 15, на угол α, а середина щели 16 в диске 4, следующем за согласующей диафрагмой 21, повернута по отношению к середине щели в ней на угол β (фиг.2).

Заявленное устройство работает следующим образом (фиг.1). Электронный пучок, созданный электронной пушкой (слева на фиг.1), движется вдоль цепочки 1 связанных щелями 2 резонаторов 3, удерживаемой периодическим магнитным полем. На вход 7 прибора поступает поток электромагнитной энергии, который проходит через керамическое вакуумное уплотнение 9 в отрезок 11 волновода 10 и по плавному волноводному переходу 12 поступает в отрезок 13, связанный щелью 16, имеющей угол раствора (фиг.2), с переходным резонатором 15. Наличие плавного перехода 12 между отрезками 11 и 13 волновода 10 обеспечивает передачу энергии от первого ко второму с коэффициентом отражения, близким к нулю. Далее поток энергии через щель 16 поступает в переходный резонатор 15. Волновое сопротивление отрезка 13 прямоугольного волновода 10 гораздо ниже волнового сопротивления цепочки 1 связанных щелями 2 резонаторов 3, поэтому между ними необходимо устройство, обеспечивающее трансформацию первого во второе с малым коэффициентом отражения (не более 0,015). Эта трансформация достигается установкой на крайнем ферромагнитном диске 17 согласующих элементов 19, выполненных из немагнитного металла, а также поворотом середины щели 22 в согласующей диафрагме 21 по отношению к середине щели 16, связывающей отрезок 13 волновода 10 с переходным резонатором 15, на угол α и поворотом середины щели в ферромагнитном диске 4, следующем за согласующей диафрагмой 21, на угол β по отношению к середине щели в этой диафрагме (фиг. 2-4).

Выполненный таким образом переход от прямоугольного волновода 10 к цепочке 1 связанных щелями 2 резонаторов 3 обеспечивает ввод в ЛБВ потока электромагнитной энергии с коэффициентом отражения, не превышающим 0,015, даже вблизи отсечки полосы пропускания замедляющей системы.

Поступивший через вход прибора с малым коэффициентом отражения поток электромагнитной энергии усиливается при взаимодействии с электронным потоком и выводится через керамическое вакуумное уплотнение 9 на выходе 8 прибора, а отработавший электронный поток собирается коллектором.

Примером конкретного выполнения заявленного устройства может служить ЛБВ, разработанная для бортовой радиолокационной станции (БРЛС). Отрезок волновода 11 имел размер а=20 мм (большая сторона поперечного сечения), b=8 мм (меньшая сторона поперечного сечения), длину отрезка волновода 1 мм, плавный волноводный переход 12 имел длину 29,3 мм, отрезок волновода 13 имел размеры а=20 мм, b=2,8 мм, длину 6 мм, угол раствора щели связи γ между отрезком 13 волновода 10 и переходным резонатором 15 составлял 120°, а ее ширина была равна 2,8 мм.

На трубке дрейфа 18 крайнего ферромагнитного диска 17 было установлено согласующее кольцо 19 из нержавеющей стали 10X18H10, а на поверхности диска - два согласующих элемента 20 в виде дисков из мельхиора MH-19 - оси элемента 20 были расположены на расстоянии 6 мм от оси прибора и угол поворота относительно середины щели 16 одного элемента 20 составляет 19°, а оси другого - 19°.

Размеры согласующего кольца 19: внутренний диаметр равен диаметру d_m трубки дрейфа 18, который составлял 4,2 мм, наружный диаметр d_к=7 мм, высота h_к=0,8 мм, согласующие элементы 20 - диски имели диаметр d_э=3 мм и высоту h_э=2 мм. При этом диаметр переходного резонатора d_p составлял 15,5 мм, а его высота h_р=3,3 мм.

Середина щели 22 в согласующей диафрагме 21 была повернута по отношению к середине щели 16 между отрезком 13 волновода 10 и переходным резонатором 15 на угол 90° так же, как и середина щели 12 в ферромагнитном диске 3, ближайшем к согласующей диафрагме 21, по отношению к середине щели 22 в ней.

Прибор, в котором переход от прямоугольного волновода к цепочке связанных щелями резонансов был выполнен с приведенными выше размерами, имел коэффициент отражения потока электромагнитной энергии менее 0,015 в полосе частот, почти в 2 раза превышающей рабочую. При этом рабочая полоса непосредственно примыкала к низкочастотной отсечке области прозрачности ЗС.

Величина угла γ (фиг.2) раствора щели, связывающей отрезок волновода с меньшим поперечным сечением и переходный резонатор, выбирается из условия, что ее резонансная длина волны больше или равна длинноволновой отсечке λ_g полосы пропускания замедляющей системы с одной стороны, а с другой - щель не может иметь угол раствора, больший 180°, т.к. в этом случае резонатор переходит в волновод и использование согласующих элементов и диафрагмы не дает возможности получить низкие коэффициенты отражения вблизи длинноволновой отсечки полосы пропускания ЗС. Поэтому угол раствора γ щели, связывающей волновод с переходным резонатором, выбран в интервале 180° ≥γ≥57,3° .

Интервалы изменения углов α, β (фиг.2) и интервалы изменения осевых размеров h_щ, h_к, h_э (фиг.4), нормированных на высоту резонатора h_p, а также интервалы изменения радиальных размеров d_к, d_э, нормированных на диаметр резонатора d_p, были получены на основе обобщения результатов разработки двадцати пяти ЛБВ в соответствии с заявленной конструкцией.

Эти интервалы имеют следующий вид: 180°≥α,β≥90°;

1≥

Их довольно большие значения отражают тот факт, что даже при отклонении размеров узлов приборов от номинальных, вызванных неточностями изготовления, сборки и пайки, предложенное устройство позволяет достичь малых коэффициентов отражения (менее 0,015) потока электромагнитной энергии при связи прибора с внешними волноводными линиями.

Использование изобретения позволяет упростить изготовление лампы, т.к. в волноводе отсутствуют какие-либо диафрагмы, а переход в нем выполнен плавным. Эти конструктивные отличия почти в два раза сокращают длину волновода по сравнению с аналогичным волноводом прототипа, что уменьшает как габариты, так и массу заявленного устройства.

Применение в переходном резонаторе согласующих колец, элементов и диафрагм, выполненных из немагнитного металла, не вносит возмущений в магнитную цепь прибора, что дает возможность сохранить однородность фокусирующего магнитного поля. Наряду с этим оно позволяет достичь малых коэффициентов отражения непосредственно у низкочастотной границы полосы пропускания замедляющей системы.

Рассмотренная конструкция представляет один из вариантов заявленного изобретения. Лампы с бегущей волной, создаваемые в соответствии с ним, могут иметь не только совмещенную с замедляющей магнитную периодическую фокусирующую систему. В них применима фокусировка электронного потока, осуществляемая соленоидом, постоянным магнитом, магнитной периодической системой, не совмещенной с ЗС.

Объем заявленного изобретения ограничивается только его формулой.

Литература

1. US Patient N 4333038, Apr. 1980, Hisaaki Sato, Cl. 315 - 3.5.

2. US Patient N 3532925. Oct. 1970, Dodge etal, Cl. 315 - 3.5.

3. US Patient N 3048800, Aug. 1962, Grabowski K. et al, Cl.333 - 31.

Изобретение относится к технике СВЧ, а более конкретно к разработкам мощных широкополосных ламп бегущей волны (ЛБВ) и их гибридов. В предложенной ЛБВ переход между внешним трактом и цепочкой связанных щелями резонаторов образован волноводом, выполненным из трех отрезков - с большим поперечным сечением и плавно сужающимся отрезком между ними - переходным резонатором, щелью между отрезком волновода с меньшим поперечным сечением и переходным резонатором, согласующими элементами, выполненными из немагнитного материала и установленными на трубки дрейфа и на поверхности крайнего диска цепочки связанных щелями резонаторов, согласующей диафрагмой, разделяющей переходный резонатор и следующий за ним резонатор цепочки, установленный с поворотом относительно щели между отрезком волновода с меньшим поперечным сечением и переходным резонатором и щели в диске, ограничивающем резонатор, следующий за переходным. Техническим результатом является уменьшение габаритов и массы, улучшение однородности фокусирующего магнитного поля и достижение малых коэффициентов отражения непосредственно у низкочастотной границы полосы пропускания цепочки связанных щелями резонаторов. 3 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лампа бегущей волны, выполненная с переходом от прямоугольного волновода к цепочке связанных щелями резонаторов, в которой волновод расположен перпендикулярно ее оси и содержит отрезок с большим поперечным сечением, отрезок с меньшим поперечным сечением и переход между ними, отрезок волновода с меньшим поперечным сечением соединен с переходным резонатором щелью в его боковой стенке, а цепочка связанных щелями резонаторов содержит диски с трубками дрейфа, отличающаяся тем, что переход между отрезками волновода с большим и меньшим поперечными сечениями выполнен с плавно уменьшающимся поперечным сечением, угол γ раствора щели в боковой стенке переходного резонатора, соединяющей отрезок волновода с меньшим поперечным сечением и переходный резонатор, выполнен в интервале

180°≥γ≥57,3°

где λ_g - длинноволновая отсечка полосы пропускания цепочки связанных щелями резонаторов;

d_р - диаметр переходного резонатора,

ширина щели h_щ относительно высоты h_р переходного резонатора выполнена_{в пределах от 0,8 до 1,0, на трубке дрейфа крайнего диска цепочки связанных щелями резонаторов установлен согласующий элемент, выполненный из немагнитного металла, внутренний диаметр которого равен наружному диаметру dm трубки дрейфа, на поверхности крайнего диска установлены согласующие элементы из немагнитного металла, угол α между серединой щели в боковой стенке переходного резонатора и серединой щели в согласующий диафрагме, ограничивающей переходный резонатор, и угол β между серединой щели в согласующей диафрагме и серединой щели в диске, ограничивающем резонатор, следующий за переходным резонатором выполнен в пределах от 90 до 180°.}

180°≥γ≥57,3°,

где λ_g - длинноволновая отсечка полосы пропускания цепочки связанных щелями резонаторов;

d_р - диаметр переходного резонатора,

ширина щели h_щ относительно высоты h_р переходного резонатора выполнена в пределах от 0,8 до 1,0, на трубке дрейфа крайнего диска цепочки связанных щелями резонаторов установлен согласующий элемент, выполненный из немагнитного металла, внутренний диаметр которого равен наружному диаметру d_m трубки дрейфа, угол α между серединой щели в боковой стенке переходного резонатора и серединой щели в согласующей диафрагме, ограничивающей переходной резонатор, и угол β между серединой щели в согласующей диафрагме и серединой щели в диске, ограничивающем резонатор, следующий за переходным резонатором, выполнен в пределах от 90 до 180°.

180°≥γ≥57,3°,

где λ_g - длинноволновая отсечка полосы пропускания цепочки связанных щелями резонаторов;

d_р - диаметр переходного резонатора,

ширина щели h_щ относительно высоты h_р переходного резонатора выполнена в пределах от 0,8 до 1,0, на поверхности крайнего диска установлены согласующие элементы из немагнитного металла, угол α между серединой щели в боковой стенке переходного резонатора и серединой щели в согласующей диафрагме, ограничивающей переходный резонатор, и угол β между серединой щели в согласующей диафрагме и серединой щели в диске, ограничивающем резонатор, следующий за переходным резонатором, выполнен в пределах от 90 до 180°.

180°≥γ≥57,3°,

где λ_g - длинноволновая отсечка полосы пропускания цепочки связанных щелями резонаторов;

d_р - диаметр переходного резонатора,

ширина щели h_щ относительно высоты h_р переходного резонатора выполнена в пределах от 0,8 до 1,0, угол α между серединой щели в боковой стенке переходного резонатора и серединой щели в согласующей диафрагме, ограничивающей переходный резонатор, и угол β между серединой щели в согласующей диафрагме и серединой щели в диске, ограничивающем резонатор, следующий за переходным резонатором, выполнен в пределах от 90 до 180°.