ГИБРИДНЫЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИБОР ТИПА 0 Российский патент 2004 года по МПК H01J25/44 H01J25/46 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно - к конструкции электровакуумных (СВЧ) приборов типа О, способных работать как в одном, так и в двух режимах - импульсном и непрерывном [1]. Оно может быть использовано в разработках мощных ламп бегущей волны, клистронов и гибридных приборов.

Большинство созданных ЛБВ работают в одном режиме, но для бортовых радиолокационных станций требуются приборы, способные работать в двух режимах с одинаковым ускоряющим напряжением и током в непрерывном режиме в три-четыре раза меньшем, чем в импульсном режиме. При этом величина потребляемой мощности от источника питания прибора в обоих режимах должна быть примерно равна. Полоса усиления такого прибора в непрерывном режиме часто примыкает к нижней частоте полосы усиления в импульсном режиме и составляет небольшую долю от полосы импульсного режима (0,05-0,20).

Известен гибридный СВЧ прибор [2], содержащий четыре секции: входную секцию замедляющей системы (ЗС) типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР), клистронную секцию, выполненную из несвязанных резонаторов, настроенных на частоты непрерывного режима, промежуточную секцию ЗС типа ЦСР, служащую для увеличения усиления на высокочастотном краю рабочей полосы импульсного режима, и выходную секцию ЗС типа ЦСР, усиливающую сигнал как непрерывного, так и импульсного режимов до необходимой величины.

Установка в трехсекционной ЛБВ дополнительной клистронной секции хотя и позволяет получить требуемые характеристики при работе прибора в непрерывном режиме, однако усложняет его конструкцию и ухудшает массогабаритные характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция однорежимной ЛБВ, приведенная в [3]. В этом устройстве с целью расширения рабочей полосы частот геометрические режимы отдельных секций выбраны таким образом, что низкочастотные границы полос пропускания отдельных секций лежат внутри рабочего диапазона частот, а периоды секций при этом удовлетворяют соотношению:

где d_n - величина периода n-й секции,

ƒ _n - нижняя частота полосы пропускания n-й секции,

N - число секций.

Устройство [3] при работе в импульсном режиме имеет высокую неравномерность амплетудно-частотной характеристики (около 3 дБ), пониженный уровень коэффициента полезного действия (КПД) 10-17%, а при попытке использовать его и в непрерывном режиме, когда ток уменьшается в 3-4 раза, невозможно получить требуемую мощность, т.к. КПД уменьшается до единиц процентов.

Задачей изобретения является повышение КПД и уменьшение неравномерности выходной мощности однорежимных ЛБВ, обеспечение работы этих приборов во втором - непрерывном режиме с меньшим током и более узкой полосой усиления, однако с КПД и неравномерностью выходной мощности, близкими к соответствующим величинам однорежимной ЛБВ.

Решение поставленной задачи заключается в том, что с СВЧ приборе типа О, содержащем N секций ЗС резонаторного типа, периоды которых удовлетворяют соотношению:

где d_n - величина периода n-й секции,

f_n - нижняя частота полосы пропускания n-й секции,

N - число секций,

нижние частоты ƒ _n полос пропускания секций прибора выполнены в пределах

f₁≤_{fI, fII,... ,fn,... ,fN≤f2,}

где f₁ - нижняя частота рабочей полосы,

f₂ - ее верхняя частота,

на нижних частотах полос пропускания секций прибора замедление рабочей пространственной гармоники каждой секции равно замедлению электронного пучка с погрешностью не более ± 3%

где с - скорость света,

V_nн - фазовая скорость рабочей пространственной гармоники n-й секции на частоте f_n,

V_e - скорость электронного пучка,

параметр скорости b_n каждой секции на частоте f_n+(f₂-f₁) не превосходит 3

b_I, b_II,... , b_n,... , b_N≤_3.

На Фиг.1 изображено продольное сечение заявленного прибора.

На Фиг.2 приведены электродинамические характеристики и параметр скорости его секций в зависимости от частоты.

На Фиг.3 показаны электродинамические характеристики и параметры скорости трехсекционного прибора, служащего примером конкретного выполнения предложенного устройства.

На Фиг.4 приведены амплитудно-частотные характеристики и технический коэффициент полезного действия (η _m) этого прибора.

На этих фигурах

I, II,... , n,... N - секции ЗС типа ЦСР,

1 - ферромагнитный диск покрытый медью,

2 - медная диафрагма,

3 - резонатор,

4 - щель связи,

5 - ввод энергии,

6 - согласованная нагрузка (поглотитель СВЧ колебаний),

7 - вывод энергии,

8 - электронный пучок,

9 - электронная пушка (одно- или двухрежимная),

10 - магнитное кольцо,

11 - коллектор электрона,

12, 13, 14 - дисперсионные характеристики первой, второй и третьей секций трехсекционного прибора, являющегося примером конкретного выполнения предложенного устройства,

15, 16, 17 - сопротивление связи первой, второй и третьей секций этого прибора,

18, 19, 20 - параметр скорости первой, второй и третьей секций того же прибора соответственно,

21 - амплитудно-частотная характеристика трехсекционного прибора в первом (импульсном) режиме,

22 - амплитудно-частотная характеристика трехсекционного прибора во втором (непрерывном) режиме,

23 - технический коэффициент полезного действия этого прибора в первом режиме,

24 - технический коэффициент полезного действия во втором режиме того же прибора.

Гибридный СВЧ прибор типа О содержит N секций ЗС типа ЦСР, выполненых из феромагнитных дисков 1 и медных диафрагм 2, которые образуют резонаторы 3, связанные щелями 4, I - первая секция имеет на одном конце ввод энергии 5, а на другом - согласованную нагрузку 6, секции co II - по N-1-ю на обоих концах имеют согласованные нагрузки 6, а N-я (последняя секция) на одном конце - согласованную нагрузку 6, а на другом - вывод энергии 7, электронный пучок 8 формируется однорежимной или двухрежимной пушкой 9 и при движении вдоль оси прибора удерживается полем, создаваемым кольцами 10, установленными одноименными полюсами навстречу друг к другу и после прохождения последней N-й секции ЗС оседает на коллекторе 11.

Рассмотрим работу заявленного устройства c начала в режиме полного тока, а потом и в режиме с током, уменьшенным в несколько раз (3-4).

Электронная пушка 9 формирует пучок 8, который движется вдоль оси прибора, удерживаемый полем, созданным магнитными кольцами 10. Ток электронного пучка в импульсном режиме обычно составляет несколько ампер. На вход 5 прибора поступает электромагнитная волна, фазовая скорость которой уменьшается до скорости, близкой к скорости электронного пучка, секциями ЗС, образованными резонаторами 3, связанными щелями 4, выполненными в дисках 1 и диафрагмах 2. Замедленная волна взаимодействует с электронным пучком 8 на пути его движения, усиливается и поглощается полностью нагрузками 6 во всех секциях прибора, кроме последней (выходной). В выходную секцию поступают плотные электронные сгустки, которые возбуждают в ней мощную электромагнитную волну. Основная мощность этой волны уходит во внешний волноводный тракт (не показан) через вывод энергии 7, а отраженная от вывода энергии малая часть мощности поглощается в нагрузке 6 выходной секции. Отработанный электронный пучок 8 оседает на коллекторе 11.

Выходная мощность прибора в рабочем диапазоне (f₂-f₁) должна иметь как можно меньшую неравномерность при максимально возможном электроном коэффициенте полезного действия (η _e). Этого можно достичь только при условии полной реализации всех потенциальных возможностей секций замедляющей системы прибора, когда нижние частоты их полос пропускания находятся в рабочей полосе (f₂-f₁), включая и ее границы (см. Фиг.2), т.е.

f≤ f_I, f_II,... , f_n, ... , f_N≤_f2.

Электронный коэффициент полезного действия ЛБВ определяется параметром взаимодействия С

где R - сопротивление связи,

I - ток электронного пучка,

V - его напряжение.

Поэтому, чтобы использовать всю область высокого сопротивления связи (см. Фиг.2, кривые R_I, R_II,... , R_n,... , R_N) характеристик замедления (десперсионных характеристик секций замедляющей системы типа цепочки, связанных резонатором, следует замедление на нижних частотах полос пропускания секций устанавливать равным замедлению электронного пучка т.е.

Однако в реальном приборе точное выполнение этого соотношения невозможно, т.к. детали изготавливаются с отклонениями от номинальных размеров, секции ЗС, собираемые и паяемые из этих деталей, также имеют отклонения от заданных размеров. Обобщение результатов приведенных разработок показывает, что при отклонении замедлений секций на нижних частотах их полос пропускания в пределах m 3% от замедления электронного пучка КПД приборов ухудшается незначительно.

Кроме высокого КПД, необходимо получить еще и минимальную неравномерность амплитудно-частотной характеристики в рабочей полосе частот (5-10%). Поскольку при больших пространственных зарядах QC≈ 4-5, характерных для электронных пучков с токами в несколько ампер и напряжениями в 10 кВ и выше, амплитуда медленной волны пространственного заряда при параметре скорости b, равном 3, резко уменьшается [4], то этот параметр на частотах f_n+(f₂-f₁) не следует выбирать большим 3, т.е.

b_I, b_II,... , b_n,... , b_N≤_3.

На нижних и верхних частотах полос пропускания секции замедляющей системы типа ЦСР представляют собой резонаторы с распределенным взаимодействием [1, с. 49 и 50]. Поэтому, устанавливая равенство замедлений секций на этих частотах замедлению электронного пучка, мы осуществляем клистронный механизм взаимодействия, который, как известно [1], имеет высокий коэффициент полезного действия. Поскольку в предлагаемом приборе осуществляется как механизм усиления ЛБВ, так и клистронный механизм, то предложенный СВЧ прибор типа О следует считать гибридным.

Используя в первом (широкополосном) режиме в большей части рабочей полосы механизм усиления ЛБВ, а во втором (узкополосном) режиме преимущественно клистронный механизм усиления, удается получить в обоих режимах как высокий КПД, так и малую неравномерность выходной мощности.

В соответствии с изложенным выше были сконструированы несколько трехсекционных приборов, работающих в разных полосах частот. Обработка результатов испытаний этих приборов показала, что наилучшие характеристики достигаются, когда нижние частоты полос пропускания их третьих и первых секций лежат в интервале

f₁≤_{fI, fIII≤f1+0,2(f2-f1),}

а нижняя частота полосы пропускания второй секции установлена на верхней частоте рабочей полосы (f₂-f₁).

Электродинамические характеристики одного из трехсекционных приборов (12, 13, 14 - дисперсионные характеристики; 15, 16, 17 - сопротивление связи) и параметры скорости (18, 19, 20) приведены на Фиг.3, из которой видно, что нижние частоты полос пропускания рассматриваемого прибора имеют следующие значения f_I=9175, f_II=9780 и f_III=9115 МГц, а его рабочая полоса заключена в интервале f₁=f_I - f₂=f_II.

При входной мощности 400 мВт, ускоряющем напряжении 15,4 кВ и токах 1,79 и 0,536 А соответственно в первом и во втором режимах были получены амплитудно-частотные характеристики 21 - первого, 22 - второго режимов и технические коэффициенты полезного действия 23 - первого и 24 - второго режимов (Фиг 4). Из этой фигуры видно, что электронный КПД в полосе 8% по уровню менее одного дБ изменяется в пределах 17-22% в первом режиме и в полосе 1,3% по уровню также менее одного дБ в пределах 11-13% во 2-м режиме. Коэффициент полезного действия удается повысить при использовании рекуперации энергии электронного пучка в первом режиме до 25-32%, во втором - до 15-19% (см. кривые 23, 24 Фиг.4).

Однорежимный прибор, описанный в [3], в полосе частот 6% имел неравномерность выходной мощности в 3 раза большую и более низкий КПД, во втором же режиме его вообще нельзя было использовать из-за малого КПД - несколько процентов.

Таким образом, по сравнению с известным предложенное устройство позволяет создавать как однорежимные, так и двухрежимные гибридные СВЧ приборы типа О с более высоким КПД и меньшей неравномерностью выходной мощности в более широкой полосе частот.

Литература

1. Мощные электровакуумные приборы СВЧ. Под ред. Клэмпита Л. - М.: Мир, 1974.

2. Патент SU №1019961 А, кл. H 01 J 25/34, 1981.

3. А.с. СССР №671, 590, кл. Н 01 J 25-34, 1977.

4. В. Клеен и др. Введение в электронику СВЧ. Часть 1. - М.: Советское радио, 1963.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, более конкретно к разработкам однорежимных и двухрежимных гибридных электронных приборов типа О. Техническим результатом является повышение электронного коэффициента полезного действия и уменьшение неравномерности амплитудно-частотных характеристик прибора как при работе в одном, так и в двух режимах. На нижних частотах полос пропускания секций прибора замедление рабочей пространственной гармоники каждой секции равно замедлению электронного пучка где с - скорость света, V_nH - фазовая скорость рабочей пространственной гармоники n-й секции на частоте f_n ее полосы пропускания, V_e - скорость электронного пучка, параметр скорости b_n каждой секции на частоте f_n+(f₂-f₁), не превосходит 3 b_i, b_II ..._{, bn, ... bN ≤3. Применение предложенного устройства в разработках мощных как одно-, так и двухрежимных приборов позволило уменьшить неравномерность выходной мощности в полосе 8% до 1 дБ и увеличить электронный коэффициент полезного действия. 4 ил.}

Гибридный сверхвысокочастотный прибор типа 0, содержащий электронно-оптическую систему, ввод, вывод энергии, входную (I-ю), выходную (N-ю) и промежуточные (от II до (N - I)-й) секции замедляющей системы резонаторного типа, нижняя частота полосы пропускания по крайней мере одной из которых установлена на верхней частоте f₂ рабочей полосы прибора, отличающийся тем, что нижняя частота полосы пропускания f_N выходной секции выполнена равной или большей нижней частоты f₁ рабочей полосы прибора, нижняя частота полосы пропускания f₁ входной секции превышает нижнюю частоту f_N полосы пропускания выходной секции, а нижние частоты полос пропускания промежуточных секций, кроме секции, упомянутой выше, превышают нижнюю частоту f₁ полосы пропускания входной секции и не превосходят верхнюю частоту f₂ рабочей полосы прибора, на нижних частотах полос пропускания секций замедление рабочей пространственной гармоники каждой секции c/V_nH равно замедлению электронного пучка c/V_e

где c - скорость света;

V_nH - фазовая скорость рабочей пространственной гармоники n-й секции на нижней частоте f_n ее полосы пропускания;

V_e - скорость электронного пучка,

параметр скорости b_n каждой секции на частоте, превышающей нижнюю частоту f_n ее полосы пропускания на ширину рабочей полосы прибора, т.е. на частоте f_n+(f₂-f₁), не превосходит 3:

b_I, b_II,..., b_n, ...b_N≤3.