ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2005 года по МПК H01P9/04 H01J23/24 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к замедляющим системам ламп бегущей волны (ЛБВ), преимущественно пакетированной конструкции.

При разработке каждой новой ЛБВ стоит задача правильно выбрать замедляющую систему (ЗС), так как ее выбором во многом определяются как электрические параметры ЛБВ, так и ее массогабаритные характеристики.

Очень широко в мощных ЛБВ применяется замедляющая система в виде диафрагмированного волновода с индуктивными окнами связи (1), в которой взаимодействие электронного луча с электромагнитной волной осуществляется на +1-ой пространственной гармонике. По ряду причин в мощных пакетированных ЛБВ было бы предпочтительнее использование ЗС типа «встречные штыри», в которой также используется +1-ая пространственная гармоника.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции (прототипом) является конструкция ЛБВ с замедляющей системой типа "встречных штырей" [2]. Эта конструкция включает в себя замедляющую систему лампы бегущей волны, периодическую, штыревого типа, содержащую размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка.

От ЗС в виде диафрагмированного волновода эта конструкция отличается уменьшенным примерно вдвое диаметром полости резонатора и благоприятной структурой высокочастотного поля на виде колебаний 2π (отсутствие продольных электрических полей на этом виде колебаний). Эти особенности позволяют осуществить более простую конструкцию совмещенного узла ЗС и магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС) и освобождает от принятия мер по недопущению самовозбуждения ЛБВ на 2π виде колебаний.

Для того чтобы эта ЗС была успешно применена в ЛБВ, требуется соблюдение ряда условий:

- диаметр резонатора ЗС должен быть достаточно малым, чтобы при совмещении ЗС с МПФС и введении полюсных наконечников в вакуумную оболочку ЗС получить величину магнитного поля, достаточную для фокусировки электронного пучка;

- поперечное сечение штыря, а также толщина сетки пролетной трубки должны быть достаточными для отвода тепловой энергии от штыря к каналам охлаждения ЗС;

- геометрия пространства взаимодействия (внутренний диаметр пролетного канала и зазор между пролетными трубками) должна быть выбрана с учетом получения наиболее высокого сопротивления связи ЗС.

Однако опыт показывает, что даже при соблюдении вышеизложенных условий дисперсионная характеристика системы типа «встречные штыри», как правило, не соответствует предъявляемым к ней требованиям. Дисперсионная характеристика должна иметь определенную крутизну с увеличением коэффициента замедления от низких частот к высоким во избежание самовозбуждения ЛБВ в стороне от рабочей полосы частот. А рабочая полоса частот должна быть совмещена с участком дисперсионной характеристики с предварительно выбранным интервалом смещения фазы на ячейку ЗС.

Недостатком прототипа является то, что его дисперсионная характеристика имеет либо недопустимый обратный наклон, либо размещена вне рабочего диапазона частот. Перемещение ДХ по оси частот (длин волн) приведет нарушению условий вышеприведенных для осуществления успешной работы ЛБВ.

Предложена замедляющая система ЛБВ, периодическая, штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, при этом в каждую ячейку дополнительно введены элементы коррекции дисперсионной характеристики замедляющей системы лампы бегущей волны.

Первый вариант выполнения замедляющей системы с элементом коррекции ДХ.

Элемент коррекции выполнен в виде вставки, имеющей форму усеченного цилиндра, плоскостью, параллельной его оси. Элементы коррекции ДХ ЗС по этому варианту могут быть размещены следующим образом:

- в случае размещения в замедляющей системе одного элемента коррекции: в полости корпуса ячейки его располагают таким образом, что округлая его сторона примыкает к внутренней стенке корпуса, а его плоская часть обращена к пролетной трубке, при этом плоская часть элемента перпендикулярна оси штыря;

- в случае размещения в замедляющей системе двух элементов коррекции их располагают в полости корпуса ячейки таким образом, что округлые их стороны примыкают к стенке корпуса, а плоские стороны обращены к пролетной трубке, при этом плоские стороны элементов параллельны оси штыря. В этом варианте длина вставки может быть любой, в том числе непрерывной по всей длине замедляющей системы, но наиболее приемлемой является длина, равная длине пролетной трубки.

Второй вариант выполнения замедляющей системы с элементом коррекции ДХ. Элемент коррекции выполнен в виде вставки с поперечным сечением в виде части кольца. Ширина этого элемента коррекции ДХ может быть любой в пределах размеров ячейки ЗС. Однако на практике наиболее употребляемая ширина кольца равна или меньше внешнего диаметра пролетной трубки. Этот элемент размещен в полости ячейки со стороны, противоположной штырю, таким образом, что его округлая часть с внутренним радиусом примыкает к пролетной трубке, а внешняя его округлая часть обращена к внутренней стенке корпуса ячейки. В этом варианте длина вставки может быть любой, в том числе непрерывной по всей длине замедляющей системы, но наиболее приемлемой является длина, равная длине пролетной трубки.

Третий вариант выполнения замедляющей системы с элементом коррекции ДХ. Элементами коррекции ДХ служит система штырей, на которых установлены пролетные трубки. При этом оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0°≤α≤180°. Для многих случаев варианты с α, равным 90° и 135°, являются наиболее технологичными при изготовлении замедляющей системы с элементами коррекции ДХ.

Четвертый вариант выполнения замедляющей системы с элементом коррекции ДХ. Этот вариант является сочетанием в замедляющей системе одного элемента коррекции ДХ, выполненного по первому варианту, с элементом коррекции ДХ, выполненным по третьему варианту. В этом случае замедляющая система содержит элемент коррекции, выполненный в виде вставки, имеющей форму усеченного цилиндра, плоскостью, параллельной его оси, и размещенный таким образом, что округлая его сторона примыкает к внутренней стенке корпуса ячейки, а плоская его сторона обращена к пролетной трубке, при этом плоская сторона элемента коррекции перпендикулярна оси штыря. Элементами коррекции в этой конструкции замедляющей системы служит система штырей, на которых установлены пролетные трубки. При этом оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0°≤α≤180°.

Пятый вариант выполнения замедляющей системы с элементом коррекции ДХ.

Этот вариант является сочетанием в замедляющей системе двух элементов коррекции ДХ, выполненных по первому варианту, с элементом коррекции ДХ, выполненным по третьему варианту. В этом случае замедляющая система содержит два элемента коррекции, выполненных в виде вставок, имеющих форму усеченного цилиндра, плоскостью, параллельной его оси, и размещенных в полости корпуса ячейки таким образом, что округлые их стороны примыкают к стенке корпуса, а плоские стороны обращены к пролетной трубке, при этом плоские стороны элементов параллельны оси штыря. Элементами коррекции в этой конструкции замедляющей системы служит система штырей, на которых установлены пролетные трубки. При этом оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0°≤α≤180°.

Шестой вариант выполнения замедляющей системы с элементом коррекции. Этот вариант является сочетанием в замедляющей системе элемента коррекции ДХ, выполненного по второму варианту, с элементом коррекции ДХ, выполненным по третьему варианту. В этом случае замедляющая система содержит элемент коррекции ДХ, выполненный в виде вставки с поперечным сечением в виде части кольца. Этот элемент размещен в полости ячейки со стороны, противоположной штырю, таким образом, что его округлая часть с внутренним радиусом примыкает к пролетной трубке, а внешняя его округлая часть обращена к внутренней стенке корпуса ячейки. Одновременно с ним элементами коррекции служат штыри, на которых установлены пролетные трубки. При этом оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0°≤α≤180°.

Предложенное техническое решение позволяет скорректировать ДХ замедляющей системы по крутизне, разделяя участки дисперсионной характеристики по величине коэффициента замедления, что устраняет условия возникновения самовозбуждения ЛБВ. Коррекция ДХ может проявляться и в перемещении ее на другой участок диапазона длин волн без изменения всех остальных геометрических размеров замедляющей системы. Для достижения этого эффекта в конструкцию замедляющей системы введены специальные элементы коррекции дисперсионной характеристики, которые благодаря своей геометрической форме и месту расположения в замедляющей системе позволяют скорректировать дисперсионную характеристику для получения приборов с оптимальными выходными параметрами.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1-11 изображены конструкции замедляющей системы с различными вариантами выполнения элементов коррекции ДХ, а на фиг.12-18 показаны кривые дисперсионных характеристик замедляющей системы, соответствующие этим вариантам. На графиках фиг.12-18 по оси ординат отложены значения m (коэффициент замедления) в безразмерных единицах, а по оси абсцисс длина волны в см. На всех графиках кривая 1-1¹ соответствует дисперсионной характеристике замедляющей системы до введения элемента коррекции дисперсионной характеристики, а кривая 2-2¹ соответствует дисперсионной характеристике замедляющей системы после введения элемента коррекции 4 дисперсионной характеристики. Кривая 1¹¹-1¹¹¹ является промежуточной дисперсионной характеристикой в замедляющих системах с комбинированными элементами коррекции. Рабочий участок во всех вариантах дисперсионной характеристики обозначен цифрами 3-3¹.

На фиг.1 показано поперечное сечение ячейки ЗС, выполненной по первому варианту.

На фиг.2 показано продольное сечение части пакета ячеек ЗС ЛБВ, выполненного по первому варианту с одним элементом коррекции ДХ. Здесь линией A₁-А₂ обозначено сечение, вынесенное на фиг.1.

На фиг.3 показано поперечное сечение замедляющей системы, выполненной по первому варианту в случае, когда применены два элемента коррекции.

На фиг.4 показано поперечное сечение ячейки замедляющей системы, выполненной по второму варианту.

На фиг.5 показано продольное сечение части пакета замедляющей системы, выполненной по второму варианту. Здесь линией Б-Б обозначено сечение, вынесенное на фиг.4.

На фиг.6 показано продольное сечение замедляющей системы, выполненной по третьему варианту.

На фиг.7 показаны поперечные сечения В-В и Г-Г на фиг.6

На фиг.8 показано продольное сечение замедляющей системы, выполненной по четвертому варианту для случая α=90°.

На фиг.9 показаны поперечные сечения Д-Д и Е-Е, указанные на фиг.8

На фиг.10 показаны поперечные сечения A₁-A₂ и А₂-А₃ (указанные на фиг.2) замедляющей системы, выполненной по пятому варианту для угла поворота штырей, равного 90°.

На фиг.11 показаны поперечные сечения Б-Б и Ж-Ж (указанные на фиг.5) замедляющей системы, выполненной по шестому варианту для угла поворота штырей, равного 90°.

На фиг.12 показаны дисперсионные характеристики для конструкции замедляющей системы, выполненной по первому варианту с одним элементом коррекции ДХ.

На фиг.13 показаны дисперсионные характеристики для конструкции замедляющей системы, выполненной по первому варианту с двумя элементами коррекции ДХ.

На фиг.14 показаны дисперсионные характеристики для конструкции замедляющей системы, выполненной по второму варианту.

На фиг.15 показаны дисперсионные характеристики для конструкции замедляющей системы, выполненной по третьему варианту с α, равным 90°.

На фиг.16 показаны дисперсионные характеристики для конструкции замедляющей системы, выполненной по четвертому варианту с α, равным 90°.

На фиг.17 показаны дисперсионные характеристики для конструкции замедляющей системы, выполненной по пятому варианту с α, равным 90°.

На фиг.18 показаны дисперсионные характеристики для конструкции замедляющей системы, выполненной по шестому варианту с α, равным 90°.

Предложенная замедляющая система по первому варианту с одним элементом коррекции ДХ включают в себя (фиг.2) размещенный вдоль оси пакет из ячеек I, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус 1, в полости которого концентрично ему на штыре 2 установлена пролетная трубка 3, а в каждую ячейку дополнительно введен элемент 4 коррекции ДХ ЗС. Соседние ячейки образуют «резонатор» 5. На фиг.2 обозначен период Т замедляющей системы.

Устройство работает следующим образом. В ЛБВ через ввод энергии в замедляющую систему подается входная СВЧ-мощность. В этой замедляющей системе распространяется бегущая волна вдоль пакета ячеек I по волноводу сложной структуры, составленному из элементов корпуса 1 и штырей 2. Высокочастотное электрическое поле в зазорах резонаторов 5 взаимодействует с электронным потоком, проходящим в канале, образованном пролетными трубками 3, усиливается и через вывод энергии поступает в полезную нагрузку. В замедляющей системе с помощью элемента коррекции 4 достигается соответствующая коррекция дисперсионной характеристики.

Во всех вариантах выполнения замедляющей системы, представленных на фиг.1-11, одни и те же элементы обозначены одинаковыми цифрами.

В каждом варианте выполнения замедляющей системы элементы коррекции 4 дисперсионной характеристики действуют соответствующим образом.

В первом варианте выполнения замедляющей системы за счет введения одного элемента 4 увеличивается длина волны 2π-вида колебаний при увеличении емкости "резонатора" 5. При этом на фиг.12 точка 1 перемещается в точку 2, таким образом, крутизна кривой 2-2¹ увеличивается по сравнению с кривой 1-1¹, следовательно, введение элемента коррекции в этом случае приводит к устранению условий для самовозбуждения ЛБВ.

Размещение в замедляющей системе двух элементов коррекции 4 по первому варианту (фиг.3) уменьшает индуктивность "резонатора" 5 на π-виде колебаний. Поэтому длина волны этого вида уменьшается. Одновременно происходит увеличение длины 2π-вида колебаний. Это отражается на виде дисперсионной характеристики (фиг.13), где точка 2¹ опускается ниже точки 1¹, а точка 2 поднимается выше точки 1, т.о. кривая 2-2¹ значительно круче кривой 1-1¹. Это устраняет самовозбуждение ЛБВ, кроме того, в этом случае происходит приближение рабочего участка 3-3¹ к прямой π-вида колебаний. что приводит к повышению эффективности взаимодействия электронного пучка с электромагнитной волной и улучшает основные параметры прибора.

При выполнении замедляющей системы по второму варианту наличие элемента 4 на конце штыря удлиняет штырь (увеличивает его электрическую длину), смещая в область более длинных волн 3π/2-вид колебаний. На фиг.14 точка 1 переходит в точку 2, при этом кривая 2-2¹ смещается вверх относительно кривой 1-1¹. Таким образом, происходит перенос дисперсионной характеристики в другой диапазон длин волн. Тем самым появляется возможность (в сочетании с изменением угла поворота штырей) получить необходимую ДХ ЗС в области более длинных волн, не увеличивая диаметра "резонатора" 5.

При выполнении замедляющей системы по третьему варианту (фиг.6) в качестве элемента коррекции дисперсионной характеристики применяют поворот штыря, на котором установлена пролетная трубка, при этом происходит смещение длины волны π-вида колебаний в более коротковолновую область. На фиг.15 точка 1¹ смещается в точку 2¹. При этом точка 1 незначительно смещается в точку 2, поскольку любое изменение размеров ЛБВ неизбежно ведет к малозначительному изменению других участков дисперсионной характеристики. Эффект коррекции дисперсионной характеристики происходит во всем диапазоне изменения углов поворота штырей друг относительно друга от 0 град. до 180 град., но в разном количественном соотношении. Подбирая угол поворота, можно добиться необходимой коррекции дисперсионной характеристики.

Повороты штырей на 90 град. и 135 град. являются наиболее оптимальными, при их использовании одновременно осуществляется коррекция ДХ ЛБВ и создаются наилучшие условия для ее сборки, при которой учитывается взаимосвязь шага системы охлаждения с расположением штырей в ячейках, при этом сборка не усложняется.

В замедляющей системе, выполненной по четвертому варианту, фиг.16, присутствуют одновременно два эффекта коррекции дисперсионной характеристики: уменьшение длины волны π-вида колебаний и увеличение длины волны 2π-вида колебаний, таким образом, получается более существенный эффект от коррекции дисперсионной характеристики, что видно на фиг.16.

В замедляющей системе, выполненной по пятому варианту, фиг.17, сочетание двух эффектов коррекции может привести к усилению эффекта смещения π-вида колебаний в коротковолновую область, что увеличит кривизну дисперсионной характеристики и позволит избежать самовозбуждения ЛБВ.

В замедляющей системе, выполненной по шестому варианту, фиг.18, сочетание двух эффектов коррекции, происходит смещение дисперсионной характеристики в длинноволновую область и одновременное увеличение ее крутизны.

Известно, что ЛБВ могут быть с замедляющими системами двух- или трехсекционными. Варьирование дисперсионных характеристик секций замедляющей системы ЛБВ позволяет выравнивать амплитудно-частотные характеристики ЛБВ.

На основе предлагаемых вариантов коррекции ДХ ЗС созданы экспериментальные образцы ЛБВ. При их испытании получены ожидаемые результаты: повышенная выходная мощность ЛБВ в коротковолновом диапазоне длин волн, устойчивость ее к самовозбуждению на 2π-виде колебаний при работе на +1 пространственной гармонике, амплитудно-частотная характеристика с уменьшенными перепадами в полосе усиливаемых длин волн, облегченная и компактная конструкция ЛБВ.

Источники информации

1. З.И.Тараненко, Я.К.Трохименко. Замедляющие системы. Киев, 1965, с.210, рис.125а.

2. З.И.Тараненко, Я.К.Трохименко. Замедляющие системы. Киев, 1965, с.210, рис.125в.

Изобретение относится к электронной технике. Замедляющая система периодическая, штыревого типа для лампы бегущей волны содержит размещенный вдоль оси пакет ячеек, с периодом Т, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка. В каждую ячейку дополнительно введены элементы коррекции дисперсионной характеристики замедляющей системы. Техническим результатом является улучшение дисперсионной характеристики замедляющей системы. 7 н.п. ф-лы, 18 ил.

1. Замедляющая система лампы бегущей волны штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, отличающаяся тем, что в каждую ячейку введена вставка, имеющая форму усеченного цилиндра, плоскостью, параллельной его оси, вставка введена таким образом, что округлая сторона усеченного цилиндра примыкает к внутренней стенке корпуса, а его плоская сторона обращена к пролетной трубке и расположена перпендикулярно оси штыря.2. Замедляющая система лампы бегущей волны штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, отличающаяся тем, что в каждую ячейку введена вставка, имеющая форму усеченного цилиндра, плоскостью, параллельной его оси, вставка введена таким образом, что округлая сторона усеченного цилиндра примыкает к внутренней стенке корпуса, а его плоская сторона обращена к пролетной трубке и расположена перпендикулярно оси штыря, при этом оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0°≤α≤180°.3. Замедляющая система лампы бегущей волны штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, отличающаяся тем, что в каждую ячейку введены две вставки, каждая из которых выполнена в форме усеченного цилиндра, плоскостью, параллельной его оси, вставки введены таким образом, что округлые их стороны примыкают к внутренней стенке корпуса, а плоские их стороны обращены к пролетной трубке и параллельны оси штыря.4. Замедляющая система лампы бегущей волны штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, отличающаяся тем, что в каждую ячейку введены две вставки, каждая из которых выполнена в форме усеченного цилиндра, плоскостью, параллельной его оси, вставки введены таким образом, что округлые их стороны примыкают к внутренней стенке корпуса, а плоские их стороны обращены к пролетной трубке и параллельны оси штыря, а оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0≤α≤180°.5. Замедляющая система лампы бегущей волны штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, отличающаяся тем, что в каждую ячейку введена вставка с поперечным сечением в виде части кольца со стороны, противоположной штырю, таким образом, что его округлая сторона с внутренним радиусом примыкает к пролетной трубке, а внешняя его округлая сторона обращена к внутренней стенке корпуса ячейки.6. Замедляющая система лампы бегущей волны штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, отличающаяся тем, что в каждую ячейку введена вставка с поперечным сечением в виде части кольца со стороны, противоположной штырю, таким образом, что его округлая сторона с внутренним радиусом примыкает к пролетной трубке, а внешняя его округлая сторона обращена к внутренней стенке корпуса ячейки, при этом оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0°≤α≤180°.7. Замедляющая система лампы бегущей волны штыревого типа, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, отличающаяся тем, что оси всех штырей четных ячеек пакета размещены относительно осей всех штырей нечетных ячеек пакета под углом α, где 0°≤α≤180°.