ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2005 года по МПК H01P9/04 H01J25/34 H01J25/38 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к замедляющим системам ламп бегущей волны (ЛБВ), преимущественно пакетированной конструкции, совмещенной с магнитной фокусирующей периодической системой (МПФС). Это изобретение может быть использовано для разработки и модернизации мощных непрерывных и импульсных ЛБВ, работающих в диапазоне ниже 9 ГГц, особенно эффективно использование в ЛБВ в диапазоне ниже 5 ГГц.

При разработке ЛБВ необходимо выполнять требования по соблюдению габаритов приборов. Поэтому задачей данного изобретения является уменьшение габаритов замедляющей системы (ЗС) и, вместе с этим, получение возможности использовать стандартные магнитные кольца. Эти магнитные кольца на основе не требующих термостабилизации самарий - кобальтовых сплавов, имеют высокий уровень магнитной индукции на своей оси при относительно малых наружном и внутреннем диаметре кольца.

Большинство мощных ЛБВ в свое время разрабатывались с использованием в качестве замедляющей системы "диафрагмированного волновода" с индуктивными окнами связи, поскольку данная система была более изучена и, в определенной мере, более традиционна [1].

Конструкция данной системы включает в себя следующие элементы: цилиндрический корпус, в котором размещены диафрагмы со щелями связи и пролетными трубами, концентричными корпусу, полюсные наконечники. Резонаторы в них образованы корпусом и двумя соседними диафрагмами.

Диаметр резонатора таких замедляющих систем, работающих в диапазоне ниже 6 ГГц слишком велик, чтобы иметь возможность получать необходимые по величине магнитные поля в ЗС для фокусировки электронного луча полем МПФС, и решить задачу уменьшения габаритов, используя эту систему, невозможно.

Кроме того, для обеспечения необходимого магнитного поля на оси системы в ЗС вводятся железные полюсные наконечники, которые являются одновременно стенками резонаторов. Введение железа значительно ухудшает теплоотвод в приборе и повышает уровень высокочастотных потерь.

В некоторых приборах для улучшения теплоотвода и снижения уровня высокочастотных потерь железная стенка с двух сторон закрывается пластинами меди. Для этого используется достаточно трудоемкий технологический процесс диффузионной сварки железа с медью с последующей токарной обработкой.

Эту проблему, а также весь ряд задач, указанный выше под пунктами (1-5) удается решить с помощью предлагаемой конструкции замедляющей системы.

Проблему уменьшения габаритов можно решить с помощью конструкции, являющейся прототипом [2]. Прототипом предлагаемой конструкции является конструкция замедляющей системы (ЗС) типа "встречных штырей". Эта ЗС 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.

В отличие от ЗС типа "диафрагмированный волновод" эта конструкция имеет примерно вдвое меньший поперечный габарит ЗС, позволяет использовать для МПФС магнитные кольца на основе термостабильного по магнитным свойствам самарий-кобальтового сплава с меньшим наружным и внутренним диаметром магнитных колец.

При этом, поскольку вес ЛБВ в значительной мере определяется весом магнитной системы, в значительной мере снижается и общий вес ЛБВ.

Кроме того, структура высокочастотного поля в данной ЗС такова, что вблизи 2π вида колебаний сопротивление связи практически равно нулю, что освобождает от принятия конструктивных мер по недопущению возбуждения ЛБВ на 2π виде колебаний, а значит упрощается конструкция ЗС.

Конструкция позволяет оптимизировать геометрию пространства взаимодействия (внутренний диаметр пролетного канала и зазор между пролетными трубками) для достижения наиболее высокого сопротивления связи на плюс 1-й пространственной гармонике.

За счет выбора площади поперечного сечения штыря возможно создать достаточный теплоотвод для охлаждения замедляющей системы.

Однако данная ЗС не всегда позволяет получить необходимую величину магнитной индукции на оси ЗС при совмещении ее с МПФС, состоящей из стандартных самарий-кобальтовых магнитных колец, т.е. становится невозможной унификация по комплектующим магнитной системы. Разработка же специальной магнитной системы сопряжена с затратами, увеличением поперечных габаритов ЗС за счет увеличения внешнего диаметра магнитных колец, увеличением веса прибора. Эта проблема особенно обостряется при приближении рабочего диапазона к 5 ГГц и ниже.

Предложена конструкция замедляющей системы лампы бегущей волны периодическая, штыревого типа, в которой на каждом штыре установлена пролетная трубка в виде цилиндра, при этом в пролетной трубке выполнена сквозная щель по всей длине трубки.

В предложенной замедляющей системе лампы бегущей волны щель совпадает с образующей цилиндра пролетной трубки.

В предложенной замедляющей системе в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы, угол α поворота щели относительно оси штыря находится в пределах

arcsin(l/d)≤α≤180°

где l - ширина штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы [м];

d - наружный диаметр пролетной трубки [м];

В предложенной конструкции соотношение между шириной щели и диаметром пролетной трубки выбрано в пределах

0.1≤h/d≤0.2

где h - ширина щели [м];

d - наружный диаметр пролетной трубки [м].

В предложенной конструкции угол между осями четных и нечетных штырей находится в пределах от 0° до 180°, а угол α поворота щели относительно оси штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы, находится в пределах

arcsin(l/d)≤α≤180°

где l - ширина штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы [м];

d - наружный диаметр пролетной трубки [м].

В предложенной конструкции при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей.

В предложенной конструкции при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей.

Предложенная конструкция замедляющей системы ЛБВ обеспечивает уменьшение диаметра резонатора в рабочем диапазоне частот, соответственно уменьшаются поперечные габариты ЗС. Таким образом, в ЛБВ с предложенной ЗС можно использовать магнитную систему для фокусировки электронного луча, состоящую из магнитных колец на основе термостабильного самарий-кобальтового сплава, имеющих меньшие габариты и позволяющих создать на оси ЗС необходимое для фокусировки электронного луча магнитное поле. Малые поперечные габариты предложенной ЗС позволяют применять магниты стандартных размеров, выпускаемые заводом-поставщиком. Данная конструкция ЗС соответственно позволяет уменьшить и массу ЛБВ, что улучшает ее массоэнергетические характеристики. Суммирование вышеперечисленных эффектов позволяет проводить минитюаризацию лампы бегущей волны и приборов на ее основе.

При введении сквозной щели в пролетной трубке замедляющей системы уменьшается собственная резонансная частота каждого отдельного резонатора, соответственно вся полоса прозрачности ЗС сдвигается в сторону более низких частот без увеличения диаметра резонатора, это происходит за счет увеличения электрической длины штыря. Достижение эффекта осуществляется при любой форме щели, любой ее ориентации относительно образующей цилиндра пролетной трубки.

В том случае, если щель совпадает с образующей цилиндра пролетной трубки весь положительный эффект по уменьшению габаритов ЛБВ сохраняется, к тому же это наиболее оптимальный вариант для технологического процесса изготовления этого прибора.

Выбор угла α поворота щели относительно оси штыря, на котором установлена пролетная трубка, определяется следующими факторами:

- угол α меньше arcsin (l/d) применить в конструкции нельзя, т.к. в этом случае при изготовлении щели вырезается не только часть пролетной трубки, но и часть штыря ЗС, что ведет к уменьшению теплоотвода по штырю и появлению других нежелательных технических эффектов.

- угол α не может быть равен 180°, т.к. положительный эффект от введения сквозной щели в данном случае в приборе не достигается, поскольку эквивалентная электрическая схема данной конструкции будет повторять эквивалентную электрическую схему устройства прототипа.

При α≥180° происходит симметричное повторение положительного эффекта от введения сквозной щели.

Выбор соотношения между шириной щели и диаметром пролетной трубки в пределах 0.1≤h/d≤0.2 имеет следующее обоснование:

соотношение h/d меньше 0.1 нецелесообразно, поскольку в этом случае стенки пролетной трубки в области щели могут смыкаться в некоторых местах из-за пластичности материалов, применяемых для изготовления ЗС (медь), соответственно исчезает эффект от введения сквозной щели. При выборе соотношения h/d большим 0.2 положительный эффект уменьшается, и может стать пренебрежимо малым.

Признак предлагаемой конструкции, касающийся выбора угла между осями четных и нечетных штырей означает, что при наличии сквозной щели в пролетной трубке, конструктивно соответствующей предложенным условиям, можно ориентировать по-разному четные и нечетные штыри замедляющей системы друг относительно друга, при этом положительный эффект будет получен.

В предложенной конструкции при встречном расположении штырей с углом между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, можно расположить штыри со сквозными щелями на четных и нечетных штырях следующим образом. Щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях и щели на пролетных трубках, установленных на четных штырях расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей. При этом появляется эффект сужения полосы прозрачности, следовательно можно управлять крутизной дисперсионной характеристики ЗС.

В предложенной конструкции при встречном расположении штырей с углом между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, можно расположить штыри со сквозными щелями на четных и нечетных штырях следующим образом. Щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях и щели на пролетных трубках, установленных на четных штырях расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей. При этом появляется эффект расширения полосы прозрачности, следовательно можно управлять крутизной дисперсионной характеристики ЗС.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображена конструкция заявленной ЗС,

на фиг.2 - сечение ЗС, изображенной на фиг.1 в плоскости А-А, перпендикулярной оси ЗС,

на фиг.3 - ЗС со встречным расположением штырей, установленных под ∠180° так, что щели в пролетных трубках, выполненных на четных и нечетных штырях, расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей,

на фиг.4 - конструкция ЗС, изображенной на фиг.3 в сечении Б-Б,

на фиг.5 - конструкция ЗС, изображенной на фиг.3 в сечении В-В,

на фиг.6 - ЗС со встречным расположением штырей, установленных под ∠180° так, что щели в пролетных трубках, выполненных на четных и нечетных штырях, расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей,

на фиг.7 - конструкция ЗС, изображенной на фиг.6 в сечении Д-Д,

на фиг.8 - конструкция ЗС, изображенной на фиг.6 в сечении Е-Е,

на фиг.9 изображены дисперсионные характеристики для конструкции прототипа и предложенной конструкции, при этом по оси Х отложена λ - длина волны в см, а по оси Y отмечен m - коэффициент замедления в безразмерных величинах.

Линия ϕ=2π и линия ϕ=π являются линиями сдвига фаз и ограничивают верхнюю и нижнюю границу дисперсионной характеристики.

Кривая 1 - для конструкции прототипа, кривые 2, 3, 4 - для предложенной конструкции с разными углами α поворота щели относительно оси штыря в плоскости, перпендикулярной оси ЗС.

Кривая 2 - дисперсионная характеристика при α₃,

кривая 3 - дисперсионная характеристика при α₂,

кривая 4 - дисперсионная характеристика при α₁, при этом α₁<α₂<α₃.

На фиг.10 изображены дисперсионные характеристики для конструкции прототипа и предложенной конструкции, при этом по оси Х отложена λ - длина волны в см, а по оси Y отмечен m - коэффициент замедления в безразмерных единицах. Линия ϕ=2π и линия ϕ=π являются линиями сдвига фаз и ограничивают верхнюю и нижнюю границу дисперсионной характеристики.

Кривая 1 - для конструкции прототипа,

кривая 2 - дисперсионная характеристика предложенной конструкции при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей (для фиг.6),

кривая 3 - дисперсионная характеристика предложенной конструкции при встречном расположении штырей при угле между осями штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей (для фиг.3).

Конструкция предлагаемой ЗС изображена на фигуре 1. Она включает в себя размещенные в корпусе 1, установленные на штырях 2 пролетные трубки 3, выполненные в виде цилиндра. В пролетной трубке 3 по всей ее длине выполнена сквозная щель 4, которая совпадает с образующей цилиндра пролетной трубки 3. Резонатор 5 образован внутренней поверхностью корпуса 1, поверхностью пролетной трубки 3, поверхностью штыря 2. Периодическая штыревого типа ЗС составлена из пакета резонаторов 5, длиной L, являющейся полупериодом ЗС, соответственно период ЗС является T=2L. Пролетные трубки 3 расположены между собой на расстоянии зазора Р. На этой же фигуре показаны оси штырей ЗС, каждый штырь ЗС имеет ось, обозначенную УУ, У₁У₁, У₂У₂ и т.д. и ось самой ЗС, обозначенную ОО.

На фигуре 2 обозначены, кроме того, d - наружный диаметр пролетной трубки, l - ширина штыря в плоскости, перпендикулярной оси ЗС, h - ширина щели, α - угол поворота щели относительно оси штыря.

Устройство работает следующим образом. В ЛБВ через ввод энергии в ЗС подается входная СВЧ мощность. В ЗС распространяется бегущая волна вдоль пакета резонаторов 5. Электронный поток проходит внутри канала, образованного пролетными трубками 3. Электрическое поле СВЧ-волны в зазорах Р взаимодействует с электронным потоком, проходящем в канале, образованном пролетными трубками 3, усиливается за счет кинетической энергии электронного потока. Далее усиленная СВЧ-волна через вывод энергии поступает в полезную нагрузку. Эффект взаимодействия СВЧ-волны с электронным потоком осуществляется в определенной части полосы прозрачности ЗС (рабочем диапазоне). В этой части полосы прозрачности скорость электронного потока приблизительно равна фазовой скорости СВЧ-волны, т.е. выполняется условие синхронизма. Введение щели 4 в пролетную трубку 3 уменьшает собственную резонансную частоту каждого отдельного резонатора 5. Соответственно вся полоса прозрачности ЗС сдвигается в сторону более низких частот без увеличения диаметра резонатора. Эффект усиления соответственно также достигается в определенной части рабочей полосы прозрачности, сдвинутой в сторону более низких частот. При этом поперечный габарит предложенной ЗС позволяет использовать стандартные магнитные кольца на основе самарий-кобальтовых сплавов, имеющие малые габариты и обеспечивающие необходимую величину магнитного поля для фокусировки электронного луча.

При повороте щели на угол α относительно штыря в плоскости перпендикулярной оси ЗС изменяется величина сдвига полосы прозрачности. Как указано, угол α изменяется в пределах arcsin (l/d)≤α<180, при этом при возрастании угла α с нижнего предела до верхнего, эффект сдвига полосы прозрачности уменьшается. Таким образом, максимальный эффект сдвига полосы прозрачности достигается при минимальных и равных нижнему пределу значениях угла α, а минимальный эффект сдвига полосы прозрачности достигается при верхнем пределе. Эта зависимость показана на фигуре 9, где видно, что при самом малом угле α происходит самый большой сдвиг дисперсионной характеристики 4 в низкочастотную область, что соответствует сдвигу полосы прозрачности в низкочастотную область.

В конкретном примере на фиг.1 показано соотношение между шириной щели и диаметром пролетной трубки h/d=0,11. На фиг.3 изображена конструкция ЗС при встречном расположении штырей при угле между осями штырей, равном 180°, когда щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей. На фиг.4 и 5 представлен вид этой конструкции ЗС в сечениях Б-Б (нечетный резонатор) и В-В (четный резонатор).

На фиг.6 изображена конструкция ЗС, отличающая от конструкции ЗС, изображенной на фиг.3, тем, что щели в пролетных трубка, установленных на четных штырях и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей УУ, У₁У₁, У₂У₂ и т.д.

На фиг.10 показан эффект от использования конструкции, изображенной на фиг.3, и конструкции, изображенной на фиг.6. На фиг.10 видно, что по сравнению с кривой прототипа 1 кривая 2 и кривая 3 имеют сдвиг полосы прозрачности в низкочастотную сторону. Но при этом, кривая 3 имеет большую ширину полосы прозрачности, чем кривая 2. Таким образом, используя конструкции по фиг.3 и 6, можно управлять дисперсионной характеристикой ЗС.

На базе предложенной конструкции ЗС были изготовлены экспериментальные образцы ЛБВ, которые были исследованы и на которых были получены ожидаемые положительные эффекты. Были получены приборы с ожидаемыми параметрами и с уменьшенными массогабаритными характеристиками, а также стала возможна унификация по комплектующим деталям для МПФС.

Источники информации

1. З.И.Тараненко, Я.К.Трохименко "Замедляющие системы". Киев, "Техника", 1965 г., стр.208-210, рис.123, 125.

2. З.И.Тараненко, Я.К.Трохименко "Замедляющие системы". Киев, "Техника", 1965 г., стр.86, рис.39.

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к замедляющим системам ламп бегущей волны, преимущественно пакетированной конструкции, совмещенной с магнитной фокусирующей периодической системой. Конструкция замедляющей системы периодическая, штыревого типа, размещена в корпусе. На каждом штыре установлена пролетная трубка в виде цилиндра, при этом в пролетной трубке выполнена сквозная щель по всей длине трубки. Щель совпадает с образующей цилиндра пролетной трубки. В плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы, угол α поворота щели относительно оси штыря находится в пределах arc sin(l/d)≤α<180°, где l - ширина штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы [м]; d - наружный диаметр пролетной трубки [м]. Конструкция замедляющей системы обеспечивает уменьшение диаметра резонатора в рабочем диапазоне частот, соответственно уменьшаются поперечные габариты замедляющей системы. Техническим результатом является обеспечение миниатюризации лампы бегущей волны и приборов на ее основе. 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Замедляющая система лампы бегущей волны периодическая штыревого типа, в которой на каждом штыре установлена пролетная трубка в виде цилиндра, отличающаяся тем, что в пролетной трубке выполнена сквозная щель по всей длине трубки.2. Замедляющая система лампы бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что щель совпадает с образующей цилиндра пролетной трубки.3. Замедляющая система лампы бегущей волны по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы, угол α поворота щели относительно оси штыря находится в пределах arcsin(l/d)≤α<180°, где l - ширина штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы [м], d - наружный диаметр пролетной трубки [м].4. 3амедляющая система лампы бегущей волны по п.1 или 2, отличающаяся тем, что отношение ширины щели к диаметру пролетной трубки выбрано в пределах 0.1≤h/d≤0.2, где h - ширина щели [м], d - наружный диаметр пролетной трубки [м].5. 3амедляющая система лампы бегущей волны по п.1 или 2, отличающаяся тем, что угол между осями четных и нечетных штырей находится в пределах от 0 до 180°, а угол α поворота щели относительно оси штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы, находится в пределах arcsin(l/d)≤α≤180°, где l - ширина штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы [м], d - наружный диаметр пролетной трубки [м].6. Замедляющая система лампы бегущей волны по п.4, отличающаяся тем, что угол между осями четных и нечетных штырей находится в пределах от 0 до 180°, а угол α поворота щели относительно оси штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы, находится в пределах arcsin(l/d)≤α<180°, где l - ширина штыря в плоскости, перпендикулярной оси замедляющей системы [м], d - наружный диаметр пролетной трубки [м].7. 3амедляющая система лампы бегущей волны по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях, и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей.8. 3амедляющая система лампы бегущей волны по п.3, отличающаяся тем, что при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях, и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей.8. 3амедляющая система лампы бегущей волны по п.4, отличающаяся тем, что при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях, и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через оси штырей.9. 3амедляющая система лампы бегущей волны по п.1 или 2, отличающаяся тем, что при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях, и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей.10. Замедляющая система лампы бегущей волны по п.3, отличающаяся тем, что при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях, и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей.11. Замедляющая система лампы бегущей волны по п.4, отличающаяся тем, что при встречном расположении штырей при угле между осями четных и нечетных штырей, равном 180°, щели в пролетных трубках, установленных на четных штырях, и щели в пролетных трубках, установленных на нечетных штырях, расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через оси штырей.