ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2008 года по МПК H01J25/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной аппаратуре.

Уровень техники

Развитие многоцелевой радиолокации дальней тропосферной и космической связи современных средств радиоэлектронного подавления (РЭП) информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ-колебаний большой мощности свыше 100 Вт.

Наиболее перспективными электровакуумными приборами, позволяющими создать такие усилители, являются лампы бегущей волны О-типа с продольными электрическим и магнитным полями. Благодаря распределенному по длине взаимодействию электронного потока с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе пучка. Коэффициенты усиления при необходимости могут достигать 60 дБ и более. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивает усиление в широкой полосе частот, достигающей двух и более октав. Мощные ЛБВ непрерывного и импульсного режимов относятся к наиболее быстро развивающейся группе приборов СВЧ. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. При переходе к средним мощностям порядка киловатт и более приходится переходить к резонаторным замедляющим системам, которые при использовании в ЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот (обычно не более 10%). В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяют замедляющие системы в виде цепочек резонаторов с индуктивной связью, выполненных в виде диафрагмированного круглого волновода. Соседние резонаторы связаны между собой через щели, прорезанные в диафрагмах. Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки, состоящие из предварительного усилителя (ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ без поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-15 дБ). В «прозрачной» ЛБВ также наиболее часто используют резонаторные замедляющие системы.

Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов с индуктивной связью. Электронный поток создается электронной пушкой. В замедляющей системе кинетическая энергия электронов преобразуется в СВЧ-энергию. Пройдя через замедляющую систему, "отработанный" электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы служат для ввода передаваемого СВЧ-сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с волноводными СВЧ-трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ-трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов.

Для ЛБВ с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов задача согласования последней с передающими линиями является одной из самых актуальных. Чрезвычайно сложно получить хорошее согласование замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе ее пропускания, особенно на ее границах. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах полосы пропускания. При этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители (например, из керамики марок КТ-30, АН-35Ж, ПМК, АН-МКХ), которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера).

Мощная ЛБВ описана в книге Кацмана Ю.А. "Приборы СВЧ. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов": Учебник для вузов по спец. "Электронные приборы". - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1983. - 368 с. Эта ЛБВ может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде соленоида и коллектор, охлаждаемый водой. Входной резонатор замедляющей системы с винтами для подстройки согласования и выходной резонатор с согласующей диафрагмой образуют так называемые устройства согласования. В средней части замедляющей системы установлены поглотители с согласующими кольцами. Подстройка согласования с помощью винтов может работать только в очень узкой полосе частот, так как винты перестраивают частоту входного резонатора в небольших пределах. Поэтому с помощью винтов можно улучшить характеристику согласования только в очень узкой полосе частот. Введение одной согласующей диафрагмы между выходным резонатором и герметизирующей диэлектрической перегородкой позволяет получить приемлемое значение коэффициента стоячей волны в полосе частот, не превышающей единиц процентов, что для мощной широкополосной ЛБВ с полосой пропускания замедляющей системы ≥10% явно недостаточно. Все это и является одной из основных причин использования поглотителей внутри замедляющей системы.

Сущность изобретения

Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10% (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны КСВн ≤1.5).

Указанная проблема решается следующим образом. Мощная ЛБВ содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, магнитную систему, коллектор, входной и выходной закороченные отрезки волновода (экранированные от электронного пучка) с двумя индуктивными диафрагмами и герметизирующие диэлектрические перегородки.

Электронный поток создается электронной пушкой. Проходя через замедляющую систему, пучок тормозится и передает часть энергии электромагнитному полю, а неиспользованная часть пучка попадает в коллектор. Входной и выходной отрезки волновода, экранированные от электронного пучка с двумя индуктивными диафрагмами, связанные с замедляющей системой через щель и отделенные от СВЧ-трактов герметизирующими диэлектрическими перегородками, служат для ввода передаваемого СВЧ-сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов.

Если входной и выходной резонаторы отделить (экранировать) от электронного пучка (пролетная трубка закрывает канал), преобразовав их в закороченные отрезки волновода, оставив щели связи с замедляющей системой, то согласование можно проводить за счет введения до герметизирующих диэлектрических перегородок двух (или более) разнесенных между собой индуктивных диафрагм. Количество диафрагм, их расположение и размеры отверстий в диафрагмах зависят от полосы согласования (пропускания) замедляющей системы и подбираются расчетным или экспериментальным путем. В этом случае согласование с передающими линиями производится индуктивными диафрагмами, расположенными вне замедляющей системы, и значительно упрощается задача получения хорошего согласования (КСВн ≤1,5) во всей полосе пропускания замедляющей системы превышающей 10%.

Перечень чертежей

Фиг.1. Лампа бегущей волны, в которой входной и выходной резонаторы преобразованы в закороченные отрезки волновода и в них установлены индуктивные согласующие диафрагмы.

Фиг.2. Входной (выходной) отрезки волновода с согласующими диафрагмами, связанные через щель с замедляющей системой.

Фиг.3. Расчетная и экспериментальная характеристики зависимости величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы односекционной лампы бегущей волны.

Фиг.4. Лампа бегущей волны, в которой в первой и последней щелях связи замедляющей системы устанавливаются диэлектрические герметизирующие перегородки в виде пластины, повторяющей форму щели связи.

Фиг.5. Лампа бегущей волны, в которой в замедляющей системе со стороны закороченных отрезков волновода щели связи закрываются диэлектрическими герметизирующими перегородками.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Лампа бегущей волны, показанная на фиг.1, содержит следующие устройства:

- электронную пушку 1;

- замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов 2;

- магнитную систему 3;

- коллектор 4;

- входной закороченный отрезок волновода 5;

- выходной закороченный отрезок волновода 6;

- входные согласующие индуктивные диафрагмы 7

- выходные согласующие индуктивные диафрагмы 8;

- входное герметизирующее окно 9;

- выходное герметизирующее окно 10.

Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1), распространяется вдоль замедляющей системы (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым электрическими или постоянными магнитами (поз.3). Электроны в процессе взаимодействия модулируются по скорости, что приводит к модуляции потока по плотности. Благодаря взаимной связи между полем и потоком при его движении от входа замедляющей системы к выходу этот процесс нарастает, а кинетическая энергия электронов при их торможении передается полю. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ-сигнала, подаваемого со стороны входного закороченного отрезка волновода (поз.5). Вывод СВЧ усиленного сигнала осуществляется через выходной закороченный отрезок волновода (поз.6). Согласование замедляющей системы с СВЧ-трактами осуществляются за счет выбора размеров и мест расположения индуктивных согласующих диафрагм (поз.7, 8). Замедляющая система, включая закороченные отрезки волновода и индуктивные согласующие диафрагмы, отделяется от СВЧ-трактов с помощью герметизирующих диэлектрических перегородок (поз.9, 10). "Отработанный" электронный поток попадает в коллектор, где кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию.

На фиг.4 показана лампа бегущей волны, в которой в первую и последнюю щели связи замедляющей системы установлены герметизирующие диэлектрические перегородки (поз.9, 10) в виде пластины, повторяющей форму щели связи. Это изменение конструкции замедляющей системы позволяет отказаться от герметизирующих диэлектрических перегородок, которые отделяли замедляющую систему с закороченными отрезками волновода и индуктивными согласующими диафрагмами от СВЧ-трактов. В этой конструкции индуктивные согласующие диафрагмы располагаются вне герметизированной области лампы бегущей волны.

На фиг.5 показана лампа бегущей волны, в которой со стороны закороченных отрезков волновода первая и последняя щели связи замедляющей системы закрываются герметизирующими диэлектрическими перегородками (поз.9, 10).

На фиг.2 показан входной (выходной) отрезок волновода (поз.5) замедляющей структуры (поз.2) с двумя индуктивными согласующими диафрагмами (поз.7).

На фиг.3 показаны расчетная и экспериментальная зависимости величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы односекционной лампы бегущей волны, в которой входной и выходной резонаторы преобразованы в закороченные отрезки волновода. Замедляющая система состоит из двадцати резонаторов. Согласование замедляющей системы с СВЧ-трактами проводилось только с помощью двух индуктивных согласующих диафрагм на входе и двух диафрагм на выходе. Полоса пропускания замедляющей системы составляет величину порядка 14,6%. Результаты согласования (экспериментальные величины КСВн в полосе пропускания ≤1.6) подтверждают работоспособность предложенной конструкции.

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной аппаратуре. Лампа бегущей волны содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов с диэлектрическими герметизирующими перегородками, отделяющими замедляющую систему от СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор. Входной и выходной резонаторы замедляющей системы экранированы от электронного пучка с помощью пролетной трубки и преобразованы в закороченные отрезки волновода. Согласование с передающими СВЧ-трактами проводится за счет введения между этими отрезками и герметизирующими диэлектрическими перегородками двух (или более) разнесенных между собой индуктивных диафрагм. Количество диафрагм, их расположение и размеры отверстий в диафрагмах зависят от полосы согласования (пропускания) замедляющей системы и подбираются расчетным или экспериментальным путем. Технический результат - повышение согласования замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе пропускания замедляющей системы. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор, отличающаяся тем, что на входе и выходе замедляющей системы установлены закороченные отрезки волноводов, в которых установлены согласующие индуктивные диафрагмы.2. Лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что герметизирующие диэлектрические перегородки в виде пластин, повторяющих форму щелей связи замедляющей системы с закороченными отрезками волновода, устанавливаются в щелях связи.3. Лампа бегущей волны по п.2, отличающаяся тем, что диэлектрические герметизирующие перегородки расположены со стороны закороченных отрезков волновода.