ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ СВЧ Российский патент 2008 года по МПК H01J23/24 H01J23/26 

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к замедляющим системам периодической структуры спирального типа для электронных приборов СВЧ.

В последнее время вновь возрос интерес к простым по конструкции замедляющим системам спирального типа.

Это объясняется следующим.

Во-первых, эти замедляющие системы позволяют обеспечить минимальное отклонение электронного пучка при оптимальных системе охлаждения и массогабаритных характеристиках электронных приборов СВЧ и, следовательно, увеличить выходную мощность СВЧ.

Во-вторых, эти замедляющие системы позволяют относительно просто оптимизировать систему взаимодействия электронного пучка с замедляющей системой и, следовательно, увеличить КПД.

Известна замедляющая система спирального типа для лампы бегущей волны (ЛБВ) в виде полого цилиндра, выполненного из алюминия, и металлической спирали, выполненной из проволоки и расположенной на внутренней поверхности полого цилиндра (1).

Недостатком данной замедляющей системы является открытость металлической спирали. При движении электронного пучка часть электронов осаждается на металлической спирали, что приводит к ее нагреву и, как следствие, ухудшению теплоотвода и, следовательно, снижению выходной мощности СВЧ.

Известна замедляющая система спирального типа, в которой с целью исключения осаждения электронов на металлическую спираль замедляющая система выполнена из двух полых цилиндров, выполненных из диэлектрического материала, также оксида алюминия, расположенных один внутри другого, а металлическая спираль расположена между ними - прототип (2).

При этом полые цилиндры расположены один внутри другого и металлическая спираль между ними соосно, а больший полый цилиндр перекрывает все витки металлической спирали.

При этом на внешней поверхности меньшего полого цилиндра, например, фрезерованием выполнена канавка с конфигурацией металлической спирали, в которой она и расположена.

Как сказано выше, это позволило исключить попадание электронов на металлическую спираль, и, как следствие, исключить ее перегрев, и, следовательно, повысить выходную мощность СВЧ.

Эту замедляющую систему используют в широком диапазоне частот от 0,3 до 20 ГГц как в малошумящих ЛБВ. так и в ЛБВ, используемых в оконечных каскадах с выходной модностью до 20 Вт в непрерывном режиме работы и с большей выходной мощностью в импульсном режиме.

Однако широко используемый на сегодня диэлектрический материал, оксид алюминия, имеет низкую теплопроводность и не обеспечивает эффективный теплоотвод и, следовательно, высокую выходную мощность.

В замедляющих системах спирального типа - две проблемы.

Во-первых, наличие диэлектрического материала как опоры металлической спирали. При этом она может быть выполнена различной конструкции, например, в виде полого цилиндра. При этом металлическая спираль может быть расположена как внутри полого цилиндра - первый аналог, так и снаружи - прототип.

Но независимо от конструкции замедляющей системы имеет место влияние диэлектрического материала на распределение электромагнитного поля металлической спирали, а именно уменьшение скорости распространения электромагнитной волны, и, как следствие, увеличение затухания СВЧ-сигнала, и, следовательно, снижение выходной мощности СВЧ (3).

Во-вторых, значительное превышение продольных размеров замедляющей системы над ее поперечными размерами. Поскольку массогабаритные характеристики замедляющей системы во многом определяют аналогичные характеристики электронного прибора СВЧ, то встает вопрос о снижении ее массогабаритных характеристик, который является особенно острым в случае миниатюризации электронных приборов СВЧ.

При этом требуется снижать как массогабаритные характеристики, так и одновременно тепловые нагрузки на электронный прибор СВЧ. Эти требования, как правило, находятся во взаимном противоречии, поскольку отвод тепла пропорционален площади поверхности электронного прибора СВЧ.

Развитие миниатюризации электронных приборов СВЧ подвигло к необходимости поиска и применения диэлектрических материалов, обладающих высокой теплопроводностью, таких как оксид бериллия, нитрид бора, нитрид алюминия.

Теплопроводность оксида бериллия почти на порядок выше, чем у оксида алюминия. Однако оксид бериллия отличается токсичностью, дефицитностью исходных продуктов и сложностью технологического процесса изготовления, высокой стоимостью. Поэтому оксид бериллия используют только в исключительных случаях.

Нитрид бора, обладая высокой теплопроводностью, имеет недостаточно высокую прочность и высокую стоимость. Это также ограничивает его применение.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение технологичности, повышение надежности, улучшение выходных параметров электронного прибора СВЧ путем улучшения теплоотвода и совершенствования взаимодействия электронного пучка и электромагнитного поля.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной замедляющей системе спирального типа, содержащей два полых цилиндра, выполненных из диэлектрического материала, с диаметрами, обеспечивающими возможность их расположения один внутри другого, металлическую спираль, расположенную между полыми цилиндрами, при этом полые цилиндры расположены один внутри другого и металлическая спираль между ними соосно, а больший полый цилиндр перекрывает все витки металлической спирали. При этом:

- полые цилиндры выполнены из нитрида алюминия с толщиной стенки меньшего полого цилиндра, равной 0,3-1 мм,

- металлическая спираль выполнена лучом лазера на внешней поверхности меньшего полого цилиндра, при этом форма сечения металлической спирали, его высота и ширина задаются мощностью, диаметром и скоростью перемещения луча лазера, при этом его высота выполнена более 0,05 мм,

- расположены полые цилиндры один внутри другого с возможностью обеспечения взаимного контакта по всей поверхности их соприкосновения,

- при этом внутренний диаметр меньшего полого цилиндра, длину металлической спирали, расстояние между ее витками и внешний диаметр большего полого цилиндра определяют выходные параметры электронного прибора СВЧ.

Выполнение полых цилиндров из нитрида алюминия и прежде всего меньшего полого цилиндра позволит посредством воздействия луча лазера на его поверхность получить в местах воздействия расплава чистого алюминия, который при последующем охлаждении выполняет функцию металлической спирали, то есть получается некая единая конструкция замедляющей системы.

Такая монолитная единая конструкция выполнения диэлектрической опоры, и металлической спирали и из одного материала в совокупности с другими признаками обеспечит:

во-первых, повышение надежности

а) благодаря идеальной изоляции металлических витков спирали между собой и, следовательно, исключению возможности электрического пробоя,

б) благодаря исключению возможности разрыва металлической спирали, так как нитрид алюминия и алюминий имеют близкие по значению коэффициенты теплового линейного расширения, и, следовательно, снижению напряжений,

во-вторых, более эффективный теплоотвод

а) за счет использования для этой цели всей площади и объема обоих полых цилиндров, поскольку теплопроводность нитрида алюминия (160 Вт/м К) сравнима с теплопроводностью алюминия (210 Вт/м К), и, следовательно, повышения выходной мощности СВЧ,

б) благодаря возможности получения плотного герметичного взаимного соединения полых цилиндров по всей поверхности их соприкосновения, исключения наличия воздушных зазоров и, следовательно, еще большего повышения выходной мощности СВЧ,

в-третьих, упрощение конструкции и повышение технологичности, так как исключается необходимость традиционного выполнения углублений в диэлектрическом материале для расположения в них металлической спирали в виде проволоки.

Предложенная конструкция замедляющей системы позволит задавать оптимальные ее размеры с целью совершенствования взаимодействия электронного пучка и электромагнитного поля.

Выполнение толщины стенки меньшего полого цилиндра менее 0,3 мм исключено с целью предотвращения его прожигания насквозь, а более 1 мм нежелательно с точки зрения, как было сказано выше, усиления влияния диэлектрического материала на распределение электромагнитного поля металлической спирали, а именно уменьшение скорости распространения электромагнитной волны, и, как следствие, увеличение затухания СВЧ сигнала, и, следовательно, снижение выходной мощности СВЧ.

Выполнение высоты сечения металлической спирали ограничено, с одной стороны, (менее 0,05 мм) усилением влияния скип-эффекта на величину сопротивления металлической спирали, а с другой - возможными вариантами выполнения толщины стенки меньшего полого цилиндра (0,3-1 мм).

Кроме того, нитрид алюминия в отличие от токсичного и дорогого оксида бериллия является дешевым диэлектрическим материалом в силу доступности и дешевизны исходных компонентов, что позволит широко использовать его в качестве диэлектрического материала в электронных приборах СВЧ.

Изобретение поясняется чертежом.

На чертеже дана предлагаемая замедляющая система в разрезе, где

- два полых цилиндра 1 и 2 больший и меньший соответственно,

- металлическая спираль - 3.

Пример конкретного выполнения замедляющей системы.

Пример 1.

Выполняют два полых цилиндра 1 и 2:

- для чего предварительно изготавливают две металлические пресс-формы из нержавеющей стали длиной 100 мм, внутренним диаметром 1 мм и внешним диаметром 1,5 мм, класс чистоты обработки полой части не менее 7-8;

- приготавливают мелкодисперсную шихту из порошка нитрида алюминия, полученного методом высокотемпературного синтеза и связки на основе каучука и бензина при соотношении 1:1,

- прессуют шихту в металлические пресс-формы и спекают в атмосфере азота при температуре 2100-2200 К с выдержкой в течение часа при максимальной температуре.

Выполняют металлическую спираль 3:

- для чего располагают полый цилиндр меньшего размера 2 на стол лазерной установке «Контата» и закрепляют в рабочем участке стола,

- устанавливают режим работы лазера. После чего по заданной в ЭВМ программе происходит вращательно-поступательное движение меньшего полого цилиндра 2 и сканирование лучом лазера внешней его поверхности с целью выполнения металлической спирали 3. Была задана металлическая спираль в сечении прямоугольной формы высотой, равной 0,075 мм, и шириной, равной диаметру лазерного луча.

Примеры 2-5.

Аналогично примеру 1 были выполнены замедляющие системы, но с другими размерами толщины стенки меньшего полого цилиндра и высоты сечения металлической спирали согласно указанным в формуле изобретения, выходящими за ее пределы.

Проводят контроль выполнения металлической спирали на предмет однородности проплава и, следовательно, целостности металлической спирали путем пропускания электрического тока.

Как показал контроль, замедляющие системы, выполненные с размерами толщины стенки меньшего полого цилиндра и высоты сечения металлической спирали согласно указанным в формуле изобретения, отличаются целостностью как металлической спирали, так и меньшего полого цилиндра (примеры 1-3) в отличие от замедляющих систем, выполненных с указанными размерами, выходящими за ее пределы (примеры 4-5), в которых имеет место нарушение целостности как металлической спирали, так и меньшего полого цилиндра.

Далее располагают меньший полый цилиндр 2 с выполненной на его внешней поверхности металлической спиралью 3 в большем полом цилиндре 1, так чтобы все витки металлической спирали были им перекрыты.

Работу замедляющей системы рассмотрим в ЛБВ.

В ЛБВ через ввод энергии в замедляющую систему подают электромагнитную волну заданной мощности СВЧ. Электронный пучок распространяется внутри полого цилиндра меньшего размера 2 замедляющей системы и взаимодействует с электромагнитной волной, распространяющейся вдоль металлической спирали 3. Когда скорость электронного пучка сравняется со скоростью распространения электромагнитной волны, то мощность электронного пучка передается электромагнитной волне и в результате мощность электромагнитной волны увеличивается. Происходит усиление мощности электромагнитной волны на выходе.

Например, зададим величину максимальной выходной мощности Р миниатюрной ЛБВ равной 20 Вт. Предельно допустимая удельная мощность не должна превышать 0,002 Вт/мм² во избежание расплава металлической спирали, выполненной из алюминия (4).

Следовательно, площадь охлаждаемой поверхности S равна 1000 мм². Эта площадь связана с внешним диаметром меньшего полого цилиндра D, числом витков спирали N и расстоянием между витками металлической спирали Н соотношением

S=2πDNH.

Если Н равно 0,8 мм, N равно 130, то D равно 1,5 мм.

Внутренний диаметр d меньшего полого цилиндра с целью обеспечения эффективного взаимодействия электронного пучка с электромагнитным полем не должен превышать половины длины замедленной волны Λ_з, определяемой из формулы

Λ_з=λV_ф/с,

где

V_ф - фазовая скорость,

λ - длина волны,

с - скорость света в вакууме.

При коэффициенте замедления электромагнитной волны n, определяемом из формулы

n=c/V_ф

и равном 15, и длине волны λ, равной 30 мм, длина замедленной волны, рассчитанная по указанной выше формуле, равна 2 мм.

Следовательно, внутренний диаметр меньшего полого цилиндра d<1 мм и толщина его стенки равна 0.5 мм.

При диаметре электронного пучка d_п, равном 0,06 мм, оптимальный диаметр d пролетного канала в предложенной конструкции равен внутреннему диаметру меньшего полого цилиндра, его выбирают из двухстороннего неравенства

d_п<d<0,5Λ_з.

Как видно из вышеприведенного расчета, предложенная конструкция замедляющей системы реализует заданную выходную мощность миниатюрной ЛБВ, равную 20,0 Вт.

Таким образом, предложенная конструкция замедляющей системы спирального типа позволит по сравнению с прототипом упростить конструкцию, повысить технологичность и надежность, улучшить выходные параметры электронных приборов СВЧ и прежде всего увеличить выходную мощность СВЧ.

Следует отметить, что нитрид алюминия в отличие от токсичного и дорогих оксида бериллия и нитрида бора является дешевым диэлектрическим материалом, что позволит широко использовать его в качестве диэлектрического материала в электронных приборах СВЧ.

Источники информации

1. Тагер А.С., Солнцев В.А. Исследование дисперсии спиральной линии замедления с диэлектрическими опорами. // Труды НИИ МРТП. 1955 г. Вып.1. стр.3-19.

2. Сазонов В.П. Дисперсионные свойства экранированной проволочной спирали в слоистом диэлектрике. // Электроника. Научно-технический сборник. 1959 г. №2. стр.38-67.

3. Силин Р.А. Периодические волноводы. М., ФАЗИС. 2002 г.

4. Карякин Н.И. и др. Краткий справочник по физике. М., Высшая школа., 1964 г., стр.544.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к замедляющим системам спирального типа. Предложена замедляющая система спирального типа, содержащая два полых цилиндра, выполненных из нитрида алюминия с толщиной стенки меньшего полого цилиндра 0,3-1 мм и расположенных один внутри другого с возможностью обеспечения взаимного контакта по всей поверхности их соприкосновения, металлическую спираль, выполненную лучом лазера на внешней поверхности меньшего полого цилиндра, при этом высота сечения металлической спирали в плоскости, перпендикулярной ее длине, выполнена не менее 0,05 мм. При этом внутренний диаметр меньшего полого цилиндра, длина металлической спирали, расстояние между ее витками и внешний диаметр большого полого цилиндра определяются длиной волны и величиной максимальной выходной мощности электронного прибора СВЧ. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение ее технологичности, надежности, улучшение выходных параметров электронного прибора СВЧ. 1 ил.

Замедляющая система спирального типа для электронных приборов СВЧ, содержащая два полых цилиндра, выполненных из диэлектрического материала, с диаметрами, обеспечивающими возможность их расположения один внутри другого, металлическую спираль, расположенную между полыми цилиндрами, при этом полые цилиндры расположены один внутри другого и металлическая спираль между ними соосно, а больший полый цилиндр перекрывает все витки металлической спирали, отличающаяся тем, что полые цилиндры выполнены из нитрида алюминия с толщиной стенки меньшего полого цилиндра, равной 0,3÷1 мм, металлическая спираль выполнена лучом лазера на внешней поверхности меньшего полого цилиндра, при этом высота сечения металлической спирали в плоскости, перпендикулярной ее длине, выполнена не менее 0,05 мм, а расположены полые цилиндры один внутри другого с возможностью обеспечения взаимного контакта по всей поверхности их соприкосновения, при этом внутренний диаметр меньшего полого цилиндра, длина металлической спирали, расстояние между ее витками и внешний диаметр большего полого цилиндра определяются длиной волны и величиной максимальной выходной мощности электронного прибора СВЧ.