ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2010 года по МПК H01J25/34 

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 (ЛБВ) - приборы 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 электронного пучка. Коэффициенты усиления при необходимости могут достигать 60 децибел 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 СВЧ приборов. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. При переходе к средним мощностям (порядка киловатта 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 (на основе ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ (то есть без поглотителей СВЧ мощности) с небольшим коэффициентом усиления (7-15 децибел). 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, "отработавший" электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с коаксиальными или волноводными СВЧ трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от не вакуумированных СВЧ трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящей из электромагнитов или ряда постоянных магнитов.

Повышение мощности, уменьшение массогабаритных характеристик и продвижение мощных СВЧ приборов в дециметровый диапазон длин волн применительно к электронно-вакуумным СВЧ приборам О-типа и, в частности, к лампам бегущей волны является чрезвычайно актуальной задачей, и на ее решение было потрачено немало усилий отечественных и зарубежных специалистов.

Для мощной ЛБВ с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов с индуктивной связью, выполненной в виде диафрагмированного круглого волновода, переход в длинноволновую область дециметрового диапазона длин волн требует увеличения периода замедляющей системы, так как период в первом приближении пропорционален длине волны. По этой же причине увеличивается и диаметр замедляющей системы. Оценки размеров замедляющей системы для так называемой "-1”-й рабочей гармоники и длин волн 18-40 см дают величины диаметров 100-220 мм и значения периодов от 30 до 70 мм.

Для обеспечения фокусировки электронного пучка с помощью постоянных магнитов требуется выбирать длину магнитной ячейки примерно в 2-4 раза меньше периода замедляющей системы, предназначенной для работы в дециметровом диапазоне длин волн. Получение выходной СВЧ мощности порядка нескольких киловатт возможно при использовании электронного пучка с кинетической мощностью, равной нескольким десяткам киловатт. При этом требуемая величина амплитуды магнитного поля на оси магнитной периодической фокусирующей системы составляет величину порядка 1000 гаусс. Чтобы получить такое магнитное поле, необходимое для фокусировки мощного пучка, надо обеспечить его «проводку» от внешнего диаметра замедляющей системы, где располагаются постоянные магниты, к оси, где распространяется электронный поток. Это делается с помощью дополнительных конструктивных элементов - магнитопроводов, изготовленных из магнитоактивного материала (например, стали). Эти магнитопроводы располагаются на каждом магнитном периоде, что значительно изменит конструкцию замедляющей системы. Использование соленоида позволяет решить задачу фокусировки без изменения конструкции замедляющей системы, но существенно увеличивает массогабаритные характеристики ЛБВ и энергопотребление, то есть уменьшает КПД ЛБВ.

Мощная ЛБВ описана в книге Кацмана Ю.А. "Приборы СВЧ. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов": Учебник для вузов по специальности "Электронные приборы". - 2-е изд., переработанное и дополненное. - М.: Высшая школа, 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 не вакуумированных СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде соленоида и коллектор, охлаждаемый водой.

Раскрытие изобретения

Актуальной проблемой является уменьшение массогабаритных характеристик мощной ЛБВ в дециметровом диапазоне длин волн.

Указанная проблема решается следующим образом. Мощная лампа бегущей волны содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде Н-резонатора, работающего на волне типа Н₁₁, с пролетными трубками, каждая из которых закреплена на цилиндрической поверхности резонатора с помощью одной штанги, магнитную систему в виде постоянных магнитов, коллектор, входной и выходной выводы энергии с герметизирующими диэлектрическими перегородками.

Электронный поток создается электронной пушкой. Проходя через замедляющую систему, пучок передает часть кинетической энергии электромагнитному полю, сам при этом частично тормозится и попадает в коллектор. Входной и выходной выводы СВЧ энергии, отделенные от СВЧ трактов герметизирующими диэлектрическими перегородками, служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), состоящей из ряда постоянных магнитов и штанг с магнитоактивным материалом.

Замедляющая система в виде Н-резонатора состоит из связанных ячеек (периодов), каждый из которых содержит отрезок цилиндра и пролетную трубку. Пролетная трубка закреплена на отрезке цилиндра с помощью одной штанги. Штанги соседних ячеек могут быть повернуты между собой на некоторый угол, а штанги, расположенные через ячейку, находятся в одной плоскости. Величина угла поворота подбирается расчетным или экспериментальным путем и определяет полосу пропускания замедляющей системы. Размеры и форма штанги выбираются, исходя из требуемых величин магнитного периода, значения амплитуды магнитного поля на оси, а также конструктивных и технологических соображений. Каждый период замедляющей системы должен быть разделен на несколько магнитных периодов МПФС. Таким образом, отрезок цилиндра, пролетная трубка и штанга представляют собой набор деталей из магнитоактивного материала, объединенных в единую СВЧ конструкцию с помощью деталей из электропроводящего материала с малыми СВЧ потерями, не являющегося магнитоактивным (обычно это медь).

В сравнении с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов с индуктивной связью Н-резонатор имеет примерно такую же дисперсию и величины сопротивлений связи при близких полосах пропускания.

Для Н-резонатора характерно существенное понижение собственной частоты при введении в резонатор пролетных трубок и штанг. По сравнению с невозмущенной волной типа Н₁₁ уменьшение собственной частоты может составить коэффициент порядка 2 и больше. Поэтому использование Н-резонатора, работающего на волне

Н₁₁, в качестве замедляющей системы мощной ЛБВ дециметрового диапазона длин волн позволит уменьшить диаметр замедляющей системы по сравнению с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов с индуктивной связью примерно в два раза и позволит использовать для фокусировки электронного потока магнитную периодическую фокусирующую систему на постоянных магнитах.

Уменьшение диаметра замедляющей системы и использование МПФС на постоянных магнитах существенно улучшит массогабаритные характеристики и снизит энергопотребление ЛБВ дециметрового диапазона длин волн.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - лампа бегущей волны, в которой в качестве замедляющей системы использован Н-резонатор.

Фиг.2 - ячейка замедляющей системы в виде Н-резонатора с МПФС на постоянных магнитах.

Фиг.3 - расчетная зависимость выходной мощности от частоты для мощной «прозрачной» ЛБВ с замедляющей системой в виде Н-резонатора и МПФС на постоянных магнитах.

Осуществление изобретения

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

- электронную пушку 1;

- замедляющую систему в виде Н-резонатора 2;

- магнитную систему 3;

- коллектор 4;

- входной коаксиальный ввод энергии 5;

- выходной коаксиальный вывод энергии 6;

- входное герметизирующее окно 7;

- выходное герметизирующее окно 8.

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 постоянными магнитами (поз.3). Электронный поток в процессе взаимодействия модулируется по скорости, что приводит к его модуляции по плотности. Благодаря длительному взаимодействию электромагнитного поля и электронного потока при их синхронном движении от входа замедляющей системы к выходу, растет мощность электромагнитной волны, а кинетическая энергия электронов уменьшается. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ сигнала, подаваемого со стороны коаксиального ввода энергии (поз.5). Вывод усиленного СВЧ сигнала осуществляется через коаксиальный вывод энергии (поз.6). Замедляющая система отделяется от СВЧ трактов с помощью герметизирующих диэлектрических перегородок (поз.7, 8). "Отработавший" электронный поток попадает в коллектор (поз.4), где остаточная кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию.

На фиг.2 показана ячейка замедляющей системы (период) в виде Н-резонатора с МПФС на постоянных магнитах (поз.3). Период замедляющей системы включает в себя два магнитных периода МПФС. Ячейка замедляющей системы состоит из отрезка цилиндра (поз.9), штанги (поз.10) и пролетной трубки (поз.11). Отрезок цилиндра (поз.9), штанга (поз.10) и пролетная трубка (поз.11) представляют собой набор магнитоактивных деталей (поз.12), объединенных между собой в единую СВЧ конструкцию с помощью деталей из электропроводящего материала с малыми СВЧ потерями (поз.13), не являющегося магнитоактивным.

На фиг.3 показана расчетная зависимость выходной мощности от частоты для мощной «прозрачной» ЛБВ с замедляющей системой в виде Н-резонатора и МПФС на постоянных магнитах. Рабочий диапазон длин волн: 18,1-20 см. Период замедляющей системы 19 кВ, ток пучка - 2,5 ампера, амплитуда магнитного поля на оси ~1000 гаусс, мощность входного сигнала ~200 ватт.

Результаты расчетов подтверждают работоспособность предложенной конструкции.

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны (ЛБВ), 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. ЛБВ дециметрового диапазона длин волн содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде Н-резонатора, состоящего из связанных между собой ячеек, диэлектрические герметизирующие перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде цепочки постоянных магнитов и коллектор. Каждая ячейка замедляющей системы (период) разделяется на несколько периодов магнитной фокусирующей системы на постоянных магнитах и представляет собой набор деталей из магнитоактивного материала, объединенных между собой в единую СВЧ конструкцию с помощью деталей из проводящего материала с малыми СВЧ потерями, не являющегося магнитоактивным. Технический результат - снижение массогабаритных характеристик мощной ЛБВ дециметрового диапазона длин волн. 3 ил.

Лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, замедляющую систему, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде цепочки постоянных магнитов и коллектор, отличающаяся тем, что в качестве замедляющей системы использован Н-резонатор, состоящий из связанных между собой ячеек (периодов), каждая из которых содержит отрезок цилиндра и пролетную трубку, закрепленную на отрезке цилиндра с помощью одной штанги, и включает в себя несколько периодов магнитной фокусирующей системы.