ДВУХДИАПАЗОННАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2010 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 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 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 СВЧ приборов. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. При переходе к средним мощностям (порядка кВт и более) приходится переходить к резонаторным замедляющим системам, которые при использовании в ЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот (обычно не более 10-15%). Ограничивающими факторами расширения полосы усиливаемых частот мощных ЛБВ в основном являются уменьшение сопротивления связи при увеличении полосы пропускания замедляющей системы и качество согласования входа и выхода ЛБВ. Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки, состоящие из предварительного усилителя (также на основе ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ без поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-15 дБ). В «прозрачной» мощной ЛБВ также используются резонаторные замедляющие системы.

Современные мощные ЛБВ часто разделяют на секции, на смежных концах которых установлены разделительная перегородка с отверстием для пролета пучка и сосредоточенные поглотители СВЧ мощности. Это делается для обеспечения устойчивой работы прибора, уменьшения перепада усиления в рабочем диапазоне частот, повышения КПД. Однако известные конструкции секционированных ЛБВ практически не дают увеличения полосы усиливаемых частот.

Секционированная мощная ЛБВ содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, разделенных на секции, на смежных концах которых установлены перегородка с отверстием для пролета пучка и сосредоточенные поглотители. Электронный пучок создается электронной пушкой. В секциях замедляющей системы кинетическая энергия электронов преобразуется в СВЧ энергию. Сосредоточенные поглотители обеспечивают необходимый уровень ослабления СВЧ энергии и низкий уровень отражения СВЧ энергии от поглотителя. Первый и последний резонаторы первой и последней секций замедляющей системы соответственно служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала. Магнитное поле, фокусирующее электронный пучок, создается магнитной системой, состоящей из ряда электрических или постоянных магнитов. Пройдя через секции замедляющей системы, "отработавший" электронный пучок попадает в коллектор.

Многосекционная ЛБВ описана в патенте RU 2259613 «Многосекционная лампа бегущей волны». Эта ЛБВ может рассматриваться как прототип. Лампа содержит электронную пушку, создающую электронный пучок, ввод и вывод энергии, секции цепочек связанных резонаторов, магнитную фокусирующую систему на постоянных магнитах, сосредоточенные и распределенные поглотители и коллектор "отработавшего" электронного пучка. Во всех секциях многосекционной ЛБВ, за исключением последней (выходной), полученная СВЧ мощность практически полностью поглощается в оконечных поглотителях, а от секции к секции передается только модуляция пучка. В выходную секцию попадает хорошо сгруппированный по плотности электронный пучок, и к концу секции его модуляция достигает насыщения. В точке насыщения и устанавливается вывод усиленной СВЧ мощности. Конструкция ЛБВ позволяет повысить уровень выходной мощности, увеличивает поглощение нагрузок на концах ее секций, улучшает согласование секций, повышает электрическую прочность нагрузок, но не решает задачи расширения полосы усиливаемых частот.

Раскрытие изобретения

Актуальной проблемой является расширение полосы усиливаемых частот до значений значительно больших, чем обычные 10-15% в мощных ЛБВ.

Указанная проблема решается следующим образом. Двухдиапазонная мощная ЛБВ содержит электронную пушку, создающую электронный пучок, две секции цепочек связанных резонаторов, связанные только по пучку, ввод и вывод энергии в каждой секции, электрические или постоянные магниты и коллектор "отработавшего" электронного пучка. Секции имеют разные полосы пропускания и соответственно разные полосы усиливаемых частот и разные размеры. Между секциями расположена секция развязки с магнитами, которая устраняет модуляцию пучка, «приобретенную» в первой секции ЛБВ. Каждая секция имеет свои ввод и вывод энергии. В первой секции, имеющей более высокую по частоте полосу пропускания, входной сигнал усиливается и выводится через вывод энергии, причем уровень модуляции пучка в ней не достигает насыщения. Модулированный пучок поступает в секцию развязки, где на длине, определяемой расчетом, происходит его демодуляция. Затем демодулированный пучок поступает во вторую секцию, которая также имеет ввод энергии и в которой СВЧ сигнал также усиливается, но в более низком диапазоне частот. Усиленный сигнал выводится через устройство вывода энергии. В результате можно получить расширение полосы усиливаемых частот примерно до двух раз.

На чертеже представлена двухдиапазонная лампа бегущей волны.

Осуществление изобретения

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

- электронную пушку 1;

- секцию замедляющей системы с более высокой по частоте полосой пропускания 2;

- секцию замедляющей системы с более низкой по частоте полосой пропускания 3;

- фокусирующие магниты 4;

- секцию развязки 5;

- ввод СВЧ энергии в первую секцию 6;

- вывод СВЧ энергии из первой секции 7;

- ввод СВЧ энергии во вторую секцию 8;

- вывод СВЧ энергии из второй секции 9;

- коллектор электронного пучка 10.

Электронный пучок, который создается электронной пушкой (поз.1), распространяется вдоль секции замедляющей системы с более высокой по частоте полосой пропускания (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым магнитами (поз.4). Электронный пучок в процессе взаимодействия модулируется по продольной скорости, что приводит к его модуляции по плотности. Благодаря длительному взаимодействию электромагнитного поля и электронного пучка при их синхронном движении от входа секции замедляющей системы с более высокой по частоте полосой пропускания к выходу растет мощность электромагнитной волны, а кинетическая энергия электронов уменьшается. В результате этого процесса происходит усиление более высокого по частоте входного СВЧ сигнала, подаваемого со стороны ввода энергии (поз.6). Вывод усиленного СВЧ сигнала осуществляется через вывод СВЧ энергии (поз.7). Пройдя секцию с более высокой по частоте полосой пропускания, электронный пучок попадает в секцию развязки, в которой происходит его демодуляция по плотности. Затем демодулированный электронный пучок попадает в секцию с более низкой по частоте полосой пропускания, в которой происходит модуляция его по продольной скорости, что приводит к модуляции по плотности на частотах этой второй секции. Двигаясь от входа секции замедляющей системы с более низкой по частоте полосой пропускания к выходу, пучок увеличивает мощность электромагнитной волны, отдавая ей часть своей кинетической энергии. В результате происходит усиление более низкого по частоте входного СВЧ сигнала, подаваемого со стороны ввода энергии (поз.8). Вывод усиленного СВЧ сигнала осуществляется через устройство вывода энергии (поз.9). "Отработавший" электронный пучок попадает в коллектор (поз.10), где остаточная кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию.

Изобретение относится к области техники СВЧ и лампа бегущей волны может быть использована в различной радиоэлектронной аппаратуре, в частности, предназначенной для многоцелевой радиолокации, для дальней тропосферной и космической связи, а также в современных средствах радиоэлектронного подавления информационных каналов систем управления оружием. Двухдиапазонная мощная ЛБВ содержит электронную пушку, создающую электронный пучок, две секции цепочек связанных резонаторов, связанные только по электронному пучку, ввод и вывод энергии в каждой секции, электрические или постоянные магниты и коллектор "отработавшего" электронного пучка. Секции имеют разные полосы пропускания и соответственно разные полосы усиливаемых частот и разные размеры. Между секциями расположена секция развязки с магнитами, которая устраняет модуляцию пучка, «приобретенную» в первой секции ЛБВ. Каждая секция имеет свои ввод и вывод энергии. 1 ил.

Двухдиапазонная лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, две секции замедляющей системы с фокусирующими устройствами и коллектор, отличающаяся тем, что секции замедляющей системы работают в разных диапазонах частот, каждая секция имеет ввод и вывод энергии, а между секциями расположена секция развязки.