УСИЛИТЕЛЬНЫЙ СВЧ-ПРИБОР Российский патент 2010 года по МПК H01J25/34 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к усилительным приборам СВЧ типа лампы бегущей волны (ЛБВ), используемой в качестве генераторов, усилителей, переключателей тока и других устройств.

Одним из требований, предъявляемым к СВЧ приборам, в которых для усиления применяется резонаторная замедляющая система (ЗС), является обеспечение ее работы в максимально широкой полосе усиливаемых частот с высоким уровнем выходной мощности и усиления при постоянном входном сигнале и при заданном перепаде коэффициента усиления в рабочей полосе частот. Такие усилительные СВЧ приборы, обладая улучшенными эксплуатационными массогабаритными характеристиками, нашли широкое применение.

Известна широко применяющаяся на практике конструкция СВЧ прибора (ЛБВ) с многосекционной замедляющей структурой (ЗС) типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР), пространственно совмещенной с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), позволившая получить высокий уровень импульсной и средней выходной мощности (Мощные электровакуумные приборы СВЧ, под ред. Л.Клемпитта. М.: Мир, 1974, стр.20). Однако эта конструкция при высоких значениях коэффициента усиления имеет достаточно узкую (не более 3-5%) полосу усиливаемых частот.

Указанных недостатков лишена известная конструкция ЛБВ, в которой для расширения полосы усиливаемых частот при высоких коэффициентах усиления применена многосекционная ЗС типа ЦСР с усилением на крутых участках дисперсионных характеристик секций, расположенных вблизи низкочастотных границ полос пропускания. В этой конструкции, для получения локального максимума усиления вблизи коротковолновой границы рабочего диапазона, приводящего к расширению полосы усиливаемых частот на 1-2%, введена промежуточная секция, область частот максимального усиления которой расположена выше частоты коротковолновой части рабочего диапазона (см. Григоренко Л.П., Канавец В.И., Корешков Е.Н., Мозговой Ю.Д. Исследование усиления электромагнитных колебаний в многосекционной ЛБВ на связанных резонаторах. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1978. Вып.9, стр.27-40).

Однако получающийся вследствие применения такой конструкции провал в центре рабочего диапазона не позволяет получить максимальную полосу усиливаемых частот при минимальном перепаде выходной мощности в рабочем диапазоне. На практике наибольшая полоса усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, коэффициенте усиления свыше 45 дБ и перепаде выходной мощности не более 1,5-2 дБ не превышает 6%.

Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является усилительный СВЧ прибор, содержащий электронно-оптическую систему, входную, выходную и две промежуточных секции электродинамической системы резонаторного типа (RU №73785). При этом все секции имеют одинаковый тип резонаторной замедляющей системы, входная секция настроена на частоту, расположенную между частотой длинноволновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот, выходная секция настроена на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, одна из промежуточных секций настроена на коротковолновую границу полосы усиливаемых частот, а другая промежуточная секция настроена на частоту, расположенную между частотой коротковолновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот.

Недостаток этой конструкции связан с тем, что, из-за применения двух промежуточных секций, максимальная ширина полосы усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, коэффициенте усиления свыше 45 дБ и перепаде выходной мощности не более 1,0 дБ не превышает 9,5%.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, сохранении высокого коэффициента усиления и малого перепада выходной мощности (не более 1,0-3,0 дБ).

Технический результат использования изобретения заключается в обеспечении возможности выбора структуры дополнительных промежуточных секций и порядка настроек секций на частоты рабочей полосы диапазона в зависимости от вида требуемой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Поставленная задача решается таким образом, что в усилительном СВЧ приборе, содержащем электронно-оптическую систему, входную, выходную и промежуточные секции замедляющей системы резонаторного типа, введено N дополнительных промежуточных секций замедляющей системы резонаторного типа, причем все секции имеют одинаковый тип резонаторной замедляющей системы, выходная секция настроена на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, а частоты f_π ⁱ низкочастотных границ полос пропускания остальных секций, расположенные в порядке возрастания (1<i<N+1), и изменение частоты Δ, обусловленное заданным перепадом коэффициента усиления прибора в рабочей полосе, выбираются из условий

(F_c ⁱ-Δ)/f₀<f_π ⁱ<(F_c ⁱ+Δ)/f₀,

0,005<Δ/f₀<0,012;

где F_c ⁱ - частоты, соответствующие корням полинома Чебышева N+2-го порядка, аппроксимирующего амплитудно-частотную характеристику прибора, f₀ - частота длинноволновой границы рабочей полосы усиливаемых частот.

На фиг.1 схематически изображен усилительный СВЧ прибор (ЛБВ) заявленной конструкции. На фиг.2 представлены расчетные (1) и экспериментальные (3) зависимости выходной мощности Р_вых/Р_о и коэффициента усиления G, входной мощности Р_вх/Р^о _вх (2), от частоты (Р^о _вх, Р_о - нормировочные значения входной и выходной мощности соответственно) для трехсекционного варианта исполнения усилительных СВЧ приборов с током 1=4.0 А, потенциалом ЗС U=25000 В и расчетная зависимость выходной мощности Р_вых/Р_о и усиления G от частоты (4) для четырехсекционного варианта исполнения усилительных СВЧ с теми же электрическими параметрами. На фиг.3 представлена зависимость относительной отстройки частоты Δ/f₀ от заданного перепада коэффициента усиления прибора В в рабочей полосе.

Усилительный СВЧ прибор содержит электронно-оптическую систему 1, ввод ВЧ-энергии 2, входную 3, промежуточные 4-5 и выходную 6 широкополосные секции электродинамической системы резонаторного типа. Прибор содержит также вывод ВЧ-энергии 7, коллектор 8.

СВЧ прибор работает следующим образом. При установленных потенциалах на электродах прибора к входной секции замедляющей системы подводят входной СВЧ сигнал. При этом выходная секция настроена на частоту, соответствующую длинноволновой границе полосы усиливаемых частот, а входная и промежуточные секции расставлены в порядке возрастания частот, которые выбираются из условия (F_c ⁱ-Δ)/f₀<f_π ⁱ<(F_c ⁱ+Δ)/f₀, где F_c ⁱ - частоты, соответствующие корням полинома Чебышева N+2-го порядка, аппроксимирующего амплитудно-частотную характеристику прибора (1<i<N+1); a Δ/f₀ - относительная отстройка частоты найдена на основании цикла расчетных и экспериментальных исследований и при изменении перепада коэффициента в рабочей полосе находится в интервале 0,005<Δ/f₀<0,012.

Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных результатов (фиг.2) показывает, что предложенная конструкция усилительного СВЧ прибора обеспечивает существенно большую ширину полосы усиливаемых частот по сравнению с шириной полосы усиливаемых частот обычной ЛБВ с трех- или четырехсекционной структурой электродинамической системы (фиг.2). Экспериментальные результаты измерений выходных характеристик в обычной трехсекционной ЛБВ, представленные на фиг.2, показывают, что относительная ширина полосы усиливаемых частот при перепаде выходной мощности 1,0 дБ не превосходит 7,1%, а относительная ширина полосы усиливаемых частот для ЛБВ заявленной конструкции с такими же электрическими параметрами существенно выше и составляет 10,1% при том же перепаде выходной мощности. Таким образом, предлагаемые настройки секций обеспечивают увеличение полосы усиливаемых частот в широком диапазоне изменений электродинамических характеристик ЗС при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности.

Конкретные настройки частот входной, выходной и N промежуточных секций определяются на основании расчета или эксперимента из условия обеспечения требуемых ширины полосы усиливаемых частот и перепада коэффициента усиления в этой полосе частот при заданных электродинамических характеристиках ЗС ЛБВ.

Практическое изготовление усилительного СВЧ прибора предлагаемой конструкции не требует дополнительных технологических операций и выполняется на стандартном металлообрабатывающем оборудовании, что облегчает промышленную применимость.

Анализ конструкций аналогов и прототипа заявляемого устройства показывает, что признаки, связанные с конкретизацией количества секций с одинаковым резонаторным типом замедляющей системы, а также признаки, связанные с частотной настройкой секций относительно низкочастотного и высокочастотного краев рабочей полосы усиливаемых частот, вызванный этим положительный эффект расширения полосы усиливаемых частот при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности, не известны.

Применение конструкции усилительного СВЧ прибора в соответствии с предложенной формулой изобретения позволило расширить полосу усиливаемых частот в 1,5-2,0 раза при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности.

Таким образом, предлагаемая конструкция усилительного СВЧ прибора обладает следующими преимуществами:

расширение полосы усиливаемых частот (свыше 10%) при постоянном входном сигнале, высоком коэффициенте усиления (свыше 45 дБ) и незначительном перепаде выходной мощности в рабочем диапазоне частот (не более 1,0-3,0 дБ).

Область использования: электровакуумные приборы СВЧ, в частности устройство лампы бегущей волны (ЛБВ) O-типа с замедляющей системой резонаторного типа. Сущность изобретения: усилительный СВЧ прибор содержит электронно-оптическую систему, входную, выходную и N промежуточных секций с одинаковым резонаторным типом замедляющей системы. Каждая из секций настроена на частоту, которая изменяется по определенному закону относительно границ полосы усиливаемых частот. Техническим результатом является расширение полосы усиливаемых частот при постоянном входном сигнале и сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности. 3 ил.

Усилительный СВЧ-прибор, содержащий электронно-оптическую систему, входную, выходную и промежуточную секции замедляющей системы резонаторного типа, отличающийся тем, что введено N дополнительных промежуточных секций замедляющей системы резонаторного типа, причем все секции имеют одинаковый тип резонаторной замедляющей системы, выходная секция настроена на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, а частоты f_π ⁱ низкочастотных границ полос пропускания остальных секций, расположенные в порядке возрастания (1<i<N+1), и изменение частоты Δ, обусловленное заданным перепадом коэффициента усиления прибора в рабочей полосе, выбираются из условий
(F_c ⁱ-Δ)/f₀<f_π ⁱ<(F_c ⁱ+Δ)/f₀,
0,005<Δ/f₀<0,012,
где F_c ⁱ - частоты, соответствующие корням полинома Чебышева N+2-го порядка, аппроксимирующего амплитудно-частотную характеристику прибора;
f₀ - частота длинноволновой границы рабочей полосы усиливаемых частот.