МУЛЬТИПОЛЬНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ СВЧ Российский патент 2010 года по МПК H01J25/49 

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ-приборам с поперечно-протяженным взаимодействием и может быть использовано также в радиолокационной технике и аппаратуре связи.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является умножитель частоты на основе двухрезонаторного клистрона. Возможность эффективного умножения частоты в таком приборе обусловлена наличием большого числа высших гармоник тока в выходном резонаторе [Электронные приборы СВЧ: Учебное пособие для вузов / Березин В.М., Буряк B.C., Гутцайт Э.М., Марин В.П. - М.: Высшая школа, 1985, с.50-51]. Недостатком известного умножителя является низкий электронный КПД преобразования (единицы процентов), поскольку по мере увеличения кратности умножения частоты, т.е. с ростом номера гармоники, сужается интервал приемлемых значений параметра группирования электронов.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание высокоэффективного мультипольного умножителя СВЧ с длительным взаимодействием широкого пучка заряженных частиц с поперечно-протяженным электромагнитным полем, непрерывным отбором энергии и высоким коэффициентом преобразования частоты.

Решение технической задачи достигается тем, что мультипольный умножитель СВЧ содержит экранированную от магнитного поля электронную пушку, входной резонатор, соединенный с источником сигнала, выходной резонатор, соединенный с нагрузкой, и коллектор. Согласно предложенному изобретению каждый резонатор представляет собой сверхвысокочастотную мультипольную линзу с, по меньшей мере, четырьмя электродами, каждый из которых выполнен в виде резонансного отрезка замедляющей системы, причем число пар электродов выходного резонатора выполняется равным кратности умножения частоты источника сигнала. Кроме того, электроды резонаторной системы выполнены в виде резонансных отрезков круглых металлических стержней с, по меньшей мере, шестью симметрично расположенными продольными канавками, ширина которых равна их глубине и равна четверти замедленной длины волны.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение длительного взаимодействия широкого пучка заряженных частиц с поперечно-протяженным электромагнитным полем, непрерывным отбором энергии и высоким коэффициентом преобразования частоты, что позволяет создать высокоэффективный мультипольный умножитель СВЧ.

Предлагаемый мультипольный умножитель СВЧ иллюстрируется блок-схемой (фиг.1), а также чертежами поперечных сечений квадрупольного входного резонатора (фиг.2) и выходного резонатора, выполненного в виде октуполя (фиг.3).

Конструкция малошумящего мультипольного СВЧ-усилителя (фиг.1) содержит экранированную от магнитного поля электронную пушку 1, входной резонатор 2, соединенный с источником сигнала 3, выходной резонатор 4, соединенный с нагрузкой 5, и коллектор 6.

Работа мультипольного умножителя СВЧ в режиме, например, четырехкратного увеличения частоты, осуществляется следующим образом. Экранированная от магнитного поля электронная пушка 1 создает поток электронов, который, попадая в магнитное поле с индукцией B₀, возбуждается во входном квадрупольном резонаторе 2 с помощью источника сигнала 3 на быстрой циклотронной волне с частотой f, приближенно равной частоте сигнала f_c. Октупольный выходной резонатор, настроенный на частоту 4f_c, соединяется с нагрузкой 5. Возбужденный поток электронов наводит в октуполе электрическое поле. Согласно правилу Ленца, это поле направлено таким образом, что электроны потока тормозятся и отдают полю свою энергию. Электроны вращаются в неблагоприятной фазе, причем за время одного оборота 1/f_c наведенное поле четырежды меняет свой знак, то есть имеет частоту 4f_c. Мощность, поступающая в нагрузку 5, обусловлена соответствующим уменьшением радиуса вращения электронного пучка. Необходимо отметить, что входная мощность частоты f имеет значительно большую величину по сравнению с прототипом - мультипольным усилителем СВЧ, что и обеспечивает высокоэффективное умножение частоты.

При использовании мультипольных структур с числом электродов 2n, можно аналогично осуществить умножение частоты в n раз. Так, используя выходной резонатор с десятью электродами, можно получить частоту 5f_c.

Возможность достижения поставленной цели подтверждается теоретическим анализом потерь преобразования частоты, характеризующим эффективность работы умножителя. Потери преобразования определяются по формуле L_пр=101g(1/K_пр), где K_пр=Р_{вых_п}/Р_вх - коэффициент преобразования входного Р_вх(n=1) сигнала в выходной Р_{вых_п} сигнал n-кратной частоты. Чем меньше потери преобразования, тем выше коэффициент преобразования и качество умножителя. В предлагаемом мультипольном умножителе СВЧ при малых значениях n (n<10) процесс умножения частоты сопровождается некоторым усилением входного сигнала. В этом случае потери преобразования отрицательны, а коэффициент преобразования больше единицы Р_{вых_п}>Р_вх. При этом КПД преобразования частоты, определяемый по формуле η=Р_{вых_п}/(P₀+Р_вх),где P₀ - мощность электронного потока, составит десятки процентов.

Достоинством предложенного изобретения является возможность обеспечения длительного взаимодействия широкого пучка заряженных частиц с поперечно-протяженным электромагнитным полем, непрерывным отбором энергии и высоким коэффициентом преобразования частоты, что позволяет создать высокоэффективное умножение сверхвысоких частот.

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ-приборам с поперечно-протяженным взаимодействием и может быть использовано также в радиолокационной технике и аппаратуре связи. Сущность изобретения заключается в том, что мультипольный умножитель СВЧ содержит экранированную от магнитного поля электронную пушку, входной резонатор, соединенный с источником сигнала, выходной резонатор, соединенный с нагрузкой, и коллектор. Согласно предложенному изобретению каждый резонатор представляет собой сверхвысокочастотную мультипольную линзу с, по меньшей мере, четырьмя электродами, каждый из которых выполнен в виде резонансного отрезка замедляющей системы, причем число пар электродов выходного резонатора выполняется равным кратности умножения частоты источника сигнала. Кроме того, электроды резонаторной системы выполнены в виде резонансных отрезков круглых металлических стержней с, по меньшей мере, шестью симметрично расположенными продольными канавками, ширина которых равна их глубине и равна четверти замедленной длины волны. Технический результат - возможность обеспечения длительного взаимодействия широкого пучка заряженных частиц с поперечно-протяженным электромагнитным полем, непрерывным отбором энергии и высоким коэффициентом преобразования частоты, что позволяет создавать высокоэффективное умножение сверхвысоких частот. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Мультипольный умножитель СВЧ, содержащий экранированную от магнитного поля электронную пушку, входной резонатор, соединенный с источником сигнала, выходной резонатор, соединенный с нагрузкой, и коллектор, отличающийся тем, что каждый из резонаторов выполнен в виде сверхвысокочастотной мультипольной линзы с, по меньшей мере, четырьмя электродами, каждый из которых выполнен в виде резонансного отрезка замедляющей системы, причем число пар электродов выходного резонатора равно кратности умножения частоты источника сигнала.

2. Мультипольный умножитель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что электроды резонаторной системы выполнены в виде резонансных отрезков круглых металлических стержней с, по меньшей мере, шестью симметрично расположенными продольными канавками, ширина которых равна их глубине и равна четверти замедленной длины волны.