СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА Российский патент 2012 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) и высокочастотной (ВЧ) электронике и может быть использовано в локации, ВЧ-связи, науке, бытовой технике для генерации электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн.

Известен микроволновый генератор на основе виртуального катода [патент US №4150340, МПК H01J 25/74; Н03В 9/01, опубл. 17.04.1979], который включает в себя источник высоковольтных импульсов и генератор, выполненный в виде отражательного триода, вырабатывающего мощные импульсы высокочастотного излучения. Все основные элементы отражательного триода размещены внутри его корпуса, представляющего собой вакуумную камеру, в которую от источника высоковольтных импульсов импульсы высокого напряжения поступают через высоковольтный ввод (на фигурах не показан) и через анододержатель на анод. Параллельно аноду в корпусе с помощью катододержателя укреплен катод. Анод сделан из материала, который прозрачен для электронов с заданной энергией, что позволяет электронам, излучаемым катодом, колебаться, пересекая анод. Электроны, колеблющиеся в фазе, двигаются в потенциальной яме и испускают поток СВЧ-излучения. Анод изготавливают из токопроводящей сетки или тонкой пленки аллюминизированного МАЙЛАРа, а катод из углерода.

Основным недостатком этого устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД) преобразования энергии импульсов высокого напряжения в энергию импульсов генерируемого излучения. Это связано с тем, что хотя в п.4 формулы рассматриваемого изобретения для поддержания вакуума и обеспечения низкой индуктивности подвода потенциала предусмотрено электроды помещать в камеру для поддержания вакуума и обеспечения низкой индуктивности подвода потенциала, однако реальная индуктивность генератора велика и оценивается в несколько сотен наногенри.

Частично этот недостаток устранен во втором аналоге, который представляет собой отражательный триод на основе виртуального катода [патент RU №2134920, МПК H01J 25/68, опубл. 20.08.1999), который содержит источник питания, вакуумную камеру, внутри которой аксиально размещены катодный электрод и анодный электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода с зазором, канал вывода излучения с окном, причем анодный электрод дополнен электрически связанным с ним полым проводящим цилиндром, размещенным на диафрагме соосно с катодом, охватывая его с зазором.

Основным недостатком этого устройства является также низкий КПД генерируемого излучения, так как ожидаемое его увеличение по сравнению с КПД описанного выше первого аналога составляет примерно 20%.

Аналогичным второму аналогу по КПД является выбранный за прототип сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода [патент RU №2321098, МПК H01J 25/68, H01J 25/02, опубл. 27.03.2008, бюл. №9], который является наиболее близким к предложенному генератору по конструктивным особенностям. Этот известный генератор включает в себя вакуумированную систему, состоящую из корпуса с установленными в нем и подключенными к внешнему источнику питания катодом и анодной сеткой, образующими диодное пространство, за которым следует секция формирования виртуального катода со средством вывода излучения, причем в диодном пространстве до анодной сетки установлена полая диэлектрическая вставка, имеющая контакт с сеткой. Вакуумирование осуществляют до давления остаточного газа не более 10^-4 торр.

Основным недостатком этого генератора является сравнительно низкий КПД генерируемого излучения.

Техническим результатом предложенного решения является достижение КПД генерируемого излучения не менее 50% за счет снижения индуктивности работающего генератора на два порядка: с 200-300 нГн до нескольких нГн.

Указанный технический результат достигается тем, что в сверхвысокочастотном генераторе на основе виртуального катода, включающем вакуумированную систему, состоящую из выполненного с окном связи корпусом, в котором установлены электрически соединенный с корпусом катод и подключенная к внешнему источнику питания анодная сетка, за которой расположена область формирования виртуального катода, согласно предложенному решению перед анодной сеткой установлен конденсаторный изолятор, контактирующий своей наружной стороной с внутренней поверхностью корпуса, а внутренней стороной с наружной поверхностью конденсаторной обкладки, установленной внутри конденсаторного изолятора и электрически соединенной с анодной сеткой.

Целесообразно конденсаторную обкладку выполнять в виде нанесенного на внутреннюю поверхность конденсаторного изолятора токопроводящего слоя.

Основная идея предложенного технического решения заключается в том, что анод и катод размещают в той части вакуумированного корпуса, где возбужденное собственное колебание корпуса, как резонатора, имеет наибольшую амплитуду по сравнению с амплитудой в других частях корпуса. При этом эмитирующая поверхность катода и плоскость анода перпендикулярны электрической компоненте этого собственного колебания; электрическое поле, созданное внешним источником питания в анод-катодном промежутке, параллельно электрическому полю высокочастотного колебания, а суммарное электрическое поле осциллирует с частотой возбужденных собственных колебаний корпуса, изменяя эмиссию электронов из катода вплоть до полного ее запирания. Чтобы стали возможными быстрые изменения тока, в непосредственной близости от катода и анода размещают малоиндуктивный конденсатор, обкладки которого подключают к катоду и аноду. Функцию заземленной обкладки выполняет корпус, а потенциальный электрод (внутреннюю конденсаторную обкладку) отделяют от корпуса изолятором. В результате возникает участок цепи, параллельный анод-катодному промежутку, что исключает влияние индуктивности цепи источника питания. Когда эмиссия заперта, ток цепи источника питания частично заряжает конденсатор; при возобновлении эмиссии конденсатор частично разряжается, и ток разряда, складываясь с током цепи, создает ток эмиссии. Это вызывает глубокую модуляцию электронного пучка. Известно, что эффективное преобразование энергии происходит, если электронный пучок предварительно модулирован на частоте излучения (Лебедев И.В., Техника и приборы СВЧ, Москва, Энергия, 1964, т.2, с.459). Вывод высокочастотного излучения из генератора осуществляют любым известным способом: петлей, штырем или через окно связи.

Пример конкретного выполнения предложенного генератора проиллюстрирован двумя рисунками. На фиг.1 приведен продольный разрез генератора, а на фиг.2 представлено его поперечное сечение. Генератор содержит внешний источник питания 1 и вакуумированную систему, внешним элементом которой является выполненный с окном связи 2 корпус, имеющий форму полого цилиндра 3, закрытого торцевыми крышками 4. На одной из крышек 4 внутри цилиндра 3 с помощью токопроводящего катододержателя 5 укреплен катод 6. Внутри цилиндра 3 установлен конденсаторный изолятор 7, контактирующий с внутренней поверхностью цилиндра. Центр катода 6 расположен на осевой линии цилиндра 3. Конденсаторный изолятор 7, выполненный из высокочастотной керамики, контактирует внутренней стороной с наружной поверхностью внутренней конденсаторной обкладки 8, установленной внутри конденсаторного изолятора 7 и электрически соединенной с анодной сеткой 9, жестко установленной с помощью кольцевого анододержателя 10 параллельно эмитирующей поверхности катода 6. Диаметр анодной сетки 9 выбирают больше диаметра эмитирующей поверхности катода 6. Катододержатель 5 служит также для регулирования зазора между катодом 6 и анодной сеткой 9, за которой формируется виртуальный катод 11. Кольцевой анододержатель 10 электрически соединен с внешним источником питания 1 проводником 12, который пропущен внутрь цилиндра 3 через изолятор токоввода 13. Окно связи 2 предназначено для вывода СВЧ энергии из вакуумированной системы. Корпус вакуумированной системы, конденсаторный изолятор 7 и конденсаторная обкладка 8 могут иметь в поперечном сечении также квадратную, прямоугольную, эллиптическую или другую форму. Внутренняя конденсаторная обкладка 8 может быть выполнена любым известным способом, в том числе в виде нанесенного на внутреннюю поверхность конденсаторного изолятора 7 токопроводящего слоя. В системе установлено разрежение не выше 10^-4 торр. Источник питания генерирует импульсное, периодическое или постоянное напряжение положительной полярности.

Генератор работает следующим образом. При подаче положительного напряжения от внешнего источника питания 1 на анодную сетку 9 создается электронный пучок, эмитируемый катодом 6. Электроны пересекают анодную сетку 9, формируют за ней виртуальный катод 11, продолжая колебаться между виртуальным катодом 11 и катодом 6, возбуждая высокочастотные электромагнитные колебания. Излучение выводится через окно связи 2.

В приведенном примере конкретного выполнения основные параметры генератора, подаваемого на него напряжения, длины волны излучения и КПД следующие:

внутренний диаметр цилиндра, см 10 анод-катодный зазор, мм 5÷10 диаметр катода, мм 20 подаваемое напряжение, кВ 1÷5 длина волны излучения, см 10÷12

Коэффициент полезного действия - не менее 50%, что выше, чем в существующих конструкциях в 2 раза и более.

Сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода предназначен для генерации электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн и может быть использован в локации, в области высокочастотной связи, в науке, в бытовой технике. Он состоит из внешнего источника питания (1) и вакуумированной системы, содержащей выполненный в виде полого цилиндра (3) или другой формы корпус, герметически закрытый торцевыми крышками (4), на одной из которых установлен катод (6). Параллельно его эмитирующей поверхности с зазором относительно него с помощью анододержателя (10) укреплена анодная сетка (9), на которую при работе генератора подают положительное напряжение от внешнего источника питания (1), в результате чего создается электронный пучок. Излучение выводится из вакуумной системы через окно связи (2). Перед анодной сеткой (9) установлен конденсаторный изолятор (7), контактирующий наружной стороной с внутренней поверхностью корпуса, а внутренней с конденсаторной обкладкой (8), электрически соединенной с анодной сеткой (9), при этом корпус выполняет роль другой конденсаторной обкладки. Технический результат - увеличение коэффициента полезного действия генератора за счет многократного снижения его рабочей индуктивности 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода, включающий вакуумированную систему, состоящую из выполненного с окном связи корпуса, в котором установлены электрически соединенный с корпусом катод и подключенная к внешнему источнику питания анодная сетка, за которой расположена область формирования виртуального катода, отличающийся тем, что перед анодной сеткой установлен конденсаторный изолятор, контактирующий своей наружной стороной с внутренней поверхностью корпуса, а внутренней стороной - с наружной поверхностью конденсаторной обкладки, установленной внутри конденсаторного изолятора и электрически соединенной с анодной сеткой.

2. Сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода по п.1, отличающийся тем, что конденсаторная обкладка выполнена в виде нанесенного на внутреннюю поверхность конденсаторного изолятора токопроводящего слоя.