ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2013 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к спиральным лампам бегущей волны (ЛБВ) О-типа.

Проблема повышения электронного КПД, снижения уровня второй гармоники и подавления самовозбуждения на обратной волне широкополосных спиральных ЛБВ актуальна до настоящего времени. Для обеспечения максимальной мгновенной рабочей полосы частот основные усилия приходится сосредоточивать на получении высокого КПД в верхней части рабочего диапазона, из-за чего внутренний диаметр замедляющей системы (ЗС) типа спираль необходимо выбирать минимально возможным. Вследствие этого на нижней частоте рабочего диапазона резко возрастает уровень второй гармоники, уменьшая при этом электронный КПД основного сигнала. Для расширения рабочей полосы частот и снижения уровня второй гармоники в спиральных ЛБВ применяются экраны с продольно проводящими ребрами, параллельными оси лампы, реализующими аномальную дисперсию [1]. Однако при этом снижается электронный КПД (за счет уменьшения сопротивление связи) и возрастает склонность к самовозбуждению на обратной волне.

Известны технические решения, позволяющие повысить электронный КПД, снизить уровень второй гармоники и подавить самовозбуждение на обратной волне посредством создания неоднородной по длине ЗС типа спираль, реализуемой изменением шага спирали.

Известны технические решения, когда применением участка ЗС с увеличенным шагом спирали подавляется генерация на обратной волне.

В US 3761760 (опубл. 25.09.1973) предлагается подавлять генерацию на обратной волне взаимодействием электронного пучка с быстрой волной пространственного заряда на участке с увеличенной фазовой скоростью волны, реализуемой путем увеличения шага ЗС типа спираль. Обратная волна, возбуждаемая на последующем участке с меньшим шагом, на котором реализуется медленная волна пространственного заряда, поступает в участок с быстрой волной и подавляется в нем за счет эффекта Компфнера [2]. Реализация такого технического решения влечет за собой увеличение длины выходной секции, которого удается избежать рекомендуемым в US 4378512 (опубл. 29.03.1983) выбором шагов секций.

Недостатком этих двух технических решений, как показано в [3], является отсутствие полного подавления генерации на обратной волне участка с медленной волной пространственного заряда предшествующим ему участком с быстрой волной при длине участка с медленной волной больше стартовой.

Известно техническое решение, в котором применяется скачок дисперсии в выходной секции за счет однократного скачкообразного увеличения зазора между ребрами и спиралью [4]; при этом одновременно с повышением устойчивости к самовозбуждению возрастает КПД за счет увеличения сопротивления связи.

Известно техническое решение, приводящее к возрастанию КПД [5] и снижению уровня второй гармоники за счет плавного увеличения фазовой скорости путем увеличения шага ЗС типа спираль на конечном участке пространства взаимодействия [6, 7].

Недостатком такого технического решения может являться приближение частоты самовозбуждения на обратной волне к рабочей полосе частот, так как с увеличением шага ЗС типа спираль частота самовозбуждения на обратной волне уменьшается и, следовательно, устойчивость спиральной ЛБВ к этому самовозбуждению при прочих равных условиях может снижаться.

Заявляемое техническое решение направлено на увеличение электронного КПД, уменьшение уровня второй гармоники и повышение устойчивости к самовозбуждению на обратной волне широкополосных ЛБВ с замедляющей системой типа спираль.

Технический результат в заявляемом техническом решении достигается тем, что широкополосная лампа бегущей волны (ЛБВ) содержит замедляющую систему (ЗС) типа спираль с определенным шагом h, выходную секцию с поглотителем и экраном, имеющим продольно проводящие ребра, параллельные оси лампы, при этом выходная секция вдоль оси лампы имеет участок длиной L_ув, на котором зазор g между ребрами экрана и спиралью увеличивается от g_мин до g_макс по направлению от начала к концу выходной секции, что позволяет увеличивать фазовую скорость волны постепенно по направлению к выводу энергии с одновременным увеличением сопротивления связи.

В общем случае каждая спиральная ЛБВ, содержащая экран с продольно проводящими ребрами, может иметь свои конструктивные особенности. Ребра могут отличаться формой и размерами, количество их также может быть разным; могут отличаться также формой и размерами диэлектрические опорные стержни, поддерживающие спираль (прямоугольные, круглые, трапецеидальные и т.п.). Диэлектрические опорные стержни могут крепиться в оболочке лампы как независимо от ребер, так и образовывая с ними металлокерамическую конструкцию (RU 2067335, опубл. 27.09.96), а ребра могут выполняться в виде металлического напыления на боковые поверхности диэлектрических стержней [8].

Зазор между ребрами и спиралью может увеличиваться плавно или ступенчато, причем не менее чем двумя скачками (ступеньками), что позволяет увеличить сопротивление связи, повысить электронный КПД, частоту самовозбуждения спиральной ЛБВ на обратной волне и устойчивость ЛБВ к такому самовозбуждению.

При этом на участке увеличения зазора между ребрами экрана и спиралью выходной секции может происходить изменение шага спирали h в большую или меньшую сторону или сохраняться его постоянство.

Изменяя шаг спирали h, можно получить оптимальное изменение фазовой скорости одновременно с максимальным увеличением сопротивления связи и тем самым достичь максимального КПД.

При этом длина участка L_ув, на котором зазор между ребрами экрана и спиралью увеличивается, удовлетворяет условию 0,2 L_ч≤L_ув≤L_ч,

где L_ув - длина участка выходной секции, на котором происходит увеличение зазора между ребрами экрана и спиралью;

L_ч - длина чистого (свободного от поглотителя) участка выходной секции, а максимальная величина зазора между ребрами экрана и спиралью удовлетворяет условию g_макс≥2g_мин.

Для проверки работоспособности заявляемой конструкции была рассчитана конструкция ЛБВ на основе серийно выпускаемого прибора, работающего в диапазоне частот 8-18 ГГц, в выходную секцию которого был введен участок с линейно увеличивающимся зазором. Этому участку, как и в [6, 7], предшествовало небольшое скачкообразное уменьшение шага ЗС. Далее шаг оставался постоянным.

На фиг.1а представлено схематичное изображение выходной секции спиральной ЛБВ.

Выходная секция ЛБВ (фиг.1а) содержит поглотитель (1), чистый (свободный от поглотителя) участок (2), на котором происходит небольшое скачкообразное уменьшение шага ЗС (3), а затем плавное или ступенчатое увеличение зазора между ребрами экрана и спиралью, начиная с сечения А-А (4) и заканчивая сечением Б-Б (5).

На фиг.1б представлено схематическое изображение спирали ЛБВ с постоянным или меняющимся в меньшую или большую сторону шагом на участке с увеличиваемым зазором.

ЗС типа спираль (фиг.1б) содержит участок с начальным шагом (6), с уменьшенным шагом (7) и с постоянным (8) или изменяющимся к концу (8а) и (8б) шагом. Участок (7) с меньшим шагом предназначен для увеличения электронного КПД и дополнительного повышения устойчивости к самовозбуждению.

На фиг.1в представлено схематическое изображение поперечного сечения экрана с продольными ребрами в начале участка с изменяемой величиной зазора между ребрами и спиралью (сечение А-А) и в конце него (сечение Б-Б), где зазор между ребрами и спиралью может быть увеличен вплоть до перехода к гладкому экрану без ребер.

Выходная секция спиральной ЛБВ содержит экран с продольно проводящими ребрами (фиг.1в), зазор между которыми и спиралью плавно или ступенчато увеличивается на участке длиной L_ув от начального значения g_мин (9) в начале него (сечение А-А) до увеличенного (10) или наиболее максимального, при полном отсутствии ребер (10а) g_макс в конце него (сечение Б-Б). Это приводит к увеличению фазовой скорости волны на данном участке (фиг.1г) при неизменном шаге спирали. Таким образом, фазовая скорость вначале остается постоянной (11), затем скачкообразно уменьшается (12) за счет уменьшения шага спирали, а затем плавно (13) или ступенчато (13а) увеличивается к концу участка ЗС за счет увеличения зазора между ребрами и спиралью. Как показали расчеты, увеличение зазора между ребрами экрана и спиралью на конечном участке выходной секции, приводящее к увеличению фазовой скорости, является эффективным средством снижения уровня второй гармоники, увеличения электронного КПД и стартовых токов самовозбуждения на обратной волне.

Длина участка с увеличиваемым зазором между ребрами экрана и спиралью удовлетворяет условию

0,2 L_ч≤L_ув≤L_ч,

где L_ув - длина участка, на котором происходит увеличение зазора между ребрами экрана и спиралью;

L_ч - полная длина чистого (свободного от поглотителя) участка выходной секции.

Максимальный зазор между ребрами экрана и спиралью удовлетворяет условию

g_макс≥2g_мин.

На фиг.1г приведено изменение фазовой скорости волны, отнесенной к скорости света, вдоль длины выходной секции спиральной ЛБВ на нижней частоте рабочего диапазона (f_н=8 ГГц).

На фиг.2а представлена рассчитанная зависимость частоты самовозбуждения выходной секции спиральной ЛБВ на минус первой пространственной гармонике (обратной волне) f_-1 от шага ЗС типа спираль.

На фиг.2б приведена рассчитанная зависимость частоты самовозбуждения f_-1 от зазора между ребрами экрана и спиралью, представленного в виде разности между текущим g и минимальным g_мин значениями зазора с нормировкой на g_мин.

Интервал изменения частоты (отмечен точками в конце кривых) соответствует полному отсутствию ребер у экрана в конце участка ЗС типа спираль (фиг.2б) и эквивалентному изменению шага ЗС, приводящему к такому же изменению фазовой скорости (фиг.2а). Видно, что с увеличением шага ЗС типа спираль частота самовозбуждения уменьшается на 0,4 ГГц, приближаясь к рабочей полосе частот и к частоте предыдущего участка, а с увеличением зазора между ребрами экрана и спиралью частота самовозбуждения, наоборот, возрастает на 1,1 ГГц, отодвигаясь от рабочей полосы частот и от частоты предыдущего участка.

Проведенные расчеты показали, что уровень второй гармоники на нижней частоте рабочего диапазона (f_н=8 ГГц) снизился на 6 дБ и составил -15 дБ вместо -9 дБ. При этом электронный КПД на верхней частоте (f_в=18 ГГц) повысился в 1,17 раза и составил 11,2% вместо 9,6%. Стартовый ток самовозбуждения на обратной волне за счет разнесения частот самовозбуждения участков с постоянной и изменяемой величиной зазора между ребрами и спиралью возрос в 1,15 раза.

Таким образом, плавное или ступенчатое увеличение зазора между ребрами и спиралью в конце выходной секции спиральной ЛБВ является эффективным средством уменьшения уровня второй гармоники, повышения электронного КПД и подавления самовозбуждения широкополосных спиральных ЛБВ на обратной волне. При этом возникает возможность (за счет роста стартового тока самовозбуждения) увеличения рабочего тока ЛБВ, что позволяет увеличить выходную мощность ЛБВ.

Источники информации

1. Демина Г.Р., Изюмова Т.И., Пчельников Ю.Н. Влияние экрана с анизотропной проводимостью на дисперсионные свойства и коэффициент связи спиральной замедляющей системы // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1967. Вып.9. С.41-49.

2. Kompfner R. On the operation of the traveling-wave tube at low level // J. Brit. IRE. 1950. Vol.10. No.7. P.283-289.

3. Ильина Е.М., Кудряшов В.П., Филатов В.А. Подавление генерации на обратной волне секцией быстрой волны пространственного заряда // Электронная техника. Сер. 1, Электроника СВЧ. 1993. Вып.3 (457). С.17-22.

4. Ильина Е.М., Кузьмин Ф.П., Морев С.П. Динамическая расфокусировка электронных потоков в мощных спиральных лампах бегущей волны с меняющимся по длине типом дисперсии // Радиотехника и электроника. 2006. Т.51, №7. С.870-878.

5. Gerchberg R.W., NIclas К.В. The positively tapered traveling-wave tube // IEEE Trans. Electron Devices. 1969. Vol.16. №9. P.827-828.

6. Jung S.S., Soukhov A.V., Jia В., Park G.S., and Вasu В.N. Efficiency enhancement and harmonic reduction of wideband helix traveling-wave tubes with positive phase velocity tapering // Jpn. J. Appl. Phys. Jun. 2002. Vol.41. Pt.1. No.6A. P.4007-4013.

7. Ghosh Т.К., Jakob А., Тоkeley A. et al. Optimization of helix pitch profile for broadband mini-TWTs // Dig. 9^th IEEE Intern. Vacuum Electron. Conf. (IVEC 2008). Monterey, California, USA. April 22-24, 2008. P.306-307.

8. Sinha A.K., and Basu B.N. Dispersion-Shaping in Helix Slow-Wave Structure Using Metal Fins // J. Institution Electronics and Telecommunication Engineers. India. July 1980. Vol.26. No.7. P.318-320.

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к лампам бегущей волны (ЛБВ). Техническим результатом является снижение уровня второй гармоники, повышение устойчивости к самовозбуждению на обратной волне и увеличение электронного КПД взаимодействия широкополосных ЛБВ со спиральной замедляющей системой (ЗС). Широкополосная ЛБВ содержит ЗС типа спираль, у которой выходная секция имеет экран с продольно проводящими металлическими ребрами, зазор между которыми и спиралью плавно или ступенчато (не менее чем дважды) увеличивается к концу ЗС. Длина участка ЗС с увеличивающимся зазором может составлять от 20 до 100% чистого (свободного от поглотителя) участка выходной секции ЗС. Максимальная величина зазора между ребрами экрана и спиралью может составлять не меньше удвоенного минимального значения зазора, соответствующего началу участка, и достигать величины, соответствующей отсутствию ребер. За счет увеличения зазора происходит увеличение фазовой скорости и сопротивления связи. Изменение этих величин по определенному закону вдоль длины ЗС типа спираль позволяет получить улучшенные характеристики ЛБВ. Одновременное изменение шага ЗС на участке с изменяющимся зазором позволяет дополнительно улучшить параметры ЛБВ. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Широкополосная лампа бегущей волны (ЛБВ), содержащая замедляющую систему (ЗС) типа спираль с определенным шагом h, выходную секцию с поглотителем и экраном, имеющим продольно проводящие ребра, параллельные оси лампы, отличающаяся тем, что выходная секция вдоль оси лампы имеет участок длиной L_ув, на котором зазор g между ребрами экрана и спиралью увеличивается плавно или ступенчато с не менее чем двумя скачками (ступеньками) от g_мин до g_макс по направлению от начала к концу выходной секции.

2. Широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что на участке увеличения зазора между ребрами экрана и спиралью выходной секции происходит изменение шага спирали h.

3. Широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что длина участка, на котором зазор между ребрами экрана и спиралью увеличивается, удовлетворяет условию
0,2 L_ч≤L_ув≤L_ч,
где L_ув - длина участка выходной секции, на котором происходит увеличение зазора между ребрами экрана и спиралью,
L_ч - длина чистого (свободного от поглотителя) участка выходной секции.

4. Широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что максимальная величина зазора между ребрами экрана и спиралью удовлетворяет условию g_макс≥2g_мин.