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

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 (РЭП) информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ колебаний большой мощности (свыше 100 ватт).

Вакуумные усилители мощности, работающие в дециметровом диапазоне длин волн, широко используются в выходных усилителя мощности бортовых радиолокационных станций. В бортовом оборудовании наряду с техническими характеристиками большую роль играют и массогабаритные характеристики. По этой причине в последнее время большое развитие получило исследование и проектирование перспективных замедляющих систем.

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 децибел 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 киловатта и более) приходится переходить к резонаторным замедляющим системам, которые при использовании в ЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот (обычно не более 10% относительно средней частоты диапазона).

В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяются замедляющие системы в виде цепочек резонаторов с индуктивной связью, выполненных в виде диафрагмированного круглого волновода, а также замедляющие системы типа «встречные штыри», широко используемые в изделиях ФГУ «НПП «Исток».

Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки, состоящие из предварительного усилителя (на основе ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ (то есть без поглотителей СВЧ мощности) с небольшим коэффициентом усиления (7-15 децибел). В «прозрачной» ЛБВ также наиболее часто используют резонаторные замедляющие системы.

Повышение мощности, уменьшение массогабаритных характеристик, расширение рабочей полосы частот при продвижении мощных СВЧ приборов в дециметровый диапазон длин волн к ЛБВ является чрезвычайно актуальной задачей, и на ее решение было потрачено немало усилий отечественных и зарубежных специалистов. Одним из возможных решений является использование замедляющей структуры типа «встречные штыри». Использование замедляющей системы типа «встречные штыри», работающей на волне Н_11, позволяет существенно уменьшить поперечные размеры замедляющей структуры. Оценки размеров такой замедляющей системы для так называемой "-1"-ой рабочей гармоники и длин волн 18-40 см дают величины диаметров 50-110 мм и значения периодов от 30 до 70 мм.

Для сравнения диаметры замедляющей системы с индуктивными щелями связи для этого диапазона длин волн будут примерно в два раза больше.

Уменьшение поперечных размеров замедляющей системы дает также реальную возможность для создания фокусирующего поля использовать постоянные магниты.

Для ЛБВ с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов задача получения рабочей полосы частот, превышающей 10%, то есть обеспечение хорошего согласования замедляющей системы с передающими линиями (коэффициент стоячей волны по напряжению ≤1.5) является одной из самых актуальных. Чрезвычайно сложно получить хорошее согласование замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе ее пропускания, особенно на ее границах. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах полосы пропускания. При этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители (например, из керамики марок КТ-30, АН-35Ж, ПМК, АН-МКХ), которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера).

Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов. Электронный поток создается электронной пушкой. В замедляющей системе кинетическая энергия электронов преобразуется в СВЧ энергию. Пройдя через замедляющую систему, "отработавший" электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с коаксиальными или волноводными СВЧ трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящей из электромагнитов или ряда постоянных магнитов.

Мощные ЛБВ с замедляющей структурой типа «встречные штыри» описаны в патентах 2290714, 2250529, 2378793. ЛБВ, приведенная в патенте 2378793, может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему типа встречные штыри, состоящую из цепочки связанных резонаторов, резонаторы ввода и вывода энергии, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ коаксиальных трактов, фокусирующую систему в виде магнитной периодической фокусирующей системы МПФС и коллектор, охлаждаемый водой. Как следует из текста описания изобретения и фиг.3, заявлена «прозрачная» ЛБВ, в которой в полосе порядка 10% получена расчетная величина мощности от 6 до 8 кВт. На фиг.1, приведенной в описании изобретения, показана ЛБВ, в которой внутренний проводник коаксиала СВЧ трактов электрически связан с пролетными трубками резонаторов ввода и вывода энергии. Резонаторы ввода и вывода энергии можно рассматривать как коаксиально-волноводные переходы. Диаметр коаксиально-волноводного перехода равен диаметру замедляющей системы. Электрическая связь внутреннего проводника коаксиала с пролетной трубкой ограничивает возможную полосу согласования замедляющей системы с коаксиальным трактом. А равенство диаметров коаксиально волноводного перехода и замедляющей структуры приближает критическую длину волны коаксиально волноводного перехода к полосе пропускания замедляющей структуры, что ухудшает согласование замедляющей системы вблизи длинноволновой границы пропускания.

Раскрытие изобретения

Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы мощной ЛБВ в дециметровом диапазоне длин волн с передающими линиями во всей полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10% (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны по напряжению КСВн≤1.5).

Указанная проблема решается следующим образом. Мощная лампа бегущей волны содержит электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», работающего на волне типа Н₁₁, с пролетными трубками, каждая из которых закреплена на цилиндрической поверхности резонатора с помощью одной штанги, магнитную систему в виде постоянных магнитов, резонаторы ввода и вывода энергии, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ коаксиальных трактов и коллектор. Электронный поток создается электронной пушкой. Проходя через замедляющую систему, пучок передает часть кинетической энергии электромагнитному полю, сам при этом частично тормозится и попадает в коллектор. Входной и выходной резонаторы, отделенные от коаксиальных СВЧ трактов герметизирующими диэлектрическими перегородками, служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), состоящей из ряда постоянных магнитов и штанг с магнитоактивным материалом.

Замедляющая система состоит из связанных ячеек (периодов), каждый из которых содержит отрезок цилиндра и пролетную трубку. Пролетная трубка закреплена на отрезке цилиндра с помощью одной штанги. Штанги соседних ячеек могут быть повернуты между собой на некоторый угол, а штанги, расположенные через ячейку, находятся в одной плоскости. Величина угла поворота подбирается расчетным или экспериментальным путем и определяет полосу пропускания замедляющей системы. Размеры, форма и материал штанги выбираются, исходя из требуемых величин магнитного периода, значения амплитуды магнитного поля на оси, а также конструктивных и технологических соображений.

Если связь входного и выходного резонаторов с коаксиальным трактом сделать емкостной (сделать зазор между пролетной трубкой и внутренним проводником коаксиала), а диаметр этих резонаторов увеличить по отношению к диаметру замедляющей системы таким образом, чтобы критическая длина волны коаксиально-волноводного перехода (входного и выходного резонаторов) равнялась критической длине волны прямоугольного волновода, работающего в том же диапазоне длин волн, то, во-первых, согласование можно производить, регулируя емкостной зазор между пролетной трубкой и внутренним проводником коаксиального тракта и, во-вторых, устраняется влияние близкого расположения критической длины волны на согласование в области длинных волн. Величина емкостного зазора зависит от полосы согласования замедляющей системы и подбирается расчетным или экспериментальным путем. Как следствие этого значительно упрощается задача получения хорошего согласования (КСВн≤1,5) в полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10%.

Используя в ЛБВ дециметрового диапазона длин волн замедляющую систему типа «встречные штыри» с измененными входным и выходным резонаторами можно не только использовать МПФС на постоянных магнитах, что существенно улучшает массогабаритные характеристики и снижает энергопотребление ЛБВ дециметрового диапазона длин волн, но и увеличить рабочую полосу частот существенно больше 10%.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Лампа бегущей волны, в которой в качестве замедляющей системы использована замедляющая структура типа «встречные штыри».

Фиг.2. Расчетная зависимость выходной мощности от частоты для мощной «прозрачной» ЛБВ с замедляющей системой типа «встречные штыри» и МПФС на постоянных магнитах.

Осуществление изобретения

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

- электронную пушку 1;

- замедляющую систему типа «встречные штыри» 2;

- магнитную систему 3;

- коллектор 4;

- входной резонатор 5;

- коаксиальный ввод энергии 6;

- выходной резонатор 7;

- коаксиальный вывод энергии 8;

- входное герметизирующее окно 9;

- выходное герметизирующее окно 10.

Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1), распространяется вдоль замедляющей системы (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами (поз.3). Электронный поток в процессе взаимодействия модулируется по скорости, что приводит к его модуляции по плотности. Благодаря длительному взаимодействию электромагнитного поля и электронного потока при их синхронном движении от входа замедляющей системы к выходу, растет мощность электромагнитной волны, а кинетическая энергия электронов уменьшается. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ сигнала, подаваемого во входной резонатор (поз.5) со стороны коаксиального ввода энергии (поз.6). Вывод усиленного СВЧ сигнала осуществляется из выходного резонатора (поз.7) через коаксиальный вывод энергии (поз.8). Замедляющая система отделяется от СВЧ трактов с помощью герметизирующих диэлектрических перегородок (поз.9, 10). "Отработавший" электронный поток попадает в коллектор (поз.4), где остаточная кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию.

На фиг.2 показана расчетная зависимость выходной мощности от частоты для мощной «прозрачной» ЛБВ с замедляющей системой типа «встречные штыри» и МПФС на постоянных магнитах. Рабочий диапазон длин волн: 18-21 см (рабочая полоса длин волн относительно средней длины волны рабочего диапазона ~15,4%). Ускоряющее напряжение - 19 киловольт, ток пучка - 2,5 ампера, амплитуда магнитного поля на оси ~1000 гаусс, мощность входного сигнала ~200 ватт.

Результаты расчетов подтверждают работоспособность предложенной конструкции.

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампа бегущей волны (ЛБВ) дециметрового диапазона длин волн содержит электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», состоящую из связанных между собой ячеек, диэлектрические герметизирующие перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде цепочки постоянных магнитов и коллектор. Между пролетными трубками входного и выходного резонаторов замедляющей системы и внутренними проводниками коаксиальных трактов имеются емкостные зазоры, а входной и выходной резонаторы имеют диаметр больше диаметра замедляющей системы. Технический результат - снижение энергопотребления ЛБВ и увеличение рабочей полосы частот. 2 ил.

Лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде цепочки постоянных магнитов и коллектор, отличающаяся тем, что между пролетными трубками входного и выходного резонаторов и внутренними проводниками коаксиальных трактов имеются емкостные зазоры, а диаметры этих резонаторов увеличены по отношению к диаметру замедляющей системы таким образом, чтобы критическая длина волны входного и выходного резонаторов равнялась критической длине волны прямоугольного волновода, работающего в том же диапазоне длин волн.