ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ПРИБОР СВЧ Российский патент 2016 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электровакуумным однорезонаторным с двумя зазорами генераторам СВЧ клистронного типа, в которых модуляция по скорости и плотности сформированного пушкой электронного потока происходит в первом зазоре и трубе дрейфа, а взаимодействие сгруппированного потока с СВЧ полем и отбор энергии - во втором зазоре резонатора. Предлагаемое устройство предназначено для генерации большой мощности во всех участках микроволнового диапазона с достаточно высоким значением КПД, превышающим КПД известных двухзазорных однорезонаторных генераторов на 20-25%, то есть примерно в два раза.

Известны двухрезонаторные и двухзазорные однорезонаторные генераторы, работающие на синфазном или противофазном видах колебаний [1]. Во всех этих генераторах, как и в двухрезонаторных усилительных клистронах, КПД не превышает 15-20% [2]. В частности, известен генераторный клистрон «с плавающей трубкой дрейфа» [3], работающий на синфазном виде колебаний, взятый нами за прототип, в котором оптимальные условия самовозбуждения выполняются, если угол пролета электронов между узкими зазорами резонатора удовлетворяет равенству θ₁₂=2π(n+0,75), где n=0, 1, 2, … - номер зоны генерации. В первом зазоре резонатора электронный поток модулируется по скорости, а в трубе дрейфа - по плотности и приходит во второй зазор, где происходит отбор энергии СВЧ полем от сгруппированных в сгустки электронов. КПД прибора не превышает 20%. Амплитуда СВЧ напряжения на первом узком зазоре гораздо меньше, чем на втором.

Для получения оптимального соотношения амплитуд напряжений на зазорах резонатора увеличивают емкость первого зазора за счет изменения его геометрии, что является недостатком, так как при этом уменьшаются характеристическое сопротивление и собственная добротность резонатора, что приводит к уменьшению эквивалентного сопротивления резонатора. В результате снижаются контурный и общий КПД прибора. Другим недостатком прибора также является потеря мощности СВЧ колебаний в резонаторе на скоростную модуляцию электронного потока в первом зазоре.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение КПД однорезонаторных генераторов с двумя зазорами взаимодействия синфазного вида колебаний. Предлагаемый электронный прибор, как и прототип, содержит электронную пушку, двухзазорный резонатор, трубу дрейфа, коллектор, вывод энергии. Основное отличие предлагаемого прибора от прототипа заключается в том, что длина первого зазора, который следует называть протяженным пространством взаимодействия, выбирается из условия получения в нем отрицательной электронной проводимости (монотронный эффект). Таким образом, при выполнении функции модуляции электронного потока по скорости и плотности одновременно в этом пространстве происходит отбор мощности от электронного потока СВЧ полем, что, в конечном счете, увеличивает электронный и общий КПД прибора. Для эффективного группирования электронов величина угла пролета θ₁ в первом зазоре выбирается больше оптимального с точки зрения получения максимального для монотрона значения электронного КПД:

где d₁ - длина пространства взаимодействия первого зазора;

, ω - круговая частота, ν₀=5,95·10⁷ - скорость электронов на входе в пространство взаимодействия первого зазора, см/с, U₀ - ускоряющее напряжение, B, λ - рабочая длина волны, см.

Эффективное группирование электронов, которое начинается в первом зазоре и продолжается в трубе дрейфа, обеспечивается при относительной амплитуде СВЧ напряжения на зазоре ξ₁=U_m1/U₀ в пределах от 2,6 до 2,8 на таком расстоянии от первого зазора, при котором соблюдаются оптимальные условия отбора энергии от сгруппированного электронного потока во втором зазоре резонатора. Так как угол пролета θ₁ больше 2π, то эти условия оказываются такими же, как для традиционного однорезонаторного генератора с узкими зазорами на π-виде колебаний, то есть угол пролета между центрами зазоров должен быть равен θ₁₂=2π(n+0,25).

Относительная амплитуда СВЧ напряжения на втором зазоре не превышает величину, равную 1,25. Для получения указанных значений амплитуд СВЧ напряжения на зазорах резонатора требуется ток, величина которого выбирается из условия:

где ρ - характеристическое сопротивление, Q_H - нагруженная добротность резонатора. Такой ток можно получить в однолучевой электронно-оптической системе, однако лучшими параметрами будет обладать генератор с многолучевой ЭОС, позволяющей обеспечить заданную мощность при меньшем ускоряющем напряжении и большем контурном и общем КПД.

В отличие от обычного генератора с одним двухзазорным резонатором на синфазном виде колебаний, у которого амплитуда U_m1 меньше, чем амплитуда U_m2, в предлагаемом приборе амплитуда U_m1 в 2,2-2,4 раза больше амплитуды U_m2. Для получения такого режима работы генератора, в отличие от прототипа, предлагается в области второго зазора сделать выступ пролетной трубы внутрь резонатора над его торцевой стенкой. Размер выступа Η выбирается равным (0,04-0,06)λ. Преимущество такого способа получения необходимого соотношения амплитуд на зазорах резонатора заключается в увеличении эквивалентной индуктивности в области второго зазора и, следовательно, увеличении характеристического сопротивления резонатора. Электрическое СВЧ поле в первом зазоре при этом оказывается неравномерным, нарастающим в направлении движения электронов.

Численные расчеты показывают, что при использовании такого протяженного группирователя в сочетании с большими амплитудами СВЧ напряжения и неоднородным электрическим полем в пространстве взаимодействия возможно получение относительной амплитуды первой гармоники конвекционного тока на уровне I_m1/I₀=1,4-1,55. Соответственно КПД предлагаемого прибора повышается на 15-20% по сравнению с традиционными двухзазорным однорезонаторным и двухрезонаторным клистронами. Дополнительное увеличение КПД получается за счет отбора до 5% подводимой мощности P₀=I₀U₀ в первом пространстве взаимодействия.

Технический результат настоящего изобретения состоит в создании нового типа двухзазорных однорезонаторных генераторов СВЧ с большими углами пролета в пространстве взаимодействия резонатора, отличающихся большим на 20-25% значением КПД по сравнению с традиционными однорезонаторными клистронными генераторами.

Эскиз предложенного двухзазорного однорезонаторного генератора с протяженным первым пространством взаимодействия показан на фиг. 1, где обозначено: 1 - многолучевая электронная пушка, 2 - первая пролетная труба, 3 - двухзазорный резонатор, 4 - труба дрейфа (вторая пролетная труба), 5 - третья пролетная труба, 6 - стержни, поддерживающие трубу дрейфа, 7 - вывод энергии, 8 - коллектор. В приборе пролетные трубы имеют пролетные каналы, расположенные в нескольких рядах на концентрических окружностях, причем оси пролетных каналов совпадают с осями соответствующих катодов многолучевой пушки.

Принцип работы прибора состоит в следующем. Электронная пушка 1 создает многолучевой электронный поток, который через пролетную трубу 2 попадает в первое пространство взаимодействия резонатора 3, длина которого определяется из условия:

где d₁ - расстояние от торца первой пролетной трубы, совпадающей с торцевой внутренней стенкой резонатора со стороны пушки, до торца трубы дрейфа. В этом пространстве взаимодействия электронный поток модулируется по скорости, происходит предварительное группирование электронов и образование переменного конвекционного тока. Выбор размера d₁ в указанных пределах обеспечивает получение отрицательной электронной проводимости. В результате в этом пространстве не затрачивается СВЧ мощность на модуляцию, а отбирается от электронного потока до 5% подводимой мощности. При уменьшении размера d₁ до величины менее 2,4π/γ группирование электронов становится менее эффективным, что приводит к снижению КПД прибора. При увеличении d₁ больше 2,7π/γ активная электронная проводимость становится положительной, что приводит к отбору СВЧ мощности электронным потоком и снижению КПД. При указанной длине пространства взаимодействия d₁ эффективное группирование электронов на расстоянии, соответствующем оптимальному условию отбора энергии от сгруппированного электронного потока во втором зазоре резонатора, обеспечивается при относительной амплитуде СВЧ напряжения . Относительная амплитуда первой гармоники конвекционного тока I_m1/I₀ после прохождения трубы дрейфа, то есть на входе во второй зазор, может достигать величины от 1,4 до 1,55.

Длина второго зазора резонатора выбирается, как в узкополосном клистроне из условия получения максимального КПД прибора, равной:

D₂=(0,3-0,4)π/γ,

где d₂ - расстояние между торцами трубы дрейфа и третьей пролетной трубы в резонаторе. Меньшие значения d₂ соответствуют большим длинам волн.

Третья пролетная труба выступает над торцевой стенкой резонатора для получения оптимального по КПД отношения амплитуд СВЧ на зазорах U_m1/U_m2=2,2-2,4. Расстояние от торца третьей пролетной трубы до торцевой стенки резонатора и диаметр пролетных труб выбираются из условий:

где H - расстояние от торца третьей пролетной трубы до торцевой стенки резонатора со стороны коллектора, D - диаметр пролетных труб.

Выбор размера D в указанных пределах позволяет разместить в пролетных трубах необходимое число пролетных каналов с электронными лучами и соответственно обеспечить получение тока, необходимого для эффективной работы прибора. Меньшие значения коэффициентов при выборе размера D и большие значения при выборе размера Η соответствуют большим длинам волн.

Примеры зависимостей отношения амплитуд напряжений на зазорах U_m1/U_m2 и характеристического сопротивления резонатора ρ от относительного размера выступа третьей пролетной трубы H/λ показаны соответственно на фиг. 2 и фиг. 3.

Длина трубы дрейфа выбирается из условия получения максимального значения I_m1/I₀ на входе во второй зазор резонатора при одновременном выполнении оптимальных фазовых условий самовозбуждения генератора при работе на первой зоне генерации (n=1):

где L - расстояние между торцами трубы дрейфа. Трубу дрейфа поддерживают стержни 6. Внешняя оболочка резонатора может выполняться из закороченных отрезков прямоугольного или круглого волноводов.

Численные расчеты показывают возможность получения в двухзазорном однорезонаторном генераторе электронного КПД, равного 56% на частоте 2,45 ГГц, при ускоряющем напряжении 19 кВ, суммарном первеансе электронного потока из 15 лучей 4,5 мкА/В^3/2.

Таким образом, при использовании предлагаемых технических решений может быть достигнут следующий результат: в двухзазорных однорезонаторных генераторах с протяженным первым пространством взаимодействия, при котором обеспечивается отрицательная электронная проводимость, КПД увеличивается на 20-25%, то есть более чем в два раза, по сравнению с известными однорезонаторными клистронными генераторами. Простота конструкции в сочетании с большими значениями КПД делает перспективным использование предлагаемого прибора в качестве источника большой мощности.

Источники информации

1. Шевчик В.Н. Основы электроники сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1959. - С. 173.

2. Березин В.М., Буряк В.С. Электронные приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1985. - С. 48.

3. Chodorow Μ., Fan S. A floating drift-tube klystron// Proc. IRE. - 1953. - P. 25.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам клистронного типа, содержащим один двухзазорный резонатор, и предназначено для генерации большой мощности СВЧ. Первый зазор резонатора имеет протяженное пространство взаимодействия (ППВ) электронов с СВЧ полем, длина которого выбирается из условий получения отрицательной активной электронной проводимости и оптимального группирования электронов. В приборе используется ППВ с неравномерным электрическим полем и большие амплитуды СВЧ напряжений в пределах (2,6-2,8)U₀. Технический результат - увеличение КПД на 20-25% по сравнению с двух- и однорезонаторными с двумя зазорами клистронными генераторами. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электровакуумный прибор СВЧ, содержащий электронную пушку, трубы дрейфа, сквозь которые пропускают электронный поток, активный двухзазорный резонатор, возбуждаемый на синфазном виде колебаний, трубу дрейфа между зазорами, вывод энергии и коллектор, отличающийся тем, что длину первого пространства взаимодействия (зазора) резонатора - расстояние между торцом первой пролетной трубы, установленной в торце резонатора со стороны пушки, и торцом трубы дрейфа - выбирают из условия получения отрицательной активной составляющей электронной проводимости (монотронный эффект):
d₁=(2,4-2,7)π/γ,
где d₁ - расстояние между торцами труб, образующих первый зазор, см, , 1/см, ω - круговая частота колебаний, υ₀ - скорость электронов на входе в пространство взаимодействия резонатора, см/с, λ - рабочая длина волны, см, U₀ - ускоряющее напряжение, В, а величину тока электронного потока I₀ выбирают из условия:
I₀=(6-8)U₀/ρQ_н,
где ρ - характеристическое сопротивление, Q_н - добротность нагруженного резонатора, причем электронная пушка является многолучевой, в пролетных трубах выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки, при этом торцевая поверхность первой пролетной трубы совпадает с плоскостью внутренней поверхности торцевой стенки резонатора, расположенной со стороны электронной пушки, а длину второго зазора между торцами трубы дрейфа и третьей пролетной трубы определяют из условия:
d₂=(0,3-0,4)π/γ,
при этом длину трубы дрейфа, определяющую расстояние между зазорами, выбирают из условия:
L=(0,75-1)π/γ,
где L - расстояние между торцами трубы дрейфа, а расстояние от торца третьей пролетной трубы до торца резонатора со стороны коллектора и диаметр пролетных труб выбирают из условий:
H=(0,04-0,06)λ,
D=(0,2-0,5)λ,
где H - расстояние от торца третьей пролетной трубы до торцевой стенки резонатора со стороны коллектора, D - диаметр пролетных труб, причем меньшие значения коэффициентов при выборе размера D и большие значения при выборе размера H соответствуют большим длинам волн.

2. Электровакуумный прибор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде отрезка закороченного на концах прямоугольного или круглого волновода.