ФАЗОСТАБИЛЬНАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ Российский патент 2016 года по МПК H01J25/34 

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

Одним из главных недостатков СВЧ приборов с длительным взаимодействием, в том числе и ЛБВ, является высокая чувствительность фазы их выходного сигнала к изменению питающих напряжений и, прежде всего, напряжения пучка. Это обусловливает жесткие требования к стабильности источников питания большинства радиоэлектронных устройств, в состав которых входит ЛБВ.

Известны конструкции ЛБВ [1], во входных секциях которых реализуются так называемые несинхронные режимы работы, находящиеся за пределами интервала значений расстройки между скоростью электронов пучка v_e и фазовой скоростью волны v_ф, соответствующего экспоненциальному усилению сигнала. При v_ф>v_e реализуется режим подавления сигнала, при v_ф<<v_e - крестатронный режим. Оба эти режима характеризуются аномальной (противоположной по знаку) зависимостью фазы выходного сигнала от напряжения пучка по отношению к поведению фазы в усилительном режиме.

При последующем взаимодействии пучка с волной в усилительной секции происходит компенсация аномальности фазовых характеристик, в результате чего фаза выходного сигнала ЛБВ при изменении напряжения пучка в некотором интервале остается практически постоянной. Однако в [1] отсутствуют сведения об оптимальности выбора параметров несинхронного участка, а все расчеты выполнены для приборов без поглощающей вставки, которая, как известно [2], существенно влияет на фазовую чувствительность ЛБВ.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является ЛБВ [3] (Пат. РФ 2046442, опубл. 20.10.1995. Бюл. №29), параметры входной секции которой на определенной длине, начиная от входа, соответствуют режиму подавления сигнала, а затем - усилительному режиму. Главным недостатком такой ЛБВ является большая критичность основных характеристик прибора к изменению параметров участка подавления сигнала. Такая критичность обусловлена тем, что амплитуда поля в режиме подавления убывает по экспоненциальному закону с большой крутизной, снижаясь, на определенной длине, до чрезвычайно малых значений (Kompfiier-dip-condition [4]). Это уменьшает процент выхода годных изделий (снижает серийнопригодность конструкции).

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в уменьшении чувствительности фазы выходного сигнала к изменению напряжения пучка, что приводит к повышению процента выхода годных изделий. Этот результат достигается тем, что во входной части ЛЕВ предлагается использовать не режим подавления сигнала, а крестатронный режим, в котором фазовая скорость волны существенно меньше скорости электронов и который намного менее критичен к параметрам секции, где он реализуется. За ним, как и в [3], должен следовать усилительный режим. На крестатронном участке создается аномальная зависимость фазы выходного сигнала от напряжения пучка (фаза с ростом напряжения убывает). На следующем за ним втором, усилительном участке реализуется обычная зависимость фазы от напряжения - с ростом него фаза возрастает. Это компенсирует убывание фазы на первом участке, в результате чего возникает интервал напряжений пучка, в котором фаза остается практически постоянной, а ее изменение близко к нулю. Назовем такую конфигурацию пространства взаимодействия секцией компенсации.

Таким образом, секция компенсации состоит из двух участков с длинами L₁, L₂ и различными фазовыми скоростями на этих участках V_ф1, V_ф2. Величины V_ф1 и L₁ определяются следующими соотношениями, полученными путем аппроксимации результатов расчета по линейной теории ЛБВ [2]:

где - скорость электронов пучка;

е, m - заряд электрона и его масса;

U₀ - напряжение пучка;

V_ф - фазовая скорость волны;

- параметр усиления;

К - сопротивление связи замедляющей системы;

I₀ - ток пучка;

q - параметр пространственного заряда;

ω - круговая частота сигнала.

Параметры второго участка, на котором реализуется усилительный режим, определяются из условия существенного улучшения группировки электронного потока на нем. Длина второго участка L₂ определяется из условия достижения таких значений сгруппированного тока и ВЧ поля, при которых обеспечивается экспоненциальное нарастание амплитуды ВЧ поля [2]:

Фазовая скорость волны в замедляющей системе на втором участке V_ф2 выбирается из условия получения максимального значения первой гармоники тока и ориентировочно равна

Изменение фазовой скорости между первым и вторым участками может быть осуществлено как плавно, так и скачкообразно.

Выбор параметров традиционных участков ЛБВ (поглотителя, выходной секции и т.д.) ничем не отличается от приемов конструирования обычного прибора.

На фиг. 1 схематически изображены варианты конструкции пространства взаимодействия ЛБВ с крестатронным участком (1) и с участком подавления (2) на входе. Они были спроектированы путем модификации конструкции серийно выпускаемой спиральной ЛБВ УВИ-77. Длина приборов и конфигурация выходной секции их были одинаковыми, а шаги спирали в начале входной секции реализовывали вышеупомянутые несинхронные режимы работы (режим подавления или крестатронный режим), обеспечивающие малую чувствительность фазы выходного сигнала к изменению напряжения пучка.

На фиг. 2 приведена рассчитанная зависимость фазы выходного сигнала (φ) от напряжения пучка (U) для приборов с крестатронным участком (1), с участком подавления (2) и обычной ЛБВ с коэффициентом усиления G≈30 дБ (3).

На фиг. 3 представлены рассчитанные зависимости фазовой чувствительности (Δφ/ΔU) и коэффициента усиления (G) от изменения длины ΔL₁ участка режима подавления (1) и участка крестатронного режима (2)·

Из данных, приведенных на фиг. 2 и фиг. 3, следует, что при практически одинаковой и близкой к нулевой фазовой чувствительности в обоих режимах она более критична к изменению длины входного участка, если он работает в режиме подавления. Так, в ЛБВ с участком подавления изменение его длины на ±1 мм приводит к изменению фазовой чувствительности на -4 и +20 град/%, а коэффициента усиления - на 5 дБ, в то время как в ЛБВ с крестатронным участком изменение его длины меняет фазовую чувствительность всего на ±2 град/%, а коэффициент усиления - на 1 дБ.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить процент выхода годных ЛБВ за счет значительного снижения требований к точности изготовления участка несинхронного режима при реализации его в виде крестатронного участка, а не участка подавления.

Источники информации

1. Кац A.M., Кудряшов В.П., Суслин П.И. Фазовые характеристики ЛБВ в несинхронных режимах // «Электронная техника». Сер. 1. Электроника СВЧ. 1971. №5. С. 83-91.

2. Кац A.M., Кудряшов В.П., Трубецков Д.И. «Сигнал в лампах с бегущей волной. Часть I. Лампа с бегущей волной О-типа». Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1984. 144 с.

3. Пат. №2046442 РФ, МПК⁶ H0U 25/34. Лампа бегущей волны / В.П. Кудряшов, Б.К Сивяков, КБ. Яковлева. Заявл. 21.05.1992; опубл. 20.10.1995. Бюл. №29.

4. Johnson H.R. Kompfner-dip conditions. Proc. IRE. 1955. V. 43. №7. P. 874.

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к лампам бегущей волны (ЛБВ), содержащим во входной части секцию несинхронного режима работы, а следом за ней - усилительный участок, обеспечивающие малую чувствительность фазы выходного сигнала к изменению напряжения пучка. Секция несинхронного режима выполнена в виде участка крестатронного режима, который располагается на входе ЛБВ и обеспечивает крестатронный режим работы при номинальном напряжении прибора, а непосредственно за ним располагается участок усилительного режима, что в совокупности образует секцию компенсации фазовой чувствительности к изменению напряжения пучка ЛБВ. После этого следуют остальные секции, традиционные для обычных ЛБВ. Технический результат - уменьшение чувствительности фазы выходного сигнала к изменению напряжения пучка. 3 ил.

Лампа бегущей волны, содержащая перед основной усилительной секцией (или секциями) секцию компенсации, реализующую аномальную зависимость фазы выходного сигнала от напряжения пучка, отличающаяся тем, что секция компенсации состоит из двух участков с длинами L₁, L₂ и с различными фазовыми скоростями на этих участках V_ф1, V_ф2, которые определяются соотношениями:

где - скорость электронов пучка;
е, m - заряд электрона и его масса;
U₀ - напряжение пучка;
Vф - фазовая скорость волны;
- параметр усиления;
К - сопротивление связи замедляющей системы;
I₀ - ток пучка;
q - параметр пространственного заряда;
ω - круговая частота сигнала.