Секционированная лампа бегущей волны Российский патент 2021 года по МПК H01J25/02 H01J23/24 H01P9/00 

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к многосекционным лампам бегущей волны (ЛБВ). Секционированная ЛБВ имеет входную и выходную секции замедляющей системы (ЗС) в виде цепочки связанных резонаторов (ЦСР), промежуточные секции могут быть в виде ЦСР и секции не связанных резонаторов.

Известна лампа бегущей волны, выполненная с возможностью работы в импульсном и непрерывном режиме, включающая входную, выходную и промежуточные секции, секции связанных резонаторов и несвязанных резонаторов (RU 1019961 А1).

Известна замедляющая система для лампы бегущей волны, включающая несколько сегментов, каждый сегмент содержит пластину и кольцо, каждый сегмент имеет разные дисперсионные характеристики (CN 202363407 U).

Известна замедляющая система для лампы бегущей волны, содержащая размещенный вдоль оси пакет ячеек, каждая из которых имеет концентричный этой оси корпус, в полости которого концентрично ему на штыре установлена пролетная трубка, в каждую ячейку введена вставка, имеющая форму усеченного цилиндра. Техническим результатом является улучшение дисперсионной характеристики замедляющей системы (RU 2263375 С2).

В качестве ближайшего аналога можно принять устройство по RU 1019961 А1.

Технической проблемой ЛБВ с ЦСР является паразитное самовозбуждение вблизи высокочастотной границы полосы пропускания ЗС (2π-вид) при увеличении мощности входного сигнала, влияние нестабильности по уровню входной мощности и ускоряющего напряжения.

Предлагается секционированная лампа бегущей волны, включающая входную, выходную и промежуточные секции замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов и секции с несвязанными резонаторами, отличающаяся тем, что выходная секция лампы бегущей волны синтезирована из нескольких дисперсионных характеристик, причем частоты высокочастотной границы полосы пропускания секций замедляющей системы отличаются на 2% - 5% от средней частоты полосы пропускания цепочки связанных резонаторов, а в полосе рабочих частот фазовая скорость волны для всех дисперсионных характеристик одинакова, частоты высокочастотной отсечки полосы пропускания входной и промежуточных секций цепочки связанных резонаторов отличаются от частот выходной секции на величину от 1% до 5%.

Одинаковая фазовая скорость волны для всех дисперсионных характеристик обеспечивается за счет синтеза геометрических размеров секций: высоты «носика» диска, высоты «носика» диафрагм, радиуса внутренней кромки щели связи, радиуса внешней кромки щели связи, угла раскрыва щели связи, периода ЗС, причем величина изменений геометрических размеров зависит от разности частот полосы пропускания.

В частном случае, с целью упрощения практической реализации модифицированной ЛБВ без потерь функциональных возможностей, выходная секция цепочки связанных резонаторов имеет синтезированный участок замедляющей системы, длина которого составляет от 0,4 до 0,6 от общей длины выходной секции цепочки связанных резонаторов, а частоты полос пропускания высокочастотной отсечки отстоят друг от друга на 2-5% от средней частоты полосы пропускания цепочки связанных резонаторов.

Техническим результатом является исключение паразитного самовозбуждения вблизи высокочастотной границы полосы пропускания (вблизи 2π-вида), снижение электрических требований к СВЧ нагрузке на выходе лампы бегущей полны, расширение диапазона допустимой дестабилизации мощности входного сигнала и ускоряющего напряжения без потерь качества выходного сигнала, повышение выхода годных ЛБВ в процессе серийного производства.

Устройство и его работа иллюстрируются фиг. 1-10.

Позициями на иллюстрациях обозначены:

1 - многоэлектродная пушка,

2 - магнит магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС),

3 - ввод энергии,

4 - вывод энергии,

5 - коллектор электронов,

6 - 8 - замедляющая система, состоящая из:

6 - входной секции ЦСР,

7 - промежуточной секцию несвязанных резонаторов,

8 - выходной секции ЦСР,

9 - внутривакуумный локальный поглотитель входной секции,

10 - внутриваку умный локальный поглотитель выходной секции,

11 - МПФС,

12 - дисперсионная характеристика входной секций ЦСР многорежимной ЛБВ,

13 - дисперсионная характеристика выходной секции ЦСР,

14 - полоса рабочих частот ЛБВ импульсного режима,

15 - полоса рабочих частот непрерывного режима,

16 - полоса рабочих частот,

17 - дисперсионная характеристика выходной секции,

18 - дисперсионная характеристика промежуточной секции,

19 -дисперсионная характеристика входной секции,

20 - огибающая импульса выходного сигнала,

21 - искажение формы огибающей выходного сигнала,

22, 23 - частоты коротковолновой отсечки полос пропускания, синтезированной выходной секции замедляющей системы,

24, 25 - диаметр резонаторов,

26 - величина емкостного зазора,

27, 28 высота емкостного выступа резонатора,

29 - радиус внутренней кромки щели связи,

30 - радиус внешней кромки щели связи,

31 - угол раскрыва щели связи,

32 - дисперсионная характеристика входной секции ЦСР,

33 - дисперсионная характеристика промежуточной секции ЦСР,

34 - полоса рабочих частот,

35, 40 - верхняя частота рабочего диапазона,

36, 39 - средняя частота рабочего диапазона,

37,38 - нижняя частота рабочего диапазона,

41 - оптимальная входная мощность.

На фиг. 1 изображена схема серийной трехсекционной многорежимной ЛБВ трехсантиметрового диапазона. Конструктивно многорежимная ЛБВ аналогична однорежимным, но более функциональна. ЛБВ может работать в импульсном режиме, непрерывном режиме и в режиме чередования непрерывной и импульсной мощности, причем потребление энергии от первичного источника питания постоянно во всех режимах. Выходная секция синтезирована из нескольких дисперсионных характеристик и ничем не отличается от однорежимного прибора.

ЛБВ содержит многоэлектродную пушку - 1, формирующую электронный поток с возможностью изменения тока электронного потока в 2-3 раза при изменении режимов работы (импульсный и непрерывный), магнит магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС) - 2, ввод энергии - 3, вывод энергии - 4, коллектор электронов - 5, замедляющую систему, состоящую из входной секции ЦСР - 6, промежуточную секцию несвязанных резонаторов - 7, выходную секцию ЦСР - 8, внутривакуумный локальный поглотитель входной секции - 9, внутривакуумный локальный поглотитель выходной секции - 10, МПФС - 11.

На фиг. 2 изображены типовые дисперсионные характеристики секций ЦСР многорежимной ЛБВ. Входная секция ЦСР - 12, выходная секция ЦСР - 13, полоса рабочих частот ЛБВ импульсного режима - 14, полоса рабочих частот непрерывного режима - 15. Промежуточная секция в многорежимном приборе может состоять из цепочки несвязанных резонаторов.

На фиг. 3 представлены типовые дисперсионные характеристики трехсекционной ЛБВ с ЦСР. В представленных ЛБВ используются крутые и «запредельные» участки дисперсионных характеристик. Полоса рабочих частот - 16, дисперсионная характеристика выходной секции - 17, дисперсионная характеристика промежуточной секции - 18, дисперсионная характеристика входной секции - 19. Высокочастотные отсечки всех дисперсионных характеристик ЦСР ЛБВ имеют незначительный разброс по частоте.

При работе ЛБВ в паспортном режиме на широкополосную согласованную нагрузку огибающая импульса выходного сигнала - 20 представлена на фиг. 4. При незначительных отклонениях режимов питания от паспортных форма огибающей выходного сигнала - 21 искажается (фиг. 5) в результате самовозбуждения на частотах вблизи высокочастотной отсечки выходной секции ЦСР.

Эти обстоятельства существенно затрудняют выбор оптимальных режимов работы ЛБВ, повышают требования к стабильности источников питания, уровню входного сигнала и параметрам выходной нагрузки ЛБВ, что напрямую связано с низким выходом годных ЛБВ в серийном производстве.

С целью исключения самовозбуждения ЛБВ на частотах вблизи коротковолновой отсечки ЦСР (вблизи 2π-вида) предлагается использовать з.с. выходной секции, синтезированной из нескольких дисперсионных характеристик с отличающимися частотами 2π-вида ЦСР для исключения самовозбуждения вблизи коротковолновой полосы пропускания. Эффект достигается благодаря нарушению синхронизма скорости электронного потока и фазовой скорости распространения волн, причем частоты отсечки 2π-вида должны отличаться от 2% до 5% относительно средней частоты полосы пропускания ЦСР.

При этом в полосе рабочих частот все д. х. должны иметь одинаковые значения частоты и фазовой скорости распространения волны.

Вариант технического решения синтезирования двух д. х. выходной секции ЦСР трехсекционной ЛБВ представлен на фиг. 6.

На фиг. 6 изображена дисперсионная характеристика входной секции ЦСР - 32 и промежуточной секции ЦСР - 33, частоты 2π-вида также отличаются от частот выходной секции с синтезированными дисперсными характеристиками на 1,5% - 5% в нижнюю или верхнюю стороны частотного диапазона. Полоса рабочих частот обозначена - 34.

В полосе рабочих частот д. х. сливаются в одну кривую, характеризующую замедление и фазовую скорость распространения волны. Результат достигается путем синтеза геометрических размеров ЦСР, схематично изображенных на рис. 7, рис. 8:

- диаметр резонаторов 24; 25;

- величины емкостного зазора 26;

- высоты емкостного выступа резонатора 27; 28;

- радиуса внутренней кромки щели связи 29;

- радиуса внешней кромки щели связи 30;

- угла раскрыва щели связи 31;

На фиг. 9 представлены амплитудные характеристики серийной ЛБВ, снятые в трех точках рабочего диапазона. Верхняя частота рабочего диапазона - 35, средняя - 36, нижняя - 37. Увеличение входной мощности недопустимо, так как этот процесс приводит к самовозбуждению ЛБВ на частоте вблизи 2π-вида и нарушению формы огибающей высокочастотного сигнала 21.

На рис. 10 представлены амплитудные характеристики, снятые также в трех точках рабочего диапазона. Нижняя частота рабочего диапазона - 38, средняя - 39, верхняя - 40. Увеличение входной мощности в 10 раз по отношению к оптимальной входной мощности - 41 в ЛБВ с синтезированной выходной секцией ЦСР не привело к самовозбуждению ЛБВ на 2π-виде и следовательно к искажению огибающей выходного в.ч. сигнала.

Включение ЛБВ на нагрузку, которая согласована только в рабочей полосе частот, также как и изменение ускоряющего напряжения ЛБВ в широком интервале, не влияют на стабильность работы ЛБВ. В ЛБВ с традиционной ЦСР требование к согласованию выходной нагрузки ЛБВ должно быть во всей полосе пропускания ЗС с ЦСР.

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ. Секционированная лампа бегущей волны (ЛБВ) включает входную, выходную и промежуточные секции, секции замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР) и секции с несвязанными резонаторами. Технический результат – обеспечение возможности исключить паразитное самовозбуждение вблизи высокочастотной границы полосы пропускания, снизить электрические требования к СВЧ нагрузке на выходе лампы бегущей волны, расширить диапазон допустимой дестабилизации мощности входного сигнала и ускоряющего напряжения без потерь качества выходного сигнала, снизить требования к выходной нагрузке ЛБВ. Дисперсионная характеристика выходной секции лампы бегущей волны синтезирована из нескольких дисперсионных характеристик с отличающимися частотами высокочастотной отсечки полосы пропускания ЦСР, это достигается путем синтеза геометрических размеров ЦСР. Высокочастотные границы полос пропускания секций замедляющей системы ЦСР отличаются на 2-5% от средней частоты полосы пропускания ЦСР, а в полосе рабочих частот фазовая скорость волны для всех дисперсионных характеристик одинакова, частоты входной секции ЦСР и промежуточных секций ЦСР на коротковолновом краю полосы пропускания отличаются от частот выходной секции на 1,5-5% в нижнюю или верхнюю стороны частотного диапазона. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Секционированная лампа бегущей волны, включающая входную, выходную и промежуточные секции замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР) и секции с несвязанными резонаторами, отличающаяся тем, что дисперсионная характеристика выходной секции лампы бегущей волны синтезирована из нескольких дисперсионных характеристик с отличающимися частотами высокочастотной отсечки полосы пропускания цепочки связанных резонаторов, причем высокочастотные границы полос пропускания секций замедляющей системы ЦСР отличаются на 2-5% от средней частоты полосы пропускания цепочки связанных резонаторов, а в полосе рабочих частот фазовая скорость волны для всех дисперсионных характеристик одинакова, частоты входной секции ЦСР и промежуточных секций ЦСР на коротковолновом краю полосы пропускания отличаются от частот выходной секции на 1,5-5% в нижнюю или верхнюю стороны частотного диапазона.

2. Секционированная лампа бегущей волны по п. 1, отличающаяся тем, что одинаковая фазовая скорость волны для всех дисперсионных характеристик обеспечивается за счет синтеза геометрических размеров секций: высоты «носика» диска, высоты «носика» диафрагм, радиуса внутренней кромки щели связи, радиуса внешней кромки щели связи, угла раскрыва щели связи, периода секций ЦСР, причем величина изменений геометрических размеров зависит от разности частот высокочастотной границы полосы пропускания.

3. Секционированная лампа бегущей волны по п. 1, отличающаяся тем, что выходная секция цепочки связанных резонаторов имеет синтезированный участок замедляющей системы, длина которого составляет 0,4÷0,5 от общей длины выходной секции цепочки связанных резонаторов, а верхние частоты полос пропускания отстоят друг от друга на 2-5% от средней частоты полосы пропускания ЦСР.