ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА Российский патент 2022 года по МПК H01J23/24 H01J25/34 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к замедляющим системам (ЗС) усилительных и генераторных СВЧ-приборов О-типа, в частности, к замедляющим системам ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ).

Продвижение в область субтерагерцового (суб-ТГц) и терагерцового (ТГц) частотных диапазонов является одной из важнейших проблем современной вакуумной СВЧ-электроники. В связи с этим разрабатываются миниатюрные варианты известных приборов вакуумной электроники, в частности, ЛОВ и ЛБВ. Для повышения КПД данных приборов разрабатываются замедляющие системы с повышенным сопротивлением связи, которое, как известно, является мерой эффективности взаимодействия электронного потока с продольным полем ЗС [Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. - Киев: Изд-во Техника, 1965].

Уменьшение размера пролетного канала в замедляющей системе приводит к необходимости значительного увеличения плотности тока электронного потока, что осложняет его фокусировку и транспортировку внутри пролетного канала ЗС. Для получения приемлемых значений плотности тока используются электронные пучки с большой площадью поперечного сечения, например ленточный поток.

В патенте RU 183912 предложена замедляющая система для лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, представляющая собой проводник, выполненный в форме прямоугольного меандра, образованный параллельно расположенными металлическими пластинами, связанными между собой перемычками. Каждая из пластин снабжена сквозным прямоугольным отверстием для пролета плоского (ленточного) потока электронов, при этом отверстия в пластинах расположены с образованием прямоугольного канала для пролета плоского потока электронов через замедляющую систему. Недостатком использования ленточного электронного потока является трудность его фокусировки вследствие закручивания краев потока из-за диокотронной неустойчивости [A.A. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, I.A. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhadzhi, and K.V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett., vol. 42, no. 5, pp 543-545, 2016], что, в совокупности с динамической расфокусировкой в рабочем режиме прибора, приводит к повышенному токооседанию на элементы ЗС.

Другим решением является увеличение числа электронных потоков, что позволяет снизить удельную плотность тока, транспортируемого через ЗС, а также использование многолучевых электронно-оптических систем на основе эллиптических или цилиндрических электронных потоков. Такие потоки показывают существенно меньшую диокотронную нестабильность [I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, Т.A. Karetnikova, N.М. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, P. 8068467].

Наибольшее распространение для приборов суб-ТГц и ТГц частотных диапазонов получила ЗС типа гребенки [Силин Р.А. Периодические волноводы. М: Фазис, 2002] в силу своей относительной простоты и технологичности.

В авторском свидетельстве СССР №714540 описана конструкция гребенчатой замедляющей системы, в которой для расширения рабочей полосы частот соседние гребни сдвинуты в поперечной плоскости относительно друг друга в разные стороны, а параллельно их боковым поверхностям добавлены металлические пластины. Недостатком данной конструкции являются возможные проблемы с теплоотводом вследствие токооседания и увеличенных ВЧ-потерь в суб-ТГц диапазоне.

В авторском свидетельстве СССР №612313 уменьшение дисперсии в гребенке достигается тем, что каждый гребень соединен с основанием в области расположения смежных гребней с помощью перемычек, которые создают дополнительную магнитную связь между соседними резонаторами. Применение подобной конструкции ЗС в приборах суб-ТГц и ТГц диапазонов весьма осложнено низкой технологичностью изготовления предложенной ЗС вследствие очень малых размеров ее элементов, к тому же недостатком такой замедляющей системы является относительно низкое сопротивление связи.

Известны также замедляющие системы типа гребенка и сдвоенная гребенка ЛБВ миллиметрового диапазона с ленточным электронным потоком [Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Каретникова Т.А., Торгашов Г.В., Синицын Н.И., Шалаев П.Д., Бурцев А.А. Исследование характеристик замедляющей системы лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточным электронным пучком // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №8. С. 601], [Karetnikova Т.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.М., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55]. Расширение полосы пропускания в случае сдвоенной гребенки происходит при сдвиге гребенок относительно друг друга на полпериода, что приводит к слиянию двух низших собственных мод и уменьшению дисперсии. Недостатком рассмотренных замедляющих систем является относительно низкое сопротивление связи.

Прототипом предлагаемого изобретения является ЛБВ с замедляющей системой сдвоенная гребенка и электронным потоком, состоящим из трех лучей эллиптической формы [Плоских А.Э., Рыскин Н.М. Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком// Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып. 2. С. 113-121]. Использование многолучевого эллиптического электронного потока оказывается более предпочтительным, так как позволяет избежать сложностей, возникающих при фокусировке ленточного потока. Недостатком замедляющей системы этой ЛБВ, как и указанных выше технических решений, является относительно низкое сопротивление связи.

Заявляемое техническое решение направлено на увеличение сопротивления связи замедляющей системы генераторных и усилительных приборов СВЧ О-типа (ЛОВ и ЛБВ).

Техническим результатом изобретения является повышение КПД СВЧ-приборов О-типа.

Указанный технический результат достигается увеличением значений сопротивления связи в рабочей полосе частот в несколько раз при сохранении прочих электродинамических характеристик замедляющей системы. Увеличение сопротивления связи ЗС достигается добавлением вырезов, контуры которых совпадают по форме с поперечным сечением электронных потоков, в гребни замедляющей системы, таким образом, что оси электронных потоков совпадают с центрами вырезов в плоскости поперечного сечения. Из известных форм электронных потоков, находящих практическое применение, наиболее подходящими являются эллиптические электронные потоки или цилиндрические электронные потоки, как их частный случай. Глубина выреза изменяется в пределах

где R_потока - малая полуось (или радиус) сечения электронного потока,

R_выреза - глубина выреза под электронный поток, D - расстояние между внешним контуром электронного потока и поверхностью гребенки. Электрическое поле в сечении потока для такой замедляющей системы спадает медленнее по мере удаления от поверхности выреза, что приводит к увеличению сопротивления связи.

Заявленный технический результат был подтвержден серией расчетов электродинамических характеристик многолучевой ЗС в программе электродинамического моделирования ANSYS HFSS [11]. Расчет проводился для ЗС типа односторонней гребенки, помещенной в прямоугольный волновод, с пятью полукруглыми вырезами под пять цилиндрических электронных потоков.

Для пояснения технического решения представлены фиг. 1 - фиг. 3, на которых обозначены: (1) - вырез под электронный поток, (2) - траектории электронов в цилиндрическом потоке, (3) - гребень замедляющей системы, (4) - волновод.

На фиг. 1 представлен расчетный вариант одного периода замедляющей системы с пятью полукруглыми вырезами под пять электронных потоков.

На фиг. 2а схематично изображено поперечное сечение замедляющей системы с вырезами под электронный поток. Здесь радиус выреза под пролетный канал обозначен R, расстояние от верхней кромки гребней до внутренней поверхности крышки - В, расстояние между электронным потоком и поверхностью гребенки - D. На фиг. 2б представлено поперечное сечение аналогичной замедляющей системы, но без вырезов и с расстоянием от поверхности гребней до внутренней поверхности крышки В'=В+R.

На фиг. 3 представлены рассчитанные с помощью HFSS электродинамические характеристики (сопротивление связи, дисперсионная характеристика) замедляющей системы с вырезами под электронный поток в виде полуокружностей (фиг. 2а) и замедляющей системы без вырезов и с увеличенным расстоянием от верхней кромки гребней до внутренней поверхности крышки (фиг. 2б).

Дисперсионная характеристика замедляющей системы с полукруглыми вырезами практически не изменилась по сравнению с замедляющей системой без вырезов, а сопротивление связи увеличилось более чем в два раза.

Таким образом, применение вырезов под электронный поток в гребнях замедляющей системы приводит к увеличению сопротивления связи и, следовательно, к более эффективному взаимодействию электронов с полем бегущей волны, росту выходной мощности и КПД ЛБВ или ЛОВ при прочих равных условиях.

Источники информации:

1. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. - Киев: Изд-во Техника, 1965.

2. Патент RU 183912. Опубл. 09.10.2018. Замедляющая система для лампы бегущей волны / Г.В. Торгашов, Н.М. Рыскин, П.Д. Шалаев.

3. А.А. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, LA. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhadzhi, and K. V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett, vol. 42, no. 5, pp 543-545, 2016.

4. I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, T.A. Karetnikova, N. M. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, P. 8068467.

5. Силин P.А. Периодические волноводы. M.: Фазис, 2002.

6. Авторское свидетельство СССР №714540. Опубликовано 05.02.1980. Замедляющая система типа «гребенка» / Ю.Н. Пчельников, В.К. Дзугаев, Л.Н. Лошаков.

7. Авторское свидетельство СССР №612313. Опубликовано 25.08.1978. Замедляющая система гребенчатого типа / Ю.Н. Пчельников, В.К. Дзугаев.

8. Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Каретникова Т.А., Торгашов Г.В., Синицын Н.И., Шалаев П.Д., Бурцев А.А. Исследование характеристик замедляющей системы лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточным электронным пучком // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №8. С. 601.

9. Karetnikova Т.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.М., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55.

10. Плоских А.Э., Рыскин H.M. Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком// Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып.2. С. 113-121.

11. www.ansys.com

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к замедляющим системам (ЗС) усилительных и генераторных СВЧ-приборов О-типа, в частности к замедляющим системам ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ). Технический результат - повышение КПД СВЧ-приборов О-типа путем увеличения значений сопротивления связи в рабочей полосе частот при сохранении прочих электродинамических характеристик замедляющей системы. Увеличение сопротивления связи ЗС достигается за счет того, что гребни замедляющей системы имеют вырезы, контуры которых представляют собой дуги эллипсов. Электрическое поле в сечении потока для такой замедляющей системы спадает медленнее по мере удаления от поверхности выреза, что приводит к увеличению сопротивления связи и, как следствие, к увеличению КПД СВЧ-приборов О-типа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Замедляющая система СВЧ-прибора О-типа, состоящая из металлического волновода и расположенных внутри металлических выступов, перпендикулярных к внутренним поверхностям волновода, отличающаяся тем, что выступы имеют, по крайней мере, не менее одного выреза, контур которого представляет собой дугу эллипса, при этом глубина выреза удовлетворяет условию:

где R_ПОТОКА - малая полуось эллипса, образованного поперечным сечением электронного потока;

R_ВЫРЕЗА - глубина выреза под электронный поток;

D - расстояние между электронным потоком и поверхностью гребенки.

2. Замедляющая система СВЧ-прибора О-типа по п. 1, отличающаяся тем, что контуры вырезов представляют собой дуги окружностей как частного случая дуг эллипсов; при расчете глубины вырезов R_ПОТОКА - радиус окружности, образованной поперечным сечением электронного потока.