МНОГОЛУЧЕВАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН Российский патент 2024 года по МПК H01J25/34 H01J23/24 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к электровакуумным приборам О-типа, и может быть использовано в низковольтных лампах бегущей волны (далее - ЛБВ) непрерывного и/или импульсного действия миллиметрового диапазона длин волн.

Одним из основных направлений развития ЛБВ во всем мире является создание низковольтных (≤20 кВ) ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн с высокой средней и импульсной выходной мощностью (≥5 кВт), высокими коэффициентом усиления (≥25 дБ) и КПД (≥8%) в широкой полосе рабочих частот (≥2 ГГц).

При переходе в миллиметровый диапазон длин волн происходит уменьшение всех размеров основных узлов ЛБВ, они становятся на порядок меньше, чем в сантиметровом диапазоне длин волн. Возникают значительные технологические трудности, связанные с изготовлением отдельных элементов замедляющей системы (далее - ЗС), их сборкой и последующей пайкой, и обеспечением механической прочности, теплоотвода и герметичности конструкции.

Известна многолучевая ЛБВ миллиметрового диапазона с ЗС типа «петляющий волновод» (далее - ПВ), в широкой стенке которого выполнено четыре пролетных канала по высоте этого волновода [N. Ryskin et al. Multiple-Tunnel Microfabricated Slow-Wave Structures for Millimeter-Band Traveling-Wave Tubes With Multiple Sheet Electron Beams//24^th IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC 2023), April 26-28, 2023, Chengdu, China, pp. 990-991]. ЗС была изготовлена из медной фольги с использованием высокоточной лазерной микрообработки. ЛБВ V-диапазона частот (52-56 ГГц) с данной ЗС позволяет достичь уровень выходной мощности 400 Вт, усиление - 26 дБ при питающем напряжении 12 кВ в полосе рабочих частот 4 ГГц.

Недостатком данной конструкции является использование ленточных электронных потоков, которые требуют высокой величины индукции магнитного фокусирующего поля для их транспортировки в пролетном канале. Это приводит к значительному увеличению массогабаритных параметров таких конструктивных элементов как ЗС и магнитная фокусирующая система, и в конечном итоге самой ЛБВ, что ограничивает применение данной ЛБВ в аппаратуре. К тому же, в данной конструкции ЗС ЛБВ снижается ее жесткость и механическая прочность из-за расположений пролетных каналов, ухудшается теплоотвод от центральных пролетных каналов, что может привести к нарушению герметичности ЛБВ, ограничено применение сильноточных электронных потоков, т.к. сложно получить приемлемое токопрохождение в каналах ЗС. Все это приводит низким значениям электронного КПД и мощности электронных потоков, что ограничивает возможность получения выходной мощности ЛБВ более 400 Вт.

Известна также многолучевая ЛБВ, содержащей замедляющую систему типа «диафрагмированного волновода» с 19-ю каналами для прохождения электронных потоков и многокатодную электронную пушку [Курилов Г.В. и др. Многолучевая ЛБВ // Авторское свидетельство СССР №531426, опубл. 19.06.1995]. Увеличение количества электронных потоков позволяет увеличить выходную мощность ЛБВ, КПД и коэффициент усиления.

Основным недостатком данной ЛБВ является узкая полоса рабочих частот (в рассматриваемом аналоге ~ 800 МГц), которая определяется электродинамическими характеристиками выбранной ЗС. К тому же, увеличение диаметра в центральной втулке с целью размещения большего количества пролетных каналов в ЗС уменьшает ее сопротивление связи. Соответственно, снижает уровень выходной мощности и КПД ЛБВ.

Наиболее близка к заявляемому изобретению многолучевая лампа бегущей волны с ЗС ПВ, выполненный в виде изогнутого металлического волновода прямоугольного поперечного сечения, с 7-ю пролетными каналами, обеспечивающие токопрохождение электронного потока (прототип) [Шалаев П.Д. Многолучевая лампа бегущей волны с замедляющей системой типа петляющий волновод // Патент РФ №2771324, опубликован 04.05.2022 бюлл. №13].

В миллиметровом диапазоне длин волн из-за небольших поперечных размеров прямоугольных волноводов, которые определяют рабочий диапазон ЛБВ, возможно расположить на плоском участке широкой стенки волновода не более четырех пролетных каналов. Тем самым, выходную мощность ЛБВ нельзя увеличить из-за невозможности увеличения количества электронных потоков.

Существенным недостатком является то, что в пролетных каналах не обеспечивается одинаковая фазовая синхронизация движения электронных потоков и электромагнитной волны в волноводе, т.е. происходит рассогласование фазовых условий модуляции электронов с соответствующим снижением эффективности усиления мощности СВЧ-сигналов в ЛБВ.

Другой существенный недостаток ЛБВ такой конструкции состоит в том, что значительная часть пролетных каналов ЗС находится в волноводной области, удаленной от максимальной напряженности электрического поля, что снижает эффективность взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной в волноводе и соответственно уменьшает выходную мощность, коэффициент усиления и КПД ЛБВ.

Задача предлагаемого изобретения заключается в устранении имеющихся недостатков аналогов и прототипа многолучевых ЛБВ миллиметрового диапазона.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются увеличение средней и импульсной выходной мощности ЛБВ, увеличение/повышение коэффициента усиления и КПД в широкой полосе рабочих частот при низком ускоряющем напряжении, термостойкость внутренних элементов замедляющей системы.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что многолучевая ЛБВ содержит многолучевую электронную пушку с катодными эмиттерами, ввод/вывод СВЧ-энергии, коллектор электронов, магнитную фокусирующую систему, замедляющую систему типа петляющий волновод, изогнутого так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось, образуя таким образом ЗС, и имеют плоские участки с отверстиями, образующими для прохождения электронных потоков в ЗС пролетные каналы. Анодный блок ЛБВ содержит не менее двух замедляющих систем с общим выводом СВЧ-энергии, причем каждая изолирована по СВЧ-сигналу, при этом электрическая длина замедляющих систем одинакова, а длина электромагнитной волны основного типа в волноводе λв определяется исходя из условия 1,05а<λв<1,6а и b<а/2, где а, b - ширина и высота поперечного сечения прямоугольного волновода, замедляющие системы расположены параллельно друг другу в поперечном направлении ЛБВ, при этом в продольном направлении каждая последующая замедляющая система смещена как минимум на один период P, на плоских участках широких сторон волноводов выполнены (N+1) отверстий для пролетных каналов, где N - количество парциальных электронных потоков в ЛБВ, каждая замедляющая система имеет отдельный ввод/вывод СВЧ-энергии, выполненный в виде металлического волновода, сечением равным петляющему волноводу, образующему замедляющую систему.

Сущность технического решения заключается в следующем. Для получения высокого уровня выходной мощности при низком ускоряющем напряжении в однолучевой ЛБВ необходимо использовать высокопервеансный электронный поток, транспортировка которого в миллиметровом диапазоне затруднена из-за небольшого диаметра пролетного канала ЗС и высокой величины индукции магнитного поля для его фокусировки. При токооседании высокопервеансного электронного потока на элементы ЗС происходит их разрушение, а для достижения необходимой величины индукции магнитного поля на всей длине пролетного канала ЗС требуется увеличить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Для уменьшения ускоряющего напряжения и увеличения выходной мощности ЛБВ предлагается использовать не менее двух ЗС, т.е. многолучевую конструкцию. Предлагаемая конструкция ЛБВ позволяет увеличить в ней количество ЗС ПВ и соответственно увеличить выходную мощность и коэффициент усиления ЛБВ в N раз по сравнению с прототипом. Массогабаритные параметры магнитной системы также удается уменьшить благодаря многолучевой конструкции.

Повышение КПД и выходной мощности ЛБВ возможно за счет повышения эффективности электронного-волнового взаимодействия. Изолирование ЗС по СВЧ-сигналу позволяет реализовать однолучевую ЗС ПВ, у которой сопротивление связи в 3 раза больше (по сравнению с прототипом), что приводит к повышению электронного-волнового взаимодействия.

Амплитудно-фазовая частотная характеристика ЛБВ обеспечивается одинаковой электрической длиной ЗС. Соответствие фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа в ЗС ПВ, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия каждой ЗС и приводят к увеличению выходной мощности и КПД ЛБВ.

Условием работы прямоугольного волновода на одном, основном типе волны λ_кр20<λв<λ_кр10. Однако при значениях λв близких к λ_кр10=2а волновод может пропускать очень малую мощность и резко возрастает коэффициент затухания основной волны. С другой стороны, если λв приближается к λ_кр20=а, уменьшается затухание высших волн типов волн, возникающих на нерегулярностях в реальном тракте. Поэтому при условии 1,05а<λв<1,6а волновод обеспечивает пропускание высокой мощности при одновременно низком коэффициенте затухания основной волны. Размер волновода b также влияет на электрическую прочность волновода, и затухание в его стенках, поэтому выбирается из условия b<а/2. ЗС типа петляющий волновод представляет собой волновод прямоугольного сечения а×b изогнутый и многократно пересекающий продольную ось ЗС, где а×b выбираются из указанных выше соотношений, улучшая тем самым электродинамические характеристики ЗС и увеличивая ширину рабочей полосы частот ЛБВ.

Расположение в многолучевой ЛБВ ЗС ПВ согласно предложенному техническому решению - параллельно друг другу в поперечном направлении ЛБВ и в ее продольном направлении смещением каждой последующей ЗС как минимум на одни период позволяет: (а) изготовить для каждой ЗС отдельный ввод/вывод СВЧ-энергии, который является продолжением ПВ с сечением а×b на общий ввод/вывод СВЧ-энергии ЛБВ; (б) доступно разместить ввод/вывод СВЧ-энергии каждой ЗС с учетом конструкции магнитной системы прибора. При изготовлении анодного блока ЛБВ исключается пайка мелкоструктурных элементов ЗС с входным/выходным волноводами, увеличивая жесткость и механическую прочность конструкции, а также уменьшаются потери в системе, позволяя увеличить выходную мощность ЛБВ.

Изготовление ЗС с вводом/выводом СВЧ-энергии в одном анодном блоке требует выполнить в отдельных выводах СВЧ-энергии (N+1) отверстий, которые учитывают все электронные потоки ЛБВ для их транспортировки от катода до коллектора. Оси отверстий в волноводах совпадают с осями пролетных каналов ЗС ПВ.

В предложенной конструкции многолучевой ЛБВ обеспечивается эффективный теплоотвод от узлов ЛБВ к поверхности термостабилизирующего элемента в аппаратуре.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов конструкции предлагаемой многолучевой ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн, где:

1 - многолучевая электронная пушка с катодными эмиттерами,

2 - общий ввод/вывод СВЧ-энергии,

3 - коллектор,

4 - магнитная фокусирующая система,

5 - замедляющая система типа «петляющий волновод»,

6 - отверстия (пролетные каналы),

7 - анодный блок ЛБВ,

8 - отдельный ввод/вывод СВЧ-энергии.

Многолучевая лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.

Сформированные многолучевой электронной пушкой (1) электронные потоки движутся в пролетных каналах (6) ЗС ПВ (5) по направлению к коллектору (3).

Суммарная мощность тока электронных потоков в пролетных каналах (6) на входе в ЗС (5) Р_0сум [Вт], равна сумме произведений напряжения анодного блока (7) и токов парциальных электронных потоков, поступающих на вход пролетного канала (6) каждой ЗС (5) Р_0сум=U⋅(I₀₁+I₀₂+I₀₃+…+I_N) [Вт], где N - количество парциальных электронных потоков в ЛБВ [шт.], U - напряжение анодного блока (7) [В], I₀₁, I₀₂, I₀₃, …,, I_N - токи электронных потоков в пролетных каналах (6) от первого до N-ого [А].

Магнитное поле магнитной фокусирующей системы (4) удерживает электронные потоки при их движении в пролетных каналах (6) в пределах внутренних границ пролетных каналов (6).

На общий вход СВЧ-энергии (2) анодного блока (7) ЛБВ подают СВЧ-сигнал, который далее разделяется на N сигналов. Далее каждый N-сигнал поступает на отдельный вход СВЧ-энергии (8) ЗС ПВ (5), возбуждает в ней электромагнитную волну, которая распространяется в ЗС ПВ (5) в том же направлении, что и электронный поток.

При близком к синхронному движении электронов электронных потоков в пролетных каналах (6) при рабочем напряжении анодного блока (7) и электромагнитной волны основного типа в волноводе ЗС (5) на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ в ЗС (5), происходит модуляция электронных потоков по плотности в пролетных каналах (6) и в волноводе ЗС (5) с образованием сгустков электронов в тормозящих фазах электромагнитной волны и торможение сгустков электронов с преобразованием кинетической энергии электронов электронных потоков в энергию электромагнитной волны, проходящей через волновод ЗС (5) на отдельный вывод СВЧ-энергии (8).

В плоских участках каждого волновода ЗС (5), расположенных в поперечном направлении относительно продольной оси ЛБВ, на каждом одном полупериоде ЗС (5) происходит взаимодействие электромагнитных волн с N электронными потоками с последовательным накоплением энергии электромагнитных волн.

При параллельном взаимодействии электронных потоков с СВЧ сигналами в общем СВЧ выводе ЛБВ (2) происходит аккумуляция энергии, полученной от каждого отдельного вывода СВЧ-энергии (8). Аккумуляция энергии отдельных СВЧ-выводов (8) позволяет увеличить выходную мощность ЛБВ и достичь высокого коэффициента усиления при меньшем по сравнению с аналогами напряжении анодного блока (7).

Далее электроны электронных потоков поступают в коллектор (3) и рассеиваются на его внутренних электропроводящих поверхностях с преобразованием их кинетической энергии в тепло.

Пример. Изготовлен экспериментальный образец многолучевой ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн.

Многолучевая электронная пушка (1) формирует N=4 парциальных электронных потока с общим током I=4 А.

Медный волновод сечением 320×4700 мкм, изогнут так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось, образуя таким образом ЗС (5). Период ЗС (5) составляет 2.3 мм, а ее электрическая длина равна 90.9 мм. Отверстия для пролетных каналов диаметром 800 мкм выполнены на плоских участках широких сторон волноводов. Каждая ЗС (5) имеет отдельный ввод/вывод СВЧ-энергии (8), выполненного в виде медного волновода такого же сечения, что и ЗС (5).

Анодный блок (7) ЛБВ состоит из 4-х изолированных по СВЧ ЗС (5). Общий ввод/вывод СВЧ-энергии (2) имеет стандартное сечение, соответствующее рабочему диапазону частот, 7.2×3.4 мм.

Экспериментальные результаты ЛБВ, выполненной согласно предложенному техническому решению, показали, что выходная мощность достигнута более 5 кВт, коэффициент усиления 25 дБ при ускоряющем напряжении 16 кВ в рабочей полосе прибора 4.5 ГГц с электронным КПД - 8%, что подтверждает достижение заявленного результата.

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к электровакуумным приборам О-типа, и может быть использовано в низковольтных лампах бегущей волны (далее - ЛБВ) непрерывного и/или импульсного действия миллиметрового диапазона длин волн.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются увеличение средней и импульсной выходной мощности ЛБВ, увеличение/повышение коэффициента усиления и КПД в широкой полосе рабочих частот при низком ускоряющем напряжении, термостойкость внутренних элементов замедляющей системы.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что многолучевая ЛБВ содержит многолучевую электронную пушку с катодными эмиттерами, ввод/вывод СВЧ-энергии, коллектор электронов, магнитную фокусирующую систему, замедляющую систему типа петляющий волновод, изогнутого так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось, образуя таким образом ЗС, и имеют плоские участки с отверстиями, образующими для прохождения электронных потоков в ЗС пролетные каналы. Анодный блок ЛБВ содержит не менее двух замедляющих систем с общим выводом СВЧ-энергии, причем каждая изолирована по СВЧ-сигналу, при этом электрическая длина замедляющих систем одинакова, а длина электромагнитной волны основного типа в волноводе λв определяется исходя из условия 1,05а<λв<1,6а и b<а/2, где а, b - ширина и высота поперечного сечения прямоугольного волновода, замедляющие системы расположены параллельно друг другу в поперечном направлении ЛБВ, при этом в продольном направлении каждая последующая замедляющая система смещена как минимум на один период P, на плоских участках широких сторон волноводов выполнены (N+1) отверстий для пролетных каналов, где N - количество парциальных электронных потоков в ЛБВ, каждая замедляющая система имеет отдельный ввод/вывод СВЧ-энергии, выполненный в виде металлического волновода, сечением равным петляющему волноводу, образующему замедляющую систему.

Многолучевая ЛБВ, содержащая многолучевую электронную пушку с катодными эмиттерами, ввод/вывод СВЧ-энергии, коллектор электронов, магнитную фокусирующую систему, петляющий волновод, изогнутый так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось, образуя таким образом замедляющую систему, и имеют плоские участки с отверстиями, образующими для прохождения электронных потоков в замедляющей системе пролетные каналы, оси отверстий в волноводах совпадают с осями пролетных каналов, отличающаяся тем, что анодный блок ЛБВ содержит не менее двух замедляющих систем с общим выводом СВЧ-энергии, причем каждая изолирована по СВЧ-сигналу, при этом электрическая длина замедляющих систем одинакова, а длина электромагнитной волны основного типа в волноводе λв определяется исходя из условия 1,05а<λв<1,6а и b<а/2, где а, b – ширина и высота поперечного сечения прямоугольного волновода, замедляющие системы расположены параллельно друг другу в поперечном направлении ЛБВ, при этом в продольном направлении каждая последующая замедляющая система смещена как минимум на один период P, на плоских участках широких сторон волноводов выполнены (N+1) отверстий для пролетных каналов, где N – количество парциальных электронных потоков в ЛБВ, каждая замедляющая система имеет отдельный ввод/вывод СВЧ-энергии, выполненный в виде металлического волновода сечением, равным петляющему волноводу, образующему замедляющую систему.