СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ЦИКЛОТРОННОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к области СВЧ радиоэлектроники, а именно к устройствам защиты входных каскадов СВЧ радиоприемных устройств, в частности, приемников радиолокационных станций, от воздействия входной мощности высокого уровня в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.

В современных радиолокационных станциях (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны иметь широкую полосу рабочих частот и быть надежно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при очень малом времени восстановления параметров после окончания мощного СВЧ-импульса.

Известны циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), в основу работы которых положено взаимодействие электродинамической структуры с быстрой циклотронной волной (БЦВ) электронного потока. Например, техническое решение по патенту РФ № 2530746. ЦЗУ содержит электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием, образующим пролетный канал, коллектор и средство (магнитную систему) для создания однородного магнитного поля, соосного с электронным потоком, при этом каждый резонатор соединен с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, а циклотронная частота магнитного поля равна средней частоте рабочей полосы частот устройства [Патент РФ № 2530746 «Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство», МПК Н02Н 7/00, опубл. 10.10.2014 бюл. №28.]. Или техническое решение, принятое за прототип, по патенту РФ №2731297. Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, резонаторный блок, состоящий из входного и выходного объемных резонаторов, каждый из которых имеет тракт передачи сигнала во внешнюю сверхвысокочастотную линию и емкостной зазор для прохождения ленточного электронного потока, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока. Параллельные поверхности зазоров равномерно и непрерывно на длине резонаторного блока в направлении к коллектору повернуты вокруг продольной оси зазора на угол, соответствующий углу поворота поперечного сечения ленточного электронного потока. [Патент РФ №2731297 «Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство», МПК Н02Н 7/12, H01J 23/18, опубл. 02.09.2020 бюл. №25]

Недостатками аналога и прототипа являются невозможность обеспечить жесткие требования по уровню токопрохождения, а также недостаточное удовлетворение требованиям к ширине рабочей полосы частот.

Заявляемое техническое решение направлено на устранение недостатков аналога и прототипа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот ЦЗУ.

Технический результат достигается тем, что предлагается сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство, содержащее электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, связь с входной и выходной линиями передачи сигнала, при этом каждый резонатор содержит, по крайней мере, два зазора взаимодействия, которые разделены между собой участками дрейфа. Имеются варианты выполнения участков дрейфа.

Участок дрейфа может быть выполнен в виде дополнительной металлической диафрагмы с отверстием для пролета пучка и щелями связи между частями резонатора, для рабочего типа колебаний с синфазными полями в зазорах длина зазоров l_заз и длина участков дрейфа l_др определяются как:

и

где , - полоса частот прибора; e, m - заряд и масса электрона, U - ускоряющее напряжение пучка;

для рабочего типа колебаний с противофазными полями в зазорах длина зазоров l_заз и длина участков дрейфа l_др определяются как:

и или и ,

где , - полоса частот прибора; e, m - заряд и масса электрона, U - ускоряющее напряжение пучка или .

Участок дрейфа выполнен в виде выемки в выступах, между которыми образованы зазоры взаимодействия.

Сущность технического решения состоит в следующем. На пути следования электронного пучка в каждом резонаторе расположены не менее двух зазоров взаимодействия, разделенных участками дрейфа, в которых СВЧ поле заметно подавлено.

При движении электронов в магнитном поле и взаимодействии их с поперечным СВЧ полем в рабочем зазоре они движутся по спиральным траекториям. В начале первого рабочего зазора энергия передается от СВЧ поля во вращательное движение электронов, их радиусы вращения и скорости увеличиваются. Если частота СВЧ поля f отличается от циклотронной частоты f_c (например, на краю рабочей полосы частот), то постепенно начинает накапливаться разность фаз между скоростью вращательного движения электрона по циклотронной орбите и СВЧ полем, так что рост вращательной скорости замедляется и в конце первого зазора взаимодействия, на продольной координате , останавливается. За зазором взаимодействия выполнен участок дрейфа, где СВЧ поле заметно подавлено. На участке дрейфа модуль скорости вращательного движения не меняется, и происходит восстановление синфазности вращательной скорости и СВЧ поля в следующем зазоре. За участком дрейфа выполнен следующий зазор взаимодействия, где благодаря синфазности рост вращательной скорости продолжается. Длина участка дрейфа зависит от используемого рабочего типа колебаний.

Если для выбранного типа колебаний СВЧ поле в следующем зазоре взаимодействия синфазно с полем предыдущего зазора (синфазный тип), то после прохождения участка дрейфа длиной скорость вращательного движения становится синфазной с полем в следующем зазоре и продолжит нарастать в этом зазоре.

Если в следующем зазоре взаимодействия СВЧ поле рабочего типа колебаний противофазно с полем предыдущего зазора (противофазный тип), то уже при достаточно малом участке дрейфа длины вращательная скорость после участка дрейфа будет синфазна с полем в следующем зазоре и продолжит нарастание в нем.

При работе на высоких частотах, например, в миллиметровом диапазоне, малая длина участка дрейфа между первым и вторым зазорами обеспечивает повышенную емкость резонатора, что отрицательно сказывается на рабочей полосе частот. В этом случае для противофазного типа колебаний длина участка дрейфа определяется как .

Циклотронная частота f_c находится в центре полосы рабочих частот прибора, поэтому частота края полосы f связана с полосой частот соотношением . Отсюда следуют вышеприведенные формулы для длин участков взаимодействия и дрейфа через максимальную достижимую полосу частот и .

За вторым зазором длиной возможно периодическое повторение участков дрейфа и зазоров взаимодействия с указанными выше длинами.

Расчет показывает, что при заданной величине СВЧ напряжения в зазорах вращательная скорость электронов на выходе входного резонатора превышает соответствующую скорость в прототипе в M раз, где M - число зазоров. Поскольку энергия вращательного движения электрона пропорциональна квадрату вращательной скорости , это означает, что пучку передается в M₂ раз больше мощности СВЧ поля P, чем в прототипе. В свою очередь это означает, что, согласно известному выражению:

,

импеданс электронной нагрузки Z_load резонатора в M₂ ниже, чем в прототипе. Полоса рабочих частот резонатора определяется его нагруженной добротностью , а нагруженная добротность зависит от импеданса нагрузки Z_load и характеристического сопротивления резонатора ρ.

Характеристический импеданс M-зазорного резонатора в M раз ниже импеданса однозазорного резонатора, настроенного на ту же частоту. В результате величина нагруженной добротности оказывается в M раз ниже, чем в прототипе, а полоса частот - в M раз шире.

Таким образом, предлагаемая конструкция циклотронного защитного устройства позволяет расширить полосу рабочих частот.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого ЦЗУ с трехзазорными резонаторами (M = 3), где:

1 - электронная пушка;

2 - электронный поток;

3 - входной резонатор;

4 - зазоры взаимодействия входного резонатора;

5 - диафрагма с отверстием для электронного потока, образующая участок дрейфа;

6 - тракт передачи сигнала входного резонатора;

7 - разделяющая резонаторы диафрагма с отверстием для электронного потока;

8 - зазоры взаимодействия выходного резонатора;

9 - выходной резонатор;

10 - тракт передачи сигнала выходного резонатора;

11 - коллектор электронов;

12 - магнитная система для создания однородного магнитного поля с требуемым уровнем индукции В0.

На фиг.2 двухзазорный резонатор (M = 2), работающий на синфазном типе (ЦЗУ по варианту 1), где:

4 - зазоры взаимодействия резонатора;

5 - диафрагма с отверстием для электронного потока, образующая участок дрейфа;

6 - коаксиальный тракт передачи сигнала резонатора;

7 - разделяющая резонаторы диафрагма с отверстием для электронного потока;

13 - щели связи между частями резонатора;

14 - выступы, образующие зазоры взаимодействия.

Участок дрейфа выполнен с помощью диафрагмы 5 с отверстиями связи 13 и каналом для пучка. Зазоры взаимодействия 4 образованы с помощью выступов 14. Выходной резонатор, а также пушка, коллектор и магнитная система, не показаны.

На фиг.3 показано распределение амплитуды СВЧ поля вдоль направления движения пучка для конструкции резонатора, показанной на фиг.2.

На фиг. 4 графически представлена зависимость величины вращательной скорости от продольной координаты в направлении движения электронов, где: а) прототип, б) предлагаемое устройство с двухзазорным резонатором, работающем на синфазном типе колебаний, в) предлагаемое устройство в предлагаемом устройстве с двухзазорным резонатором, работающем на противофазном типе колебаний.

На фиг. 5 внешний вид двухзазорного резонатора, работающего на синфазном типе (ЦЗУ по варианту 3), где:

7 - разделяющая резонаторы диафрагма с отверстием для электронного потока;

4 - зазоры взаимодействия резонатора;

14 - выступы, образующие зазоры взаимодействия;

15 - выемка в выступах, образующая участок дрейфа.

На фиг. 6 представлена зависимость величины вращательной скорости от продольной координаты в направлении движения электронов для двухзазорного резонатора (фиг. 5), работающего на синфазном типе колебаний согласно конструкции ЦЗУ по варианту 3.

На фиг. 7 внешний вид двухзазорного резонатора, работающего на противофазном типе (ЦЗУ по варианту 2), где:

7 - разделяющая резонаторы диафрагма с отверстием для электронного потока;

4 - зазоры взаимодействия резонатора;

14 - выступы, образующие зазоры взаимодействия;

На фиг. 8 представлена зависимость величины вращательной скорости от продольной координаты в направлении движения электронов для двухзазорного резонатора на фиг. 7, работающего на противофазном типе колебаний (ЦЗУ по варианту 2).

Сверхвысокочастотное циклотронное защитное содержит последовательно расположенные друг за другом электронную пушку 1, формирующую электронный поток 2, резонаторный блок, состоящий из входного резонатора 3 и выходного резонатора 9, диафрагмой 7 с отверстием для прохождения электронного потока 2, коллектор электронов 11. Каждый резонатор 3 и 9 имеет тракт передачи сигнала 6 и 10 соответственно. Магнитная система 12 создает однородное магнитное поле с уровнем индукции В₀, обеспечивающим циклотронный резонанс на частоте резонаторов.

Входной резонатор 3 выполнен с зазорами взаимодействия 4, разделенными между собой участками дрейфа в виде металлической диафрагмы 5.

Выходной резонатор 9 выполнен аналогично входному с зазорами взаимодействия 8, разделенными между собой участками дрейфа в виде металлической диафрагмы 5.

Резонаторы 3 и 9 имеют однонаправленную связь друг с другом через электронный поток 2.

Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство работает следующим образом.

В режиме пропускания входной сигнал поступает по тракту передачи сигнала во входной резонатор 3, где возбуждается поперечное электрическое поле в зазорах взаимодействия 4, образованных выступами 14. Через зазоры взаимодействия 4 проходит электронный пучок 2, создаваемый пушкой 1. В первом рабочем зазоре 4 энергия передается от СВЧ поля во вращательное движение электронов, их радиусы вращения и скорости постепенно увеличиваются по мере движения электронов вдоль оси прибора. Если частота СВЧ поля f отличается от циклотронной частоты f_c (например, на краю рабочей полосы частот), то постепенно начинает накапливаться разность фаз между скоростью вращательного движения электрона по циклотронной орбите и СВЧ полем, так что рост вращательной скорости замедляется, и к концу первого зазора взаимодействия 4 останавливается. За участком взаимодействия электроны проходят через участок дрейфа 5. На участке дрейфа 5 модуль скорости вращательного движения не меняется, и происходит восстановление синфазности вращательной скорости и СВЧ поля в следующем зазоре. За участком дрейфа 5 выполнен следующий зазор взаимодействия 4. Вращательная скорость после участка дрейфа 5 будет синфазна с полем в следующем зазоре 4 и продолжит нарастание в нем.

За вторым зазором взаимодействия возможно периодическое повторение участков дрейфа и зазоров взаимодействия с указанными выше длинами.

В результате от СВЧ сигнала электронному пучку будет передаваться энергия значительно большая, чем в прототипе, что соответствует увеличению электронной проводимости, нагружающей резонатор, понижению его нагруженной добротности и расширению полосы частот пропорционально числу зазоров.

После прохождения входного резонатора 3 и отверстия в диафрагме 7, разделяющей резонаторы, пучок попадает в выходной резонатор 9, где наводит в зазорах взаимодействия 8 СВЧ поле, отдавая ему энергию вращательного движения, полученную во входном резонаторе 3. СВЧ энергия передается в выходной тракт 10.

В режиме защиты при поступлении большого входного сигнала радиус вращения электронов во входном зазоре быстро возрастает, и электронный пучок полностью осаждается на стенки выступов во входном участке взаимодействия. В результате электронная нагрузка входного резонатора резко падает, и большая часть входной мощности отражается обратно во входной тракт. При этом, поскольку резонаторы разделены диафрагмой с узким отверстием, представляющим запредельный волновод, а электронный пучок не попадает в выходной резонатор, то сигнал в выходном резонаторе не возбуждается. Таким образом осуществляется защита от слишком мощного входного сигнала.

Техническая возможность реализации предлагаемого ЦЗУ подтверждена методом компьютерного моделирования. Моделирование выполнялось на основе применения 3D-моделей электронно-оптической и электродинамической систем с учетом действия собственного пространственного заряда ленточного электронного потока.

Пример 1. При энергии электронов 30 эВ и отстройке частоты сигнала от циклотронной на 1 ГГц длина зазоров взаимодействия и участка дрейфа составляет 1.62 мм.

На фиг. 2 показана конструкция основного элемента предлагаемого устройства - двухзазорного резонатора, работающего на синфазном типе (соответствующего варианту конструкции 1). Участок дрейфа выполнен с помощью диафрагмы 5 с отверстиями связи 13 и каналом для пучка. Выходной резонатор, а также пушка, коллектор и магнитная система, не показаны.

На фиг. 3 показано распределение амплитуды СВЧ поля вдоль направления движения пучка для предлагаемой конструкции, показанной на фиг. 2. Видно эффективное подавление СВЧ поля на участке дрейфа благодаря наличию диафрагмы.

На фиг. 4 (а, б, в) представлены результаты численного моделирования зависимости величины вращательной скорости от продольной координаты в направлении движения электронов: а) в прототипе, на б) в предлагаемом устройстве с двухзазорным резонатором, работающем на синфазном типе колебаний, в) - в предлагаемом устройстве с двухзазорным резонатором, работающем на противофазном типе колебаний. Указаны области зазоров взаимодействия и участка дрейфа. Тонкими линиями показаны зависимости для отдельных частиц с разными фазами влета в резонатор, а жирной линией показано среднее значение вращательной скорости. Это наглядно показывает, что при заданной величине СВЧ напряжения в зазорах вращательная скорость на выходе предлагаемой двухзазорной конструкции вдвое превышает вращательную скорость на выходе резонатора прототипа (5.6 против 2.8). Увеличение вращательной скорости означает увеличение передаваемой пучку энергии, увеличение электронной нагрузки, понижение нагруженной добротности и расширение полосы частот.

Пример 2. На фиг. 5 показан двухзазорный резонатор, работающий на синфазном типе с участком дрейфа, образованным выемкой в выступах (соответствующий варианту конструкции 3). Выходной резонатор, а также пушка, коллектор и магнитная система, не показаны.

При энергии электронов 30 эВ и отстройке частоты сигнала от циклотронной на 1 ГГц длина зазоров взаимодействия и участка дрейфа составляет 1.62 мм.

На фиг. 6 для этого варианта предлагаемой конструкции ЦЗУ представлены результаты численного моделирования зависимости величины вращательной скорости от продольной координаты в направлении движения электронов. Показаны области зазоров взаимодействия и участка дрейфа. Тонкими линиями показаны зависимости для отдельных частиц с разными фазами влета в резонатор, а жирной линией показано среднее значение вращательной скорости. Фиг. 6 показывает, что при заданной величине СВЧ напряжения в зазорах вращательная скорость на выходе предлагаемой двухзазорной конструкции вдвое превышает вращательную скорость на выходе резонатора прототипа (5.6 против 2.8). Увеличение вращательной скорости означает увеличение передаваемой пучку энергии, увеличение электронной нагрузки, понижение нагруженной добротности и расширение полосы частот.

Пример 3. На фиг. 7 показан двухзазорный резонатор, работающий на противофазном типе с малым участком дрейфа (соответствующий варианту конструкции 2). Выходной резонатор, а также пушка, коллектор и магнитная система, не показаны.

При энергии электронов 30 эВ и отстройке частоты сигнала от циклотронной на 1 ГГц длина зазоров взаимодействия и участка дрейфа составляет 3.24 мм.

На фиг. 8 для этого варианта предлагаемой конструкции ЦЗУ с двухзазорным резонатором, работающем на противофазном типе колебаний, представлены результаты численного моделирования зависимости величины вращательной скорости от продольной координаты в направлении движения электронов. Показаны области зазоров взаимодействия и участка дрейфа. Тонкими линиями показаны траектории отдельных частиц с разными фазами влета в резонатор, а жирной линией показано среднее значение вращательной скорости. Фиг. 8 показывает, что при заданной величине СВЧ напряжения в зазорах вращательная скорость на выходе предлагаемой двухзазорной конструкции вдвое превышает вращательную скорость на выходе резонатора прототипа (5.6 против 2.8). Увеличение вращательной скорости означает увеличение передаваемой пучку энергии, увеличение электронной нагрузки, понижение нагруженной добротности и расширение полосы частот.

Все вышесказанное подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к области СВЧ радиоэлектроники, а именно к устройствам защиты входных каскадов СВЧ радиоприемных устройств, в частности приемников радиолокационных станций, от воздействия входной мощности высокого уровня в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Технический результат - расширение полосы рабочих частот ЦЗУ. Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, связь с входной и выходной линиями передачи сигнала, при этом каждый резонатор содержит по крайней мере два зазора взаимодействия, которые разделены между собой участками дрейфа. Участок дрейфа может быть выполнен в виде дополнительной металлической диафрагмы с отверстием для пролета пучка и щелями связи между частями резонатора или в виде выемки в выступах, между которыми образованы зазоры взаимодействия. Длина участка дрейфа рассчитывается по формулам для каждого варианта исполнения. 3 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство, содержащее электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, связь с входной и выходной линиями передачи сигнала, отличающееся тем, что каждый резонатор содержит по крайней мере два зазора взаимодействия, которые разделены между собой участками дрейфа, при этом каждый участок дрейфа выполнен в виде дополнительной металлической диафрагмы с отверстием для пролета пучка и щелями связи между частями резонатора;

для рабочего типа колебаний с синфазными полями в зазорах длина зазоров l_заз и длина участков дрейфа l_др определяются как:

где - полоса частот прибора; e, m – заряд и масса электрона, U – ускоряющее напряжение пучка;

для рабочего типа колебаний с противофазными полями в зазорах длина зазоров l_заз и длина участков дрейфа l_др определяются как:

где - полоса частот прибора; e, m – заряд и масса электрона, U – ускоряющее напряжение пучка.

2. Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство, содержащее электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, связь с входной и выходной линиями передачи сигнала, отличающееся тем, что каждый резонатор содержит по крайней мере два зазора взаимодействия, которые разделены между собой участками дрейфа, при этом для рабочего типа колебаний с противофазными полями в зазорах длина зазоров l_заз и длина участков дрейфа l_др определяются как:

где - полоса частот прибора; e, m – заряд и масса электрона, U – ускоряющее напряжение пучка.

3. Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство, содержащее электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, связь с входной и выходной линиями передачи сигнала, отличающееся тем, что каждый резонатор содержит по крайней мере два зазора взаимодействия, которые разделены между собой участками дрейфа, при этом каждый участок дрейфа выполнен в виде выемки в выступах, между которыми образованы зазоры взаимодействия, для рабочего типа колебаний с синфазными полями в зазорах длина зазоров l_заз и длина участков дрейфа l_др определяются как:

где - полоса частот прибора; e, m – заряд и масса электрона, U – ускоряющее напряжение пучка.