СВЧ-усилитель Советский патент 1984 года по МПК H01J25/00 

Изобретение.относится к электронной технике, в частности к усилителям СВЧ.

Известно устройство для генерирования кратковременных электронных пакетов под действием СВЧ-тюля. В 5 этом устройстве теоретически автокатод при очень сильных полях способен обеспечить плотность токов до Ю А/см 2 tiJ.

Однако практически достигаемые О плотности тока оказываются меньшими вследстёие нестабильности актокатода при больший плотностях тока, приводящих к возникновению вакуумной дуги. Разрушение эмиттера связано с 15 перегрузкой его собственным эмиссионным током С2.

Применение .одиночного эмиттера с плотностью тока -107-10 А/см оказывается эффективным, когда наряду с 20 больишми токами требуются высокие энергии пучка. Например, i для получения т.оков с острия в 10 А необходим эмиттер с радиусом кривизны равным см к разность потенциалов 25 более Ю В. :

Для получения больших токов при значительноменьших напряжениях (в , сотни и десятки киловольт) необходимо тем или иным образом увеличить л эмиттирующую площадь при сохранении малого радиуса кривизны катода. Одной из таких возможностей является создание многоострийных систем.

НаибЬлее близким к предпага емому по техн11чесокй сущности является СВЧ-усилитель, состоящий из двух резонаторов с сетками, прозрачными для электронов и экранирующих СВЧ-поле, многоострийного автокатода в виде концентрических колец-гребенок и 40 коллектора ЗД.

СВЧ-поле вводится во входной резонатор, настроенный таким образом, что в районе автокатода создается . пучность электрической составляющей поля. Эмиттируемые электроны, получая дополнительную энергию от высоко1вольтного источника постоянного гока, проходят в выходной резонатор, отдают энергию СВЧ-полю и собираются 5U коллектором. Длительность импульса автоэмиссионного тока и его амплитудное значение ограничено собственно автокатодом. Кроме того, автоэмиссионный ток ограничивается неод- 55 нократностью геометрической формы кончиков острий, что приводит к различным значениям напряженности поля у острия при одинаковой входной мощности СВЧ и неодновременной работе 60 автокатодор,а также к эффекту экранирования, т.е. уменьшение полл у ве)шины одного эмиттера из-за наличия соседних острнй. Коэффициент экранирования в основном зависит от 5

расстояния катод - выходная сетка резонатора и расстояния между кончи.ками острий. Эффект экранирования приводит к уменьшению максимально достижимого первеанса для каждого острия (в пределе он равен О , 2 ).

Недостатком многоострийных автокатодов является Также технологическая сложность изготовления, связанная с очень жесткими требованиями к геометрии каждого острия. Небольшие отклонения формы острия от оптимальной приводят к резкому уменьшению авурэМиссионного тока. В результате эффективно эмиттирует лишь небольшая часть острий, что приводит к уменьшению первеанса катода в целом..

Цель изобретения - увеличения средней мощности СВЧ-усилителя.

Поставленная цель достигается тем, что в СВЧ-усилителе, содержащий резонаторы с сеткой, коллектор и многоострийный автокатод в,виде концентрических колецтгребенок, введен генератор прямоугольных импульсов, причем кольца-гребенки закреплены на концентрически расположенных пьезокристаллах, -соединенных с генератором прямоугольных импульсов.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 конструкция автокатода; на фиг. 3 устройство входного резонатора; на фи. 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства.

СВЧ-усилитель (фиг.1) с источниками питания состоит из многоострий|НОго автокатода 1, коллектора 2,

входного резонатора.3 и выходного резонатора 4, СВЧ-генератора 5, нагрузки б, генератора 7 прямоугольны импульсов и высоковольтного источника 8 постоянного напряжения.

Автокатод (фиг.2) состоит из концентрических, коле11,-гребенок с остриями 9, расположенных на проводящих основаниях, которые закрепляются на торцах.пьезокристаллов 10 12 и соединяются с генератором прямоугольных .импульсов. На боковые стенки пьезокристаллов Нанесено проводящее покрытие, соедданенное с генератором прямоугольных импульсов вводами 13.

Вариант конструкции входного резонатора представлен на фиг. 3.

Полуволновый резонатор с автокатодом 1, расположенным в пучности электрической составляющей СВЧ-поля, имеет экспоненциальное сужение 14 для увеличения напряженности поля в зазоре, перекрытом проводящей сеткой 15. Вводы 13 вакуумно-плотные и изолированные от корпуса устройства соединяют автокатод 1 с генератором прямоугольных импульсов и высоковольным источником. Величина входного СВЧ-сигнала подбирается такой, чтобы .напряженност электрического поля, созданного.у поверхности катода за счет высоковольт ного источника и СВЧ-поля, была достаточной для возбуждения заметной автоэлектронной эмиссии, т.е. с6--, ставляла не 3-10 В/см. ЗРогда в направлении,коллектора будут ис пускаться автоэлектроны, возбуждая выходной резонатор. Для увеличения средней мощности усилителя на пьезокристаллы подается: управляющее напряжение такой полярности,что внешнее кот цо и внутренняя шайба выдвигаются а среднее кольцо ситускается.Э агссн1( ав- тоэ.дектронов пойдет с внешнего кольца и внутренней шайбы, среднее же кольцо будет экранировано соседними кольцами и выведено из области автоэмиссионного поля, затем полярность управляющихимпульсов меняется, и в о.бласть автоэмиссионйого поля вводится среднее кольцо. Крайние кольца при этом экранируются средним кольцом и не эмиттируют. Количество. автоэмиттеров На средней кольце равно количеству автоэмиттеров на вн инем кольце и внутренней шайбе. В результате длительность импульсов автом 1иссионного тока с каждого острия укорачивается в два раза. Это позволяет увеличить плотность автоэмиссионного тока с каждого острия, а следовательно, и полный ток автокатрда в два раза при сохранении стабильности работы автокатода и его

W П 12 надежности. Кроме того, откЕ«ваются возможности увеличения плотности упа ко8ки острий в ,многоострийном катоде, что эквивалентно увеличению первеавса катода. В эксцериментальнсм конструкции расстояние катод-сетка равняется 10 мм,, длина острий 1 мм, расстояние между острияю 5 мм. Пьезокристапл обеспечивает смещение концентрических колец-гребенок на 0,05 относительно друг друга при подаче .на него управляющего напряжения от генератора типа Г5-54. ПРИ смевсении опустившееся кольцо в достаточной степени экранируется поднявшимся и выводится из .электрического поля, способного вызвать автоэмиссию. В качестве высоковольтного тока используют источник с напряжением 4 кВ при токе до 10 мА. Предлагаемое устройство по Ьравнению«с прототипом имеет увеличенную среднюю мощность усилителя за счет увеличения тока многоострийного автокатода ,беэ увеличения габаритов усилителя, плотность острий на единицу поверхности катода, а еле довательно, и первеанс предахагаемого многоострийного автокатода выие, что позволяет увеличить крутизну проходной характери стики усилителя, технология изготовления многоострийных автокатодов упрсэдается что поз-, воляет снизить их себестоимость.

СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ, содержащий резонаторы с сеткой, коллектор и многоострийныйавтокатод в виде концентрических .колец-гребенок, о т личающийся тем, что, с целью увеличения средней мощности усилителя, в него введен генератор прямоугольных импульсов, причем кольца-гребенки закреплены на концентрически расположенных пьезокристаллах, соединенных с генератором прямоугольных импульсов. (Л