Замедляющая система для ламп бегущей волны Советский патент 1993 года по МПК H01J23/24 H01J25/34 

Изобретение относится к области радиоэлектроники СВЧ, 8 именно к замедляющим системам для СВЧ приборо типа лампы бегущей волны (Л бВ).

,Известны различные модификации замедляющих систем в виде последователь иости колец или трубок дрейфа, расположенных соосно с волноводами разной конфигурации и крепящихся посредством металлических опор, поочередно выходящих из противоположных частей волновода, в частности замедляющая система с двумя видами опор треугольной формы различных размеров, расположенных поочередно на двух противоположных стрронах прямоугольного волновода и имеющих вблизи вершин поочередно отверстия и трубки дрейфа,

Недостаткрм конструкции является ее сложность и йедостаточная технологичность, - ; / .. , ,;,;: ;,:, . -..Наиболее близким техническим ре;швнием к изобретению является замедляющая система ДЛИ ламл бегущей волны, содержащая расположенные вдоль оси круглого волновода кольца, укрегитенныв посредством металлических опор попеременно на диаметрально противоположных частях волновода.

Данная замедля1рщая система имеет ряд преимуществ до срав «ению с общеизвестными замедляющими системами типа диафрагмированный волновод - устойчивость к самовозбуждению при фазовом сдвиге ip 2лг, возможность прй.менения вневакуумной магнитопериодической фокусировки на постоянных магнитах, но уступает указа:нным системам по величине сопротивления связи, что является причиной Ограничения по мощности.

Цел:ью изобретения является повышение мощности Л БВ.

14;ель достигается тем, что в замедляющей системе для ламп бегущей воЛны Содержащей расположенные вдоль оси круглого волновода кольца, укрепл0ннце посредством металлических опор попеременно на диаметрально противоположных частях волновода, круглый волновод по всей длине замедляющей системы имеет продольные пазы, в которых расположены металлические опоры, причем глубина пазов Нпаэ выбирается из условия

At 2

- V / Al v2

(-) -(bnaa-l-j)

D

S a

()

h

где S - площадь поверхности кольца:

a - ширина опОры;

Ьпвз - зазор между стенками пазов и опорами;

5О -- расстояние между осями соседних

опор,

d-зазор между кольцами;

AI - диаметр волновода.

Кроме того, зазор между стенками па10 зов и опорами выбирается из условия

Ьпаз

1

2

где b -зазор между поверхностью волновода и кольцами.

Нафиг,1 изображен продольный разрез замедляющей системы в плоскости опор; на фиг.2 - поперечный разрез системы в пло0 скости колец, где приняты следующие обозначения: 1 - кольца, расположенные вдоль ори круглоговолновода 2,3 - металлические ОПОРЫ, посредством которых кольца 1 крепятся к волноводу 2, 4 - продольный паз; на фиг.З - эквивалентная схема замедляющей системы без пазов; на фиг.4 изображена эквивалентная схема замедляющей системы с пазами; на фиг.5 - график зависимости отношения сопротивления связи замедляю0 щей системы с пазами к сопротивлению связи замедляющей системы без пазов Rnaa/R от отношения глубины паза к зазору между поверхностью волновода и кольцами Ьпаз

-; на фиг.б - качественные дисперсионные характеристики замедляющих систем с пазами; на фиг.7 - график зависимости сопротивления связи замедляющих систем с пазами различной ширины и замедляющей

0 системы без пазов от фазового сдвига - р. Увеличение сопротивления связи в предложенной замедляющей системе с пазами по сравнению с замедляющей системой без пазов, взятой в качестве прототипа,

5 Можно объяснить из анализа соответствующих эквивалентных схем (см. фиг.З, 4). Замедляющая система без пазов описывается цепочкой эквивалентных четырехполюсников (фиг.З), где емкость Ci соответствует емкости между соседними кольцами, L индуктивность опоры, пропорциональная ее высоте (1. kt h), С - емкость между кольцом и волноводом. В данной эквивалентной схеме учитывается только связь между соседнимй ячейками (Ст). Связь с последующей ячейкой мала, так как она состоит из взаимно компенсирующих электрической и магнитной компонент, обусловленных емкостью и взаимной индукцией между опорами, расположенными череаяч1ейку. В замедляющей системе с пазами и соответственно увеличенной высотой опор связь через ячейку становится суи(ественной и носит злектрический характер, так как взаимная индуктивность между опорами в области паза из-за близости стенок мала. Таким образом, в эквивалентную схему необходимо ввести дonoлниteльнyю емкость С2 k С2 Ьпаз, пропЬр14Иональную глубине паза, а з амедляющая система будет описываться цепочкой шестиполюсников (фйг.4). Здесь емкость Со состоит из емкости кольцо-волновод, уменьшенной за счет паэа Со kC (k - определяется из геометрии системы), и емкости между опорой и боковыми стенками паза, пропорциональной его глубине: Спвэ kСп Knas. Индуктивность опоры LO также можно разбить на две части - индуктивность части опоры высотой h, расположенной вне паза, и в пазу - высотой Ьпаз, U kLh+kLn-hna3. Дисперсионные уравнения и выражения для сопротивления связи, полученные на основании приведенных эквивалентных схем, имеют следующий вид:

V U(hn)-Q.(hn)- (1M. 44-Щ-Sin У

паз

О

LC/1

Из анализа приведенных соотношений видно, что величина сопротивления связи замедляющей системы Rпаз с увеличением глубины пазов растет и превосходит по величине сопротивление связи замедляющей системы без пазов R, начиная с некоторой минимальной глубины (обусловленной конечной шириной пазов), при которой длины опоры обеих систем равны. Возрастание сопротивления связи обусловлено увеличением индуктивности опор с ростом их высоты за счет углубления пазов, а также увеличением связи через одну ячейку за счет емкости С2, возрастающей с увеличением, глубины пазов. При малой глубине пазов, когда вследствие конечности их ширины высота опор меньше, чем в системе пазов, сопротивление связи замедляющей системы с пазами может быть меньше, чем в системе без пазов. Минимальная глубина пазов, начиная с которой наблюдается воздляRдлягде и.с свя и п зап

C2(hn)

щ(

cos)

144

Чи

растание сопротивления связи системы с пазами, по сравнению с замедляющей системой без пазов, определяется, исходя из 35 геометрии системы, как

fH

hvlrt

2

Приведенные зависимости Rnaa/R от Нпаз/Ь при фазовых сдвигах рг 1,143 я ; 1,214 гг:1,286я ; 1,429я проиллюстрированы на фиг.5 для замедляющих систем со следукнцими относительными размерами; диаметр волновода Ai/D 1,9; внешний диаметр кольца A2/D 1,5; внутренние диаметр кольца A/D 0,9; ширина опоры а/Ь 2; зазор между кольцами d/D 0,5; зазор межЬпаз

У стенками волновода и опорами .05; глубина паза Ьпвз/Ь 2,6. замедляющей системы без пазов (1- - slnV/2) t F((2) замедляющей системы с пазами (1-h4gWf+4gs.n --(З) Rna3-F(ip) „ Дпаз .1 (Д,Апаз длина волны в системе без паза азами; С-скорость света в вакууме: - фазовый СД8ИГ на ячейку системы. Отношение величин сопротивлений и предлагаемой замедляющей системы ототипа в з ависимости от глубины паза шется как

Эквивалентные параметры ввиду сложности точного электродинамического расчета были получены на основании измеренных дисперсионных характеристик и сопротивления связи соответствующих систем с использованием приведенных выше соотношений. Измерение сопротивления связи проводилось методом бисерного зондэ. Величина Ci рассчитывалась по формулам плоского конденсатора, а коэффициенты kt. kLn и величины L, С получены из приравнивания экспериментальн1ь1х и расчетных значений (1. 3) длин волн А, Апаз при фазовых сдвигах у О 14 яг; коэффициент k С2 ИЗформул ы(5)иэкспериментального значения Rna3/R при 1,143 ж .

Характерным для замедляющих систем, описываемых цепочкой эквивалентных шёстиполюсников типа фйг,4, является наличие д о п о л н и т е л ь н о го эк с т р е му м а н;а дисперсионной характеристике при значениях Cs/Ci и точке, где удовлетворяет

.В этой точке

соотношению cos§p

дисперсионная характеристика изгибается и происходит изменение знака дисперсии, т.е. в системе распространяются сразу две волны - одна с положительной дисперсией, другая с отрицательной. На фиг.6 приведены качественные характеристики 1Ой гармоники замедляющих систем при разных величинах Ca/Ci- Для устойчивой работы ЛБВ желательно иметь замедляющую систему с дисперсионной характеристикой без перегиба, т.е. необходимо выполнять условие C2/Ci 1 /4. С этой точки зрения глубину паза нужно выбирать меньше некоторой критической величины

1 S /D

1 (

Икр -тгде S - площадь торцовой поверхности кольца. Так, для рассчитанной замедляющей системы Нкр/Ь 6, ширина паза выбирается больше поперечного размера опоры, причем при малой зазоре между стенками пазов и опорами увеличение сопротивления связи незначительно, так как индуктивность опоры в области паза уменьшается за счет близкого расположения стенок паза. Кроме того, уменьшается емкость С2, поскольку часть электрических силовых линий отклоняется на стенки паза. Значительное увеличение ширины пазов приводит к увеличению индуктивности Lo, но при этом возрастает взаимоиндукция между опорами, расположенными через одну ячейку, что компенсирует емкостную связь за счет Са, Все это уменьшает сопротивление связи. Кроме того, значительное увеличение ширинь паза осложняет условия магнитной фокусировки. Пределы изменения ширу1ны пазов выбраны на основании экспериментальных данных, Ириведенных на фиг.7, и составляbrjas

Ю1т1 SS2.

b

Изготовление волновода с продольными пазами технической сложности не представляет, применение предложенной замедляющей системы с увеличенным сопротивлением связи в лампах бегущей волны позволяет повысить выходную мощность прибора, практически не уменьшая его ширОкОпОлоснОсть;

(56) Патент США № 3699379, кл. Н 01 J |/3, опублик. 1972.

Патент Англии № 1334511, кл. Н 01 J 0 23/24, опублик. 1972.

Формул а изобретения

1, ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЛАМП БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ. сод€ ржаадая расположенные вдоль оси круглбгр волновода кольца, укрепленные посредством металлических опор попеременно на диаметрально противоположных частях волновода. Отличающаяся тем, ITO, с целью повышения мощности Л БВ; круглый волновод по всей длине замедляющей системы имеет продольные пазы, в которых расположены металлические опоры, причем глубина пазов Нпаэ выбирается из условия

Ai/2 - V(Ai/2 )2-(Ьпаз-f-а/2)2

Нпаз 1/8 S/a(D/d + 1), ; где S - плОщадь поверхности кольца; а-ширина опоры; Ьпаз - зазор между стенками пазов и

опорами; D расстояние между осями соседних

опор;

d - зазор между кольцами; AI-диаметр волновода. 2, Система по п. 1, отличающаяся тем, что зазор между стенками пазов и опорами выбирается из условия

1

2

где b - зазор между поверхностью волновода и кольцами.

///////////////. ///////////// /// Л

поз

Фш 2

;j

--t

fl

Фиг.Т

Ci

фиг. J

ф1/г4