Импульсный СВЧ-прибор Советский патент 1989 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к области СЕЧ электроники и может быть исполь зовано в.качестве перестраиваемого источника СВЧ излучения. В настоящее время в качестве перестраиваемых источников СВЧ излуче ния широко используются отражательные клистроны, лампы обратной волны (лов)5 а также пролетные клистроны генераторы о Известен перестраиваемый клистрон ный генератор, содержащий электронную пушку, соосно ей входной и выход в,ой резонаторЫд последний имеет меха ническую перестройку. При этом резонаторы настроены на разные частоты и связаны регенеративной обратной связью. Недостатком этого прибора является длительное время установления частоты генерируемых колебаний, что обусловлено механической перестройко частотыS а также достаточно узкий диапазон перестройки. Из известных перестраиваемых гене раторов наибольшей полосой обладает ЛОВ, В ЛОВ резонансные элементы отсутствуют к перестройка ее достигается изменением напряжения пучка. Однако из-за ухудшения условий взакмодейст 5ия пучка & полем замедляющей системы при изменении напряжения полоса перестройки, ЛОВ не превышает (2Q-50)% от средней частоты. Наиболее близким техническим решением является импульсный СВЧ прибор, содержащий электронную пушку, модулирующий резонатор и выходную секцию,- выполненную ,в виде отрезка замедляющей системы. Выходная секция имеет ввод дополни-тельного внешнего сигналов. Недостатком этого прибора является узкий диапазон перестройки частоты,) что обусловлено наличием нелиней ных процессов перекачки энергии по комбинационным гармоникам. Целью изобретения является расши рение диапазона перестройки частоты Поставленная цель достигается тем, что в импульсный СВЧ прибор, содержащий электронную пушку, модулирующий резонатор и выходную секцию, между резонатором и выходной секции введены две металлические пл стины с отверстиям для прохождения электронного пучкад изолированные о резонатора и выходной секции и имеющие выводы для подключения к генератору импульсного напряжения, причем расстояние между пластинами выбрано из условия выполнения следующих соотношений И L 7у Т расстояние между пластинами; длительность импульса тока прибора; D.y - длительность импульсного напряжения между пластинами| V(,p - усредненная скорость движения электронного пучка меж.ду пластинами. Выходная секция выполнена из отрезка замедляющей скстеьы или в виде перестраиваемого резонатора. На чертеже изображен предложенный СВЧ-прибор. Шпульсный СВЧ прибор содержит электронную пушку 1, состоящую из катода и ускоряющего электрода 2, и соосные 8й модулирующий резонатор 3 и выходную секцию 4. В общем случае выходная секция может иметь различные конструктивные решения, Б варианте,, изображенном-на чертеже, выходная секция 4 выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей сиетемыJ формирующей электромагнитную волну с постоянной фазовой скоростью Уф, определяемой геометрическими размерами спирали V(j,c-d/Vd2+ (21Га)2 , где .3 - радиус спиралиj d - шаг спирали, с - скорость света„ В другом варианте выходная секция может быть выполнена, например в виде перестраиваемого резонатора. , Между резонатором 3 и отрезком выходной секции 4 установлены жестко закрепленные отрезками 5,6,7 трубы, выполненнь ми из изолирующего материала, металлические пластинь 8 и 9 с отверстиями. Центры отверстий расположены на продольной оси прибора, а их геометрия определяется геометрией поперечного сечения электронного пучка. Так, если пучок в поперечном сечении круглый или кольцевой, то отверстия целесообразно выполнить в виде круга. Если же пучок ленточный, то отверстия целесообразно ,,выполнить прямоугольными. Отрезки 5, вакуумно плотно соединены .с металлическими пластинами 8,9, резонатором 3 и выходной секцией 4 н образует вместе с отверстиями в пластинах 8, 9 канал 10 дрейфа. Для обеспечения равномерного распределеНия поля в канале 10 между пластинами 8,9, выполняющими функцию обкладок конденсатора, г в варианте, изображенном на чертеже, линейные ра меры пластин 8,9,значительно превыша линейные размеры .отверстий в них. В другом варианте исполнения обеспечение равномерного распределения ..поля в канале 10 может быть достигнуто установкой в плоскости отверстий металлических стоек. Расстояние 1 межд пластинами целесообразно выбрать 1 (d - линейный размер отверстий), при этом достигается равномерное распределение потенциала в поперечном сече нии пучка. В варианте, изображенном на чертеже, число пластин , В общем случае число пластин зависит от расстояния между резонатором 3 и выходной секцией 4 и определяется из соот 1,где L -..длина кавощения п нала 10 дрейфа. Для эффективной работы прибора требуется выполнение ряда режимных соотношений. Так, длительность D импульса тока электронного пучка, формируемого в пушке при подаче напряжения на ускоряющий электрод 2, должна удовлетворять условию С (.p ,1 где средняя скорость частиц в канале 10 дрейфа. Длительность Sv, импульса напряжения V , подаваемого от генератора 11 импульсного напряжения на пластины 8,9, должна быть LVJ lo Vi длин электрон-vного пучка, сформированного электрон ной пушкой. скорость элек ронного пучка, определяемая напряжением и, поданным на ускоряющий.;элек трод пушки, е,т - заряд и масса элек рона t Момент подачи импульса, от генератора 11 на пластины 8,9 сдвинут по времени на (j/V по отношению к . импульсу напряжения, подаваемому на ускоряющий электрод 2 электронной пушки 1. Уровень модулями V/V, электронов по скорости в резонаторе 3 при заданных д.пине L канала дрейфа и частоте W., модуляции должен меняться в соответствии с «вменением средней скорости в канале дрейфа по закону V 2IIL 1 v u/rv СВЧ-прибор работает следующим образом. Импульсный электронный пучок, формируемый электронной пушкой 1, пролетая через резонатор 3 со скоростью V , модулируется по скорости подаваемым во входной резонатор сигналом частоты Wi. В результате по мере движения в канале 10 дрейфа электроны собираются в сгустки, центры которых отстоят друг от друга в пространстве на расстоянии 1 Поскольку длительность импульса тока .электронного пучка ограничена условием v--. ТО весь электронный пучок в момент времени , отсчитываемый от момента появления электронного пучка в канале 10 дрейфа, оказывается между пластинами 8,9. В этот мент на пластины 8, 9 подается напряжение от генератора 11, в результате чего в канале дрейфа создается однородное ускоряющее электрическое поле E(t). В соответствии с условием /л , L-l воздействие электрического поля на электроны прекращается до того, как электронный пучок достигнет пластины 9. При выполнении вышеуказанного условия, а также вследствие того, что линейные размеры пластин 8,9 значительно превьш ают линейные размеры отверстий в них, а расстояние между пластинами выбрано , все электроны пучка ускоряются одинаково и получают одинаковое прираение скорости iV езультате скорость пучка становится авной . Так, как период 1 ледования сгустков в пространстве ри одинаковом ускорении всех чiacтиц е меняется, то после ускорения межу пластинами 8, 9 сгустки будут летать в выходную секцию 4 с частоЦ)г- - на которой сое- редоточена большая часть энергии пучка. В случае выполнения выходной секции в виде отрезка спиральной замедляющей системы электронная перестройка СВЧ-прибора осуществляется изменением значений скоростей Vj . и V, путем изменения напряжений на ускоряющем электроде 2 и пластинах 8, 9. При этом значения начальной V, и конечной л скоростей пучка полностью определяются фазовой скоростью ф формируемой в замедляющей системе волны, так как для совпадения час тоты и пространственного периода еле дования сгустков с частотой и пространственным периодом электромагнитно волны эти скорости должны быть V, - Уф, , а напряжения, подаваемые на ускоряющий электрод 2 к пластины 8,9, соответственно U ,(J V V ).1 4 Помимо принципиальных ограничений на диапазон перестройки, вытекающих из того факта, что скорость электронов не может превышать скорости света, на практике реальные ограничения связаны с конечностью полосы пропускания любой замедляющей системы. Так, при наличии спиральной замедляющей системы, имеющей полосу пропускания в несколько октав, СВЧприбор может изменять выходную частоту в 3-5 раз, в то время как в при боре, выбранном в качестве прототипа перестройка частоты из-за наличия нелинейной связи между различными комбинационными гармониками, не может превышать нескольких десятков процентов.. В случае выполнения выходной секции в виде перестраиваемого резонато ра настройка на требуемую выходную частоту (м осуществляется одним лишь 1 16 напряжением на пластинах 8, 9. Поскольку начальная скорость V, здесь произвольна (важно лишь отношение ), то свободу в выборе напряжения на ускоряющем электроде 2 можно использовать для расщирения диапазона перестройки еще на октаву. Таким образом, введение в СВЧприбор, содержащий электронную пушку, модулирующий резонатор и выходную секцию металлических пластин позволяет управлять процессом формирования электронных сгустков путем изменения напряжения на металлических пластинах, за счет чего и достигается положительный эффект - расширяется диапазон перестройки. В данном приборе имеется возможность обеспечения высокого КПД и соответственно постоянной выходной мощности во всем диапазоне перестройки. Это достига,йтся за счет того, что в предложенной конструкции обеспечиваются оптимальные условия формирования электронных сгустков -) за счет изменения уровня модулирующего сигнала. Пример, ксжкретной реализации. Диаметр металлических пластин см и диаметр отверстий в пластинах см. При длине канала дрейфа -J- +1 6. см число пластин п d Частота модуляции со, соответствует длине волны Л 8 мм. Фазовая скорость волны, формируемой в спиральной замедляющей системе, ,063 С. Тогда при изменении напряжения на ускоряющем электроде 2 от 4 кВ до 250 В, ;.а на пластинах 8, 9 от 3 кВ до 750 В (знак - соответствует тормозящему потенциалу между пластинами , выходная, частота а)/2 прибора будет меняться на 2 октавы.

. 1. ИМПУЛЬСНЫЙ СВЧ-ПРИБОР, содержащий электронную пушку, модулирукндий резонатор и выходную секцию, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона перестройки частоты, между резонатором и выходной секцией введены по крайней мере две металлические пластины с отверстиями для прохождения электронного пучка, изолированные от резонатора и выходной секции и имеющие выводы для подключения к генератору иипульсного напряжения, причем расстояние между пластинами выбрано из условия выполнения следующих соотношений Vcp и L /C,Vcp, где L - расстояние между пластинами; О - длительность импульса тока прибора; t.- длительность импульса напряжения между пластинами; . V.. усредненная скорость движения ср электронного пучка между плаестинами. 2.СВЧ-прибор поп.1,отлича«Л ю щ и и с я тем, что выходная секция выполнена из отре.зка замедляющей системы. 3.СВЧ-прибор по п.1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что выходная секция выполнена в виде перестраиваемого резонатора. 00 N} ю ю