СВЧ-усилитель с длительным взаимодействием Советский патент 1984 года по МПК H01J23/24 

злектронод

Фаг. вано в технике СВЧ, в частности, в широкополосных усилительных каскадах радиоприемных и радиопередающих устройств, . Известны лампы бегущей волны (ЛБВ) со схемой формирования компенсационного сигн.ала, содержащее оптимизатор амплитудно-фазовых соотношений для подавления побочных колебаний l. Однако в данном устройстве невозможно осуществить полное подавление побочных колебаний в широкой полосе частот. Известен также СВЧ-усилитель с длительным взаимодействием содержащий входную и выходную секции с замедляющей системой, между которыми расположен оптимизатор амплитуднофаз.овых соотношений . В рассматриваемых в этом решении вариантах конструкции ЛБВ полигармонический сигнал формируется в вход ной секции усилителя, являющейся участком ЛБВ, за счет нелинейности взаимодействия пучка с полем электро магнитной волны, затем амплитуднофазные соотношения между гармониками изменяются с помощью дисперсионных элементов, а окоие.чная секция прибора работает в режиме усиления полй гармонического сигнала. В усилителе первого варианта опти мизатор фазоамшжтудных соотношений между гармониками сигнала представляет собой .локальный поглотитель ЛБВ со специальными свойствами: малым затуханием на частоте второй гармоники и большим на первой. Однако из.вестные локальные поглотители в требуемых полосах усиливаемых частот такими свойствами не обл дают. В усилителях второго и третьего вариантов изменение фазо-амплитудных соотношений между гармониками сигнал осуществляют с помощью дисперсионных волноведущих линий,расположенных вие прибора или внутри его, но не связанных с электронным пучком. Однако в такой конструкции невозможно удовлетворить фразовым соотношениям между полем и сгруппированнь 4 током ла основной частоте в широкой полосе частот, что уменьшает .рабочую полосу прибора. оптимизатор представляет собой отре зок дисперсионной замедляющей системы ЛБВ, установленный между входным и выходньп4 участками и согласованный с ним с помощью локальных поглотите-: лей. Подбор фазовых сортношений осуществляется изменением длины и величины дисперсии промежуточного отрёзка замедляющей системы. Недостатком известного устройства является то, что необходимо при широкой полосе пропускания СВЧ-сигнала (более октавы) иметь крутую дисперсию и малую длину промежуточJHoro отрезка замедляющей системы. Реализация этих требований на изBecTHbix замедляющих : системах за.руднена..Использование слабодисперсных систем требует увеличения их длины, что, в свою очередь, снижает эффективность способа, уменьшает полосу усиливаемых частот, увеличивает габариты прибора. Кроме того, расчеты таких конструкций на ЭВМ показывают, что при преобразовании полигармонического СВЧ-сигнала в поле замедляющей системы либо абсолютный уровень второй гармоники получается недостаточг ным для достижения максимального . эффекта, либо участок преобразования необходимо располагать близко к выходу прибора, что вызывает уменьшение КПД и полосы усиливаемых частот. Целью изобретения является расширение полосы усиливаемых частот, уменьшение уровня паразитных высших гармоник мощности, увеличение КПД в полосе усиливаемых частот. Поставленная цель достигается тем, что в СВЧ-усилителе с длительным взаимодействием, имеющем входную и выходную секции с замедляющей системой, между которыми расположен оптимизатор амплитудно-фазовых соотношений, последний выполнен в виде усилителя волн пространственного заряда с йролетной секцией, выполненной в соответствии с соотношением Щ Ь )рг где L- длина пролетной секции, м; И- 0,1,2; 0,3 i К 6 0,7; 3 2 удельный заряд электррна, Кл U - ускоряющее напряжение, В; Цо- круговая частота, соответствующая низкочастотному кра диапазона рад/с; с - параметр усиления Пирса; о - параметр пространственного заряда. Причем пролетная секция может быть выполнена в виде трубли дрейфа длиной 1|. При этом пролетная секция может быть выполнена в виде замедля ющей системы, шаг которой меньше шага замедляющей системы входной и выходной секций. Кроме того, пролетная секция может содержать цилиндрическую метал лическую втулку, закрепленную на замедляющей системе.. На фиг. 1 показана схема усилителя; на фиг. 2-е - варианты выполнения оптимизатора; на фиг, характеристики прибора. Устройство содержит генератор 1 .гармоник - входная секция, оптимизатор 2 амплитудно-фазовых соотношений, выходную секцию. - усилитель 3 полигармонического сигнала, усилитель 4 волн пространственного зарядаj пролетную рекцию 5 усилителя волн пространственного заряда, локальный поглотитель 6 (фиг. 1-6). На фиг, 3 и 4 изображены конструкции секции усилителя 4 волн пространственного заряда с входным и выходным устройствами 7 и 8, в которых пролетная секция выполнена в виде разрыва в замедляющей системе ч определенной длины . введением большого затухания в локально поглотителе, сжатием или закорачиванием нескольких витков спирали (фиг. 4). Для повышения эффективност работы пролетной секции на ее длине {целесообразно увеличить значение сопровождаемого магнитного поля Хфиг. 5)ч На фиг. 7 и 8 представлены зависимости амплитуд гармоник- тока и фазового сдвига между ними длины участка дрейфа; иа г. 9 изоб ражены теоретические зависимости КПД ЛБВ 12 и уровня второй гармоники Pj/P от длины участка дрейфа; на фиг. 10 и 11 даны экспериментальные зависимости КПД и уровня второй гар{моники Pj /Р от частоты входного сиг 04 нала-i/i для ЛБВ с секцией усиление волн пространственного заряда и без Поясним работу устройства. Группирование электронного потока в пролетной секции усилителя волн пространственного заряда наиболее просто провести на примере секции дрейфа. Как показывают расчвхъ, в секции дрейфа происходит увеличение как относительного, так и абсолютного уровня высших гармонических составляющих сгруппированного тока при одновременном изменении фазовых соотношений между ними. Подбором параметров секции дрейфа можно добиться оптимальных для дальнейшего взаимодействия в выходной секции амплитудных и фазовых соотношений. Длина пролетной секции выбирается из условий необходимого увеличения амплитуд высших гармонических составляющих при максимальном фазовом сдвиге между ними, что достигается при значениях ,3-0,7; при этом обеспечиваются максимальные значения ЮЩ и минимальный уровень высших .гармонических составляющих (фиг. 9). В предложенных конструкциях оптимизатора амплитудно-фазовых соотношений достигается значительное (до 10 дБ и более) увеличение абсолютного уровня высших гармоник, что позволяет располагать оптимизатор достаточно далеко от выхода прибора, размещая его на участке расположзния локального поглотителя. Кроме того, пролетная секция обладает слабой дисперсией волн пространственного заряда,- что позвопяет реализовывать сверхширокополос усилители преимуществом предложенного уси длительньм взаимодейстаием является простота его реализа-«; ции, не требующая разработки новых технологических и конструктивных приемов или создания специальных замедляющих i систем. При экспериментальной апробации предлагаемое устройство (СВЧ-усилитель с длительным взаимодействием, включающий секцию усиления волн пространственного заряда) позволило увелйчить минимальный КПД более, чем в 1,5 раза, расширить полосу усиливаемых частот до двух октав, снизить максимальный уровень второй гармо йики до -ТО дБ (на 6-7 дБ). Использование изобретения не исключает применения других средств улучшения энергетических характеристик усилителей, в частности в приборах со скачками фазовой скорости и |фазы поля в выходной секции замедляющей системы .эффективность использования Секции усиления волн пространственного заряда также велика, что подтверждают результаты эксперимента, Ф1/1г.2

t. СВЧ-УСИПИТЕЛЬ С ДЛИТЕЛЬНЫМ ВЗММОДЕЙСТВИЕМ, содержащий входную и выходную секции с замедляющей системой, между которыми расположен оптимизатор амплитудно фазовых соотношений, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД в. полосы усиливаемых частот, уменьшения уровня паразитных высших гармоник , мощности, оптимизатор амплитуднофазовых соотношений выполнен в виде усилителя волн пространственного , заряда с пролетной секцией, выполнен.ной в соответствии с соотношением Щ l(mUV WffC где Т - |длинапролётной секции, м; п 0, .. 0,3 К 6 0,7; - удельный заряд электрона, Кл; Гускоряющее напряжение.. В; Ojj- круговая частота, соответствующая низкочастотному краю рабочего диапазона, рад/с; С- параметр усиления Пирса; Н параметр пространственного заряда. 2.СВЧ-усилитель по п, 1, о т л и чающийся тем, что пролетная осекция выполнена в виде трубки дрейфа. 3.СВЧ-усилитель по п. 1, о т л ичающийся тем, что пролетная секция выполнена в виде замедляющей системы, шаг которой меньше шага :замедляющей системы входной и выходп ной секций.. . : . 4.СВЧ-усилитель по п. 3, о т л ичающийся тем, что пролетная N9 ЭО &9 секция содержит цилиндрическую металлическую втулку, закрепленную на за/ медляющей системе.

/

Itifl i .,,Ц-Дь

ц- Фиг.З

vL

/ A/WWVHA

J

лг

Ц

ФигМ

.J

U.

WBJUIL

0LfZ.5

б

Фиг.б

Фиъ.7