Генератор дифракционного излучения Советский патент 1984 года по МПК H01J15/00 

Изобретение относится к электронике СВЧ миллиметрового диапазона, частности к СВЧ генераторам с открытым резонатором.

Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ), содержащий открытый резонатор (ОР), образованный сферическим и плоским зеркалами, периодическую структуру в виде дифракционной решетки, нанесенной на плоское зеркало ОР, электронную пушку (катод), коллектор, систему вывода энергии из ГДИ, размещенные внутри магнитной системы (соленоида) или между полюсами постоянного магнита Л .

Указанньш ГДИ имеет недостаточно разреженный спектр.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является генератор дифракционного излучения, содержащий открытый резонатор, выполненный в виде коаксиально расположенных внещенго цилиндрического и внутреннего зеркал, цилиндрришскую периодическую систему, расположенную на внутренней поверхности цилиндрического зеркала, кольцевую электронно-оптическую систему и систему связи выв.одного канала с открытым резонатором, причем пуйКа и коллектор электронно-оптической системы размещены у краев периодической структуры 21 ,

Недостатки известного устройства заключаются в сложности конструкции и недостаточной разреженности спектра генерируемых колебаний.

Цель изобретения - упрощение конструкции и разрежение спектра генерируемых колебаний.

Поставленная цель достигается . тем, что в генераторе дифракционного излучения, содержащем открытый резонатор, выполненный в виде коаксиально расположенных внешнего цилиндрического и внутреннего зеркал, цилиндрическую периодическую систем расположеннутб на внутренней поверхности цилиндрического зеркала, кольцевую электронно-оптическую систему и систему связи выводного канала с открытым резонатором, поверхность внутреннего зеркала вьтолнена в виде усеченного конуса в соответствии со следующими соотношениями

а oz т;2 ,

где Д. и & - нижняя и верхняя границы области существования колебаний на внутреннем коническо зеркале открытого резонатора, лежащего в интервале значений 0,,0,55, 0,,75;

. Ь - радиус внешнего цилиндрического зеркала; а, соответственно минич

мальный и максимальный радиусы рабочей поверхности внутреннего зеркала.

Периодическая структара может быть выполнена полупрозрачной, выводной канал - в виде конического зеркала, расположенного коаксиально цилиндрическому зеркалу снаружи него над системой связи, выполненной в стенке цилиндрического зеркала.

На фиг. 1 и 2 приведены продольные разрезы двух вариантов генераторов дифракционного излучателя; на фиг. 3,- зависимость поперечных собственных чисел Xmi магнитных волн Етп для ряда значений , в зависимости от д а/ Ь отношения текущего радиуса внутреннего конического зеркала к радиусу внешнего зеркала открытого резонатора.

ГДИ по первому варианту {фиг. 1} содержит внешнее цилиндрическое зеркало 1, внутреннее коническое зеркало 2, кольцевую электронную пушку 3, кольцевой коллектор 4, цилиндрическую периодическую систему 5, выводной канал 6, систему 7 связи, поршень 8, электронный поток 9, магнитную систему 10, область 11 взаимодействия электронного потока и поля открытого резонатора. Магнитная система 10, внешнее и внутреннее зеркала 1, и 2 расположены коаксиально. Внешнее и внутреннее зеркала образуют открытую резонансную систему гда. Периодическая система 5 расположена на внутренней поверхности внешнего зеркала 1, а у ее краев размещены кольцевая электронная пушка 3 и кольцевой коллектор 4. Вьгоодной канал 6 расположен внутри внутреннего зеркала 2, и в его невыходном конце установлен подвижный поршень 8, .3 Согласно втор.ому варианту(гЬцг.2 периодическая система 5 выполнена полупрозрачной, выводной канал 6 в виде конического кольцевого зерк ла, система 7 связи - в зеркале 1, Магнитная система 10, внешнее и внутреннее зеркала 1 и 2 расположе коаксиально. Внешнее и внутреннее зеркала 1 и 2 образуют открытую ре зонансную систему ГДИ. Часть генератора дифракционного излучения, содержащая внешнее и внутреннее зеркала, пушку, коллект периодическую структуру, выполнена вакуумно-плотной и помещена в внутренний объем магнитной системы (соленоида) или размещена между полюсами постоянного магнита. Расстояние от электронного пото ка до периодической структуры в обоих вариантах ГДИ обычно для генераторов дифракционного излучения электронный поток должен располагаться как можно ближе к периодической структуре, но не падать на нее. Поверхностная волна, с которой взаимодействует электронный по ток, убывает по экспоненциальному закону, а поэтому электронный поток должен быть максимально прибли жен к периодической структуре. По конструктивным соображениям магнит ное поле удобно реализовать с помощью соленоида, создающего продольное магнитное поле. Для более эффективного возбуждения магнитных типов колебаний кольцевые щели периодической структуры должны быть наклонены под некоторым углом if к плоскости поперечного сечения приб ра. Таким образом, периодическая структура представляет собой много заходную спираль, выполненную в ви .де частопериодической гофрированной поверхности. Г,ЦИ по первому варианту работает следующим образом. Кольцевая электронная пушка 3 испускает кольцевой электронный по ток 9 в сторону кольцевого коллектора 4, который под действием магнитно1 о поля магнитной системы 10 формируется в кольцевой электронны поток 9. Сфокусированный магнитным полем кольцевой электронный поток проходит в непосредственной близости от кольцевой периодической системы 5 и, так как период систе704мы 5 меньше длины волны собственного колебания открытого резонатора ГДИ, образованного зеркалами 1 и 2, то около периодической структуры распространяются пространственные гармоники этого колебания, имеющие фазовые скорости меньше скорости света и экспоненциально убывающие по амплитуде при удалении от поверхности периодической системы 5. При скорости электронов в потоке 9, близкой к фазовой скорости одной из пространственных гармоник, происходит эффективное взаимодействие электронного пучка с высокочастотным полем открытого pe30Hatopa. При токе электронного потока 9, прерывающем пусковое значение, система электронный поток - резонатор - периодическая система самовозбуждается и генерирует высокочастотные электромагнитные колебания, а электронный пучок оседает на кольцевом коллекторе 4. Возбуждение электромагнитного колебания из пространства открытого резонатора через систему 7 связи выводится в выводной канал 6. Режим бегущей волны в выводном ка- нале 6 обеспечивается с помощью настроечного поршня 8. ГДИ по второму варианту (фиг.2) работает аналогично, только возникшие высокочастотные колебания в открытом резонаторе ГДИ вьшодятся из ГДИ через полупрозрачную периодическую систему 5, систему 7 связи, выполненную в стенке внешнего зеркала 1 и выводного канала 6, выполненного в виде конического зеркала. Рассмотрим физические основы работы предложенного ГДИ. Спектр поперечных собственных чи-. сел X магнитных волн Н. простmn7 о ранстве между зеркалами 1 и 2, -образующих открытый резонатор ГДИ, описывается дисперсионным уравнением jm(.mnl mUmnbV3(XrnnMW( 0, где-: J j , N f - функции Бесселя 1-го рода и Нейзнак (I) означает производную от функций Л, К от их аргумента; tn 0,1,2..., - азимутальный индекс (по координате (f);

s

h 2,2,..., радиальный индекс (по координате г ); поперечные собстmnвенные числа магнитных волн Н ;

а/Ь отношение текущего радиуса внутреннего конического зеркала к радиусу внешнего зеркала открытого резонатора.

Численное решение этого уравнения представлено на фиг. 3. Характерный провал, имеющий место при ,,, лвляется рабочим участком Г/Щ, а колебания справа и слева от этой области не возбуждаются. Магнитные волны II в области д ,д д , .обладают падающим участком, характерным для приграничных магнитных волн, и растущим участком, характерным для объемных магнитных волн. Такие комбинированные волны, таким образом, имеют критические сечения (обозначенные на фиг. 1 и 2 штриховыми линиями) и в расширяющейся и в сужающейся частях между внешним и внутренним зеркалами 1 и 2 ГДИ, и поэтому происходит значительное разрежение спектра приграничных магнитных колебаний слева от 1 раницы Л, и справа от границы &-. В первом приближении по степени разреженности спектра можно считать, что спектр магнитных колебаний в диапазоне h i&t&2 примерно равен спектру при-граничных колебаний: одно колебание в октавной полосе частот. Величины и ti, определяющие нижнюю и верхнюю границы области существования колебаний в ГДИ, находятся из численного решения.приведенного уравнения, графически представенного на фиг. 3.

Пусть для заданных значений длина волны в вакууме -д и Ь поперечное собственное число, равное 13,75, то значения Ag и Л, будут определены пересечением прямой, проведенной из точки 13,75, параллельно горизонтальной оси X , они равны U, 0,5 и Ag 0,65, откуда нахо29670

дятся Магнитные волны, последовательно переотражаясь между критическими сечениями, проходящими через радиусы а, иа, формируют рабо5 чее поле ГДИ в виде магнитных волн , где р - продольный индекс (по координате 2 ) (фиг. 1 и 2). Целесообразен выбор , так как при этом создается максимально равномерное

О поле поперек периодической системы 5, в связи с этим и ширина зоны между критическими сечениями (расстояние между радиусами д иО,) выбирается равной нескольким длинам волн ра15 бочей частоты.

Тепловые -потери (добротные свой- ства) резонатора ГДИ будем характеризовать приближенным частотнозависимым параметрам

20 .

m(- 4ср1

-;;

Чр

где &ср среднее по длине резонато5 ра значение А . Для колебания Н,(5,з,р оценка дает значение 12 (й(.,5), в то время как для приграничного колебания Н,, ,5, а для приграничного колебания Н pe;i4,4, т.е.

0 в предложенном ГДИ, работающем на магнитных колебаниях , добротность открытого резонатора существенно больше, чем в ГДИ, работающем на приграничном типе магнитных

5 колебаний , при сохранении высокой разреженности спектра последних..

Электрические типы.колебаний в таком ГДИ не возникают и спектр ге0 нерируемых колебаний не искажают.

Приведенные оценки омической добротности показывают, что при работе на колебаниях f 3 добротность рабочего типа колебаний возрас5 тает примерно на порядок. Это ведет к резкому сужению ширины линии генерации и, как следствие, к повьш1ению электронного КПД (.электронный поток блоее эффективно взаимодейст

0 вует с полем рабочего типа колебаний) , так и общего КПД предйагаемого ГДИ, а стало быть, и к увеличе- нию выхрдной мощности. /

Фиг. 2 J

0,4 0,5 0,6

13,2

0,8 Фие. 3

1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГХ) ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий открытый резонатор, вьтолненный в виде коаксиально расположенных внешнего цилиндричес.кого и внутреннего зеркал, цилиндрическую периодическую систему, расположенную на внутренней поверхности цилиндрического зеркала, кольцевую электронно-оптическую систему и- систему связи выводного канала с открытым резонатором, О тличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и обеспечения разрежения спектра генерируемых колебаний, поверхность внутреннего зеркала выполнена в виде усеченного конуса в соответствии со следующими соотношениями а. а. Y u,VY--U2. где А и 4- - нижняя и верхняя границы области существования колебаний на внутреннем коническом зеркале открытого резонатора, лежащие в интервале значений 0,,0,55, 0,,75; b - радиус внешнего цилиндрического зеркала; (Л а, , соответственно минкмэльный и максимальньй радиусы рабочей поверхности внутреннего зеркала. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что периодическая система выполнена полупрозрач ной, выводной канал выполнен в ви де конического зеркала, расположенОд ного коаксиально цилиндрическому зеркалу снаружи него над системой свя зи, вьтолненной в стенке цилиндрического зеркала.