ОБРАЩЕННО-КОАКСИАЛЬНЫЙ МАГНЕТРОН Советский патент 2007 года по МПК H01J25/50 

Настоящее изобретение относится к области электронной техники. В более узком отношении - к электро-вакуумным приборам СВЧ (ЭВП СВЧ) и, в частности, к обращенно-коаксиальным магнетронам (ОКМ), синхронизируемым или фазируемым внешним СВЧ-сигналом и используемым, например, в СВЧ - энергетических установках квазикогерентного сложения мощностей множества идентичных магнетронов.

Известны классические синхронизированные, фазированные и регенеративно-усилительные магнетроны, введение входного СВЧ-сигнала в резонаторную систему которых осуществляется через ферритовый циркулятор и выходное устройство (оно же - входное), т.е. по схеме двухполюсника (см. Лебедев И.В., Чэнь Чжун Моу, Изв. ВУЗ'ов, Радиотехника, №5, 1961 г.; Kline J. JRE Transact, 1961, Ed. - 8, №11).

Известен также коаксиальный магнетрон (КМ) с введением по схеме двухполюсника входного СВЧ-сигнала в выходное устройство через ферритовый циркулятор.

Все эти построения страдают тем недостатком, что если требуется получать большие выходные мощности, то циркулятор, присоединяемый к выходному устройству, должен быть рассчитан по электрической прочности и по тепловой стойкости на пропускание полной выходной мощности магнетрона. Это ограничивает возможности наращивания мощностей синхронизированных магнетронов-двухполюсников.

Такой прибор как ОКМ по самому своему построению позволяет получать значительно большие мощности и длительности импульса, нежели достижимые в классических магнетронах в КМ. Поэтому из-за ограничений, накладываемых применением в выходном устройстве циркулятора, более привлекательным является введение внешнего СВЧ-сигнала в колебательную систему через дополнительное входное устройство с использованием на входе относительно маломощного ферритового вентиля.

Такая схема построения с дополнительным входным устройством - схема четырехполюсника также известна (см. Лебедев И.В. и Чэнь Чжун Моу, Изв. ВУЗ'ов, Радиотехника, №6, 1961 г.) и, более того, она известна применительно к таким мощным ЭВП СВЧ как ОКМ. Так, известны два конструктивных решения, реализующих четырехполюсную схему построения ОКМ.

1. Для введения входного СВЧ-сигнала в конструкции ОКМ предусматривается дополнительное входное устройство и связанная с ним дополнительная замедляющая система в катоде (см. Palevsky A., Bekefy G. и др. Proc. of the 3^d Topical Conf. on High power electron and ion beams, 1979, П. Новосибирск, Ин-т ядерной физики, 1979 г. стр.759-768).

2. Для введения входного СВЧ-сигнала в конструкции ОКМ предусматривается входное устройство, связанное со стабилизирующим резонатором (прототип).

Первое из указанных технических решений (оно использовано в длинноволновом релятивистском ОКМ) является весьма сложным и требует специальных мер по изоляции входного СВЧ-тракта (когда катодная замедляющая система находится под высоким напряжением) или по изоляции анодной резонансной системы (когда катодная замедляющая система и входное устройство находятся под потенциалом земли).

Такая конструкция имеет "право на существование" в своей сфере применения, например, для построения ОКМ для СВЧ-питания линейных ускорителей в 10-см диапазоне длин волн. Однако для малогабаритных нерелятивистских ОКМ она требует существенной переработки и изыскания эффективных, поддающихся практической реализации, конструкторских решений.

Второе техническое решение существенно проще в реализации и, в частности, является перспективным для использования в ОКМ коротковолнового диапазона. Однако оно обладает тем главным недостатком, что не позволяет автономно управлять степенью связи входного устройства со стабилизирующим резонатором и, соответственно, во входное устройство из стабилизирующего резонатора может поступать мощный обратный сигнал. Этот обратный сигнал "уносит" значительную часть мощности, из-за чего в полезную нагрузку (на выход) идет не вся мощность ОКМ и, естественно, снижаются достижимый коэффициент усиления и КПД прибора.

Именно улучшению такой известной конструкции ОКМ посвящено настоящее предлагаемое изобретение, конечной целью которого является создание синхронизированного, фазированного или усилительного ОКМ с повышенными уровнем выходной мощности, КПД и коэффициентом усиления за счет уменьшения уровня обратного сигнала.

Рассмотрим подробнее конструкцию ОКМ-прототипа с позиций его использования в режиме синхронизации, фазирования или усиления.

В связи с единообразием физических механизмов синхронизации, фазирования и усиления далее в тексте описания для краткости мы будем в основном употреблять термин "усиление".

Так, ОКМ-прототип имеет коаксиальный стабилизирующий резонатор, в центральном проводнике которого соосно с ним расположен сквозной волновод, имеющий "вход" и "выход".

Волновод связан со стабилизирующим резонатором продольной щелью связи, прорезанной в одной из боковых стенок волновода. Тем самым единый элемент связи (продольная щель) служит и для введения в стабилизирующий резонатор малого входного (усиливаемого) СВЧ-сигнала и для выведения из стабилизирующего резонатора в тот же волновод мощного (усиленного) сигнала. Естественно, что этот усиленный сигнал по волноводу может распространяться как к выходу ОКМ, так и ко входу. Последнее порождает мощный обратный СВЧ-сигнал.

Таким образом, первый и главный недостаток ОКМ-прототипа (базового объекта) заключается в невозможности автономного управления связью входного волновода со стабилизирующим резонатором, что обуславливает наличие мощного обратного сигнала с соответствующим снижением достижимых выходных мощностей, КПД и коэффициента усиления.

Второй недостаток ОКМ-прототипа (базового объекта) состоит в том, что для усиления эффективно используется лишь некоторая часть мощности входного СВЧ-сигнала, ответвляемая из волновода через щель связи в стабилизирующий резонатор ОКМ. Остальная же мощность входного СВЧ-сигнала бесполезно "напрямую" проходит по волноводу к выходу ОКМ.

Итак, целью настоящего изобретения является повышение мощности, КПД и коэффициента усиления синхронизированного ОКМ путем снижения мощности обратного СВЧ-сигнала.

Указанная цель достигается тем, что в боковой стенке волновода (проходящего внутри центрального проводника коаксиального стабилизирующего резонатора) напротив продольной щели связи выполнена по крайней мере еще одна входная щель связи, параллельная продольной оси волновода, а в волноводе установлена проводящая перегородка, разделяющая по СВЧ-сигналу противолежащие щели связи. При этом для управления степенью связи (раздельно "по входу" и "по выходу") в противолежащих стенках волновода может быть выполнено по две и более параллельных друг другу щелей связи и, кроме того, число щелей связи по одну сторону от перегородки может быть выбрано неравным числу щелей связи по другую сторону от нее. Это делается в обеспечение относительно слабой электромагнитной связи "по входу" и относительно сильной - "по выходу". Сами щели связи могут иметь неодинаковую ширину и (или) длину, а волноводы, находящиеся по разные стороны от проводящей перегородки, - неодинаковые размеры и формы поперечного сечения.

Аналогичных технических решений, содержащих сходные признаки, нами не обнаружено.

На фиг.1 схематично показана конструкция предлагаемого ОКМ.

На фиг.2 показаны формы поперечного сечения волноводов.

На фиг.3 показаны варианты выполнения входных и выходных щелей связи.

На фиг.1 представлен ОКМ, содержащий коаксиальный стабилизирующий резонатор 1, с рабочим видом колебаний Н₀₁₁. В центральном проводнике 2 стабилизирующего резонатора 1 расположен волновод 3. Волновод 3 разделен проводящей перегородкой 4 на входной 5 и выходной 6 участки, связанные со стабилизирующим резонатором 1 соответственно продольными щелями 7 и 8, расположенными напротив друг друга по разные стороны от перегородки 4 в боковых стенках 9 и 10 волновода 3. Щели связи 7 в стенке 9 по своим размерам выполнены неравными щелям 8, прорезанным в стенке 10, в обеспечение относительно слабой связи входного участка 5 и относительно сильной связи выходного участка 6 волновода 3 со стабилизирующим резонатором 1. Этим достигается относительно низкий уровень обратного СВЧ-сигнала по сравнению с выходным.

На фиг.1, чтобы не загромождать чертежа, лишь условно показаны ламели 11, щели связи 12, катод 13, и поршень перестройки 14, служащие традиционным целям в ОКМ и располагаемые известным образом, ибо их конструкция и взаимное размещение не затрагивают идеи изобретения.

Из этих же соображений вообще не показаны вакуумная оболочка, СВЧ-окна, магнитная цепь и прочие необходимые детали прибора.

На фиг.2 показаны не меняющие сути изобретения примеры выполнения различных форм волноводов 3 в центральном проводнике 2.

Как видно из фиг.2, поперечное сечение волновода 3, может быть не только прямоугольным, но и Н-образным и круглым (например, с волной Н₁₁). При этом форма и размеры поперечного сечения волновода 3 на входном участке 5 могут быть выбраны отличающимися от формы и размеров поперечного сечения на выходном участке 6.

На фиг.3 показаны не меняющие сути изобретения варианты выполнения входных 7 и выходных 8 щелей связи в противолежащих стенках 9 и 10 волновода 3.

Как видно из фиг.3, щели связи 7 могут отличаться от щелей 8 не только размерами, но и числом. Это свидетельствует о возможности автономного управления в предложенной конструкции степенью связи по входу и по выходу.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Внешний СВЧ-сигнал подается во входной участок 5 волновода 3 и через щель связи 7 в стенке 9 возбуждает в стабилизирующем резонаторе 1 колебания на рабочем Н₀₁₁ - виде. Структура электромагнитного поля (в виде силовых линий Н и Е) показана для наглядности на фиг.1. При подаче напряжения анода в ОКМ развиваются колебания на рабочем виде, причем эти колебания происходят с навязанной входным СВЧ-сигналом начальной фазой и (или) частотой, т.е. имеет место эффект синхронизации (фазирования, усиления). Усиление колебаний не меняет самой структуры электромагнитного поля H₀₁₁ - вида, но приводит к росту амплитуд. Это поле Н₀₁₁ - вида возбуждает в выходном участке 6 волновода 3 посредством щели связи 8 в боковой стенке 10 волну Н₁₀, которая распространяется в полезную нагрузку. Во входном участке 5 волновода 3 аналогичным образом, но уже посредством щели связи 7, возбуждается также волна H₁₀, обуславливающая обратный сигнал. Однако, т.к. степень связи по выходу, как указывалось выше, сделана сильной, а по входу - слабой, то относительный уровень обратного сигнала оказывается существенно меньшим, чем уровень выходного сигнала, поступающего в полезную нагрузку из выходного участка 6 волновода 3.

Наличие перегородки 4 не позволяет проходить входному СВЧ-сигналу напрямую в выходной участок 6, минуя стабилизирующий резонатор 1, т.е. повышается эффективность использования мощности входного СВЧ-сигнала, несмотря на пониженную степень связи входного участка 5 волновода 3 со стабилизирующим резонатором 1.

Таким образом, предложенная конструкция обладает следующими преимуществами в сравнении с прототипом (он же базовый объект):

во-первых, открывается возможность автономно управлять степенью связи по входу и по выходу ОКМ;

во-вторых, предотвращается прямое прохождение входного сигнала по волноводу, минуя стабилизирующий резонатор.

Достигаемый в результате указанных преимуществ положительный эффект состоит:

а) в уменьшении уровня мощности обратного сигнала, распространяющегося ко входу ОКМ, бесполезно теряемого во входных цепях, не говоря уже о возможных неблагоприятных последствиях, вызываемых попаданием этого сигнала во входной тракт и связанных с этим переотражениями и т.п.;

б) в увеличении достижимых КПД, мощности и коэффициента усиления ОКМ.

Изобретение относится к электронной технике. Технический результат заключается в повышении КПД, мощности и коэффициента усиления. Сущность изобретения состоит в том, что в обращенно-коаксиальном магнетроне, содержащем коаксиальный стабилизирующий резонатор, внутри центрального проводника которого сосно с ним расположен отрезок волновода, имеющий отверстия ввода и вывода энергии на концах и связанный со стабилизирующим резонатором продольными щелями связи в его противоположных стенках, в волноводе установлена проводящая перегородка, разделяющая по СВЧ-сигналу противолежащие щели связи. Кроме того, в волноводе с каждой стороны от перегородки могут быть выполнены по крайней мере две продольные щели связи, имеющие различные размеры и форму. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Обращенно-коаксиальный магнетрон, содержащий коаксиальный стабилизирующий резонатор, внутри центрального проводника которого соосно с ним расположен отрезок волновода, имеющего отверстия ввода и вывода энергии на концах и связанного со стабилизирующим резонатором продольной щелью в его стенке, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, мощности и коэффициента усиления в стенке волновода напротив продольной щели выполнена по крайней мере одна дополнительная продольная щель связи со стабилизирующим резонатором, а в волноводе установлена проводящая перегородка, разделяющая по СВЧ-сигналу противолежащие продольные щели связи.2. Магнетрон по п.1, отличающийся тем, что в волноводе с каждой стороны от перегородки выполнено по крайней мере две продольные щели связи.3. Магнетрон по п.1, отличающийся тем, что щели, расположенные по разные стороны от перегородки, имеют различные размеры и форму.