Усилитель электромагнитных колебаний сантиметрового,миллиметрового и субмиллиметрового диапозонов длин волн Советский патент 1975 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к области электронных нриборов сверхвысокочастотного диапазона.

По основному авт. св. № 27300 известны усилители электромагнитных колебаний сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн.

Использование индуцированного циклотронного из.тучения иерспективно с точки зрения создания мощных электронных приборов миллиметрового и суб.миллиметрового диапазонов длин волн, такие приборы получили название мазеров на циклотронном резонансе (МЦР). Для освоения нового диапазона частот и мощностей применяются МЦР с электронными пучками, в которых электроны движутся по винтовым траекториям в продольном магнитном поле, так как скорость электронов и ток в таких пучках не уменьшаются с ростом магнитного поля.

Однако мощные винтовые пучки с большим отпощеиием вращательной энергии электронов к энергии их поступательного движения имеют сравнительно большой разброс продольных скоростей, что создает определенные трудности при конструировании электроннооптических и электродинамических систем МЦР генераторов и усилителей.

гущей волной в качестве МЦР-усн.пггеля с винтовым пучком предлагается двух- (или много-) резонаторныи МЦР-клистрон, в котором модуляция электронов но скоростялг в)ащеиия происходит в одном (входном) резонаторе. Преобразование этой модуляции в модуляцию ио фазам вращения происходит в пространстве дрейфа, а передача энергии пучка электромагнитным колебаниям - в другом (выходном) резонаторе. При работе на частоте, близкой циклотронной (или одной пз ее гармоник), такой з-силитель мало чувствителен к разбросу продольных скоростей электронов.

С целью повыщення вы.ходной .мощности и коэффициента полезного действия п предлагаемом усилителе электромапщтных колебаний миллиметрового и субмиллиметрово1о диапазона длин волн используется электроннооптическая система, представляющая собой модифицированный вариант пун1кн маг.четронного типа и дающая аксиально-симмстрнчн1уй трубчатый пучо1у, средннй радиус которого в несколько (или даже во много) раз npepi.-iщает радиус винтовых траекгорни электромоо, а скорость вращения электронов Солее, чсп в полтора - два раза превышает их поступательную скорость.

СТГ5С (1С1;о; ьзусгся ; Kcii; :ii io-ciiHMCipii4Hi;( гпг.-пнчрнчсскис резонаторы открытого с размерами, либо сргизпнмымм с ллии( BC);i:iLi С11,мп асмых колебании, либо (в .лшл-лиметро|)м и еубмилли.четровом диапазонах длии ио.) сутцествеиио г ро; ышаюш.нми ее. При этом обращеииая к коллектору частъ выходlioro рез()и;1тора (а при отсутстгзии механической подстройки частоты - весь выходной ре.юпатор и.ти даже весь блок, пк.тгочаюштп; резонатс:-)1 и трубки дрейфа) вместе с выхоч ныл: |;олпо1 одом, эле.меитом связи и коллектором :;лектро1юв Прсдставляют собой метал;1ичес1 ТО трубу с исреме1П1ЫМ виутрсмшм сечемием, благодаря чему удается осуществите селекцию (ра:5де; сч1ие) тииоз ко.тебаиий (мод) резонатора и обеснечить оптимальную связь выходного резонатора е в;1сш1И1м трактом ирч мип1-1ма,т|,ных потерях выходной мощности.

С 1;елыо иредотвращення самовозбуждення электромагиитиьгх колебаний низших (но отHOHiciHHO к рабочему) тниов в иредлагае.мом уст|К)йствс участки дрейфа содержат ноглотите;|ь высокочастотного излучения.

Ил чертеже изображен иредлагаемый усилите.ть с двумя резонаторами.

силитель содержит аксиально-симметричиук) ::)лект кхчиу1о нугику, включающую в себя катод / с иcшнpoки r имитирующим иояском 2 и анод , аксиа.тьно-симметричиый входной резонатор 4, связанный с трактом иосредство.м волновода 5 и отделенный от катод.чой облаети закритическнм для рабочего TJHia колебаний отрезком волновода 6, трубку дрейфа 7, отделенную от резонаторов переходами 8 п 9, аксиально-симметричный выходной резонатор 10, аксиально-симметричный выходной волиовод //, связанный с выходным резонатором через отрезок закритического волновода J2, а с выходным трактом -- через выходное окно 13, коллектор /: электронов, роль которого выиолняют стенки выходного юлновода, водяную рубан1ку 15, акеиально-енмметричиые соленоиды .16-J8 и несимметрнчнь1Й магнит 19.

Электроны, иокидая имитируюииит поясок катода, иолучают иачальныс вран ательную и иоетуиательную скорости в электростатическом иоле анода. При последующем движении электронов в нарастающем магнитном поле, создаваемом соленоидами 16-18, энергия нх вращательного увеличивается, а иостунательиого - уменьшается, дополнительная энергия может быть сообщена электронам за счет подачи напряжения иа резонаторы (и доиолнительиые аноды). Пройдя область однородного иоля в резонаторах 4 и 10, электроны попадают в уменьшающееся магнитное поле п садятся на коллектор, охлаждаемый вместе с выходным резонатором водой, циркулирующей в рубашке, Место оседаи1 я иучка можио менять с иомощью соленоида 18. Выходное окно защищено несимметр1гчным магнитом. Такая электронно-оптическая система обеспечивает более чем иолутора - дв хь;рапюе нрсвыигеллг; скорости врани:те 1д;ого движения над скО|)остыо их иостуиате.плюго движения в рабочем ирострапстве нрн относительно малом разбросе HJJOдоль 1ых скоростей.

Высокочастотная мощность ;одается во вх( резо1 атор 4 через волновод 5. В усилгггеле, н|)ет,назиаченном .чля работы в коротковолновой части миллиметрО юго и субганллн: 1е1рово.м диапазонах д.дин волн, целесообразно возбуждение входного резонатора 4 i.e1К)с)едетв(. через волновод 6, снабже1и-1ый соответствующим сог.тасуюши.м устройством.

Аксиа;:ьно-сим.метрнч1иде цнлиндрнческие резонаторы 4 и 10 огран.нчепь занредел1,ИЛМ11 для рабочего типа колебаний суженнями волповода 6, нерехо.тами 8 и 9 и отрезком закрнтм еского волновода 12, что обесиечиваег селекнтно мод резонат0 юв но иродо.тьныл; 0 индексам. Селекцня но поперечным индексам 11ронсход1гг либо бла1-одаря не C.THIHKOM бо.тьHJHM диаметрам резо.наторов, .чибо ксиользован е.м колебаний типа нтенчущей га.черс:(нри бо. диаметрах резоьаторов), Рабочим тнном колебаний может служить любое из колебаний ТЕтр,. Из коьструкти .ных соображени в ряде случаев удобно работать на колебаниях ТН,,;,,. Рабочие моды (и размеры) входного и выходного резонаторов могут быть различнь ми, но их аз :мутальные индексы in долж1гы быть одннаковы. Оптимальная связь электронного и}-чка с пысокочастотиым опредслен 1ой моды обеснсчиваетс.п выбором диаметра н.мптирую щего пояска на катоде и компрессии магпнтпого ноля. Связь выходного резонатора 10 с выходным во.тноводом -регусЧируется раз.мерам закритичсского волновода 12, нри необходимости иметь малую добротность это еу0 жение люжет вообде отсутстг.овять. Резонаторы могут быть снабжены устройством д.1я механической перестройки частоты (иаиример, путем изменения длины), возможность изменения собственной частоты резонагоров (хотя 5 бы в малых нределах) облегчает настройку усилителя на оитимяльный режил;.

Резонаторы 4 п 10 разделены трубкой .чрейфа, иредстав.тяющей еобой во.тновод, запредельный для рабочего тина колебаний. 0 При больших диаметрах резонаторов и больШ01М диаметре электронного пучка в трубке дрейфа раси-ростраияются волпы низшего (по отпошепию к рабочей моде) тииа. Наличие этих волп может привести как к ноявлеггию 5 паразитной связи между резонаторами, так н к самовозбуждению усилителя на встречной волне. Для устранения этих явлений (особенно необходимых при работе иа одной гармонике циклотронной частоты) в трубке дрей60 фа имеется ноглотитель (или просто высокочастотный разрыв). Геиерация па встречной волне подавляется также применением неоднородного в прострапстве дрейфа магпит гого иоля: при этом магнитные иоля во входлом 65 и выходном резонаторах должны бьггь при