Электронная лампа СВЧ Советский патент 1991 года по МПК H01J21/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к электронным лампам СВЧ, предназначенным для использования в качестве усилителей и генераторов мощности СВЧ.

Одним из основных требований, предъявляемых к электродным лампам СВЧ, является обеспечение высокой энергетической эффективности, т.е. высокого значения

КПД.

Одним из основных факторов, оказывающих существенное влияниена электронный КПД электронных ламп СВЧ является вторичная эмиссия с анода.

Известны электронные лампы СВЧ, содержащие коаксиально расположенные цилиндрические электроды, состоящие из катода, по крайней мере одной сетки и анода, имеющего на поверхности, обращенной к катоду, камеры.

До настоящего времени в электронных лампах СВЧ использовались мелкоструктурные камеры, глубины которых предпочтительно больше их ширины и значительно меньше междуэлектродного расстояния. Камеры в этом случае работают как механические улавливатели электронов вторичной

эмиссии за счет ограничения пространства вылета вторичных электронов стенками камер.

При работе электронного прибора в области СВЧ время пребывания, как первичных, так и вторичных электронов в выходном междузлектродном промежутке сравнимо с периодом ВЧ колебаний. Поэтому скорость, с которой большинство вторичных электронов возвращается на анод, существенным образом отличается от скорости, с которой они вылетают с анода. Дополнительная энергия, приобретаемая вторичными электронами, заимствуется из энергии СВЧ электрического поля и выделяется в виде тепла на аноде. Это явление обуславливает значительное снижение электронного КПД ламп СВЧ.

Так в диапазоне сравнительно небольших статических углов пролета 1/) 0,2-0,7 теоретический электронный КПД СВЧ приборов в классе В (без учета влияния вторичной, электронной эмиссии) составляет 70-77%. В реальных условиях в электронных приборах всегда имеют место вторичноэмисс.ионные эффекты, которые обусловливают снижение электронного

КПД до 35-40% в указанном Ацапазоне статических углов пролета. В области больших углов пролета электронный КПД низок вследствие пролетных явлений, поэтому эта область не представляет интереса с практической точки зрения.

Целью изобретения является повышение КПД электронных ламп СВЧ.

Эта цель достигается созданием электронной лампы СВЧ с системой коаксиально расположенных цилиндрических электродов, состоящей из катода, по крайней мере одной сетки и анода, цилиндрическая поверхность которого, обращенная к катоду, разделена кольцевыми выступами на несколько камер; отличительная особенность предлагаемой лампы в том, что отношение высоты кольцевого выступа к расстоянию между торцевой поверхностью выступа и поверхностью ближайшей к аноду сетки выбрано в пределах 0,5-2.

На фиг.1 схематически показана предлагаемая лампа, продольный разрез; на фиг.2 - выходной междуэлектродный промежуток; на фиг.З - зависимость анодного напряжения от времени; на фиг.4 - пространственно-временные диаграммы движения первичного и вторичного электронов в выходном междузлектродном промежутке для анода с камерами, глубина которых значительно меньше междуэлектродного расстояния выходного зазора; на фиг.5 пространственно-временные диаграммы, показывающие движение первичного и вторичного электронов для электронной лампы СВЧ.

Электронная лампа СВЧ (фиг.1) включает катодный узел 1, управляющую сетку 2, Экранную сетку 3 и анод 4. Электроды расположены коаксиально. Катодный узел 1 состоит из керна катода 5 и подогревателя 6, расположенного внутри катода 5. Управляющая сетка выполнена в виде стержневой типа беличьего колеса, образованного стержнями 7. Экранная сетка выполнена из стержней 8 также в виде сетки типа беличьего колеса. Стержни 8 экранной сетки 3 расположены в тени стержней 7 управляющей сетки 2. На поверхности анода 4, обращенной к катоду 5, расположены кольцевые камеры 9, образованные кольцевыми выступами 10, часть внутренней поверхности анода 4, расположенная между кольцевыми.выступами 20, образует дно 11 камеры 9. Поверхности выступов 10, обращенные в камеру 9, образуют боковые стенки 12 камер 9. Узкая поверхность кольцевого выступа 10, обращенная к катоду 5, образует торцовую поверхность 13 выступа 10.

На фиг.2 показан схематический вид выходного междуэлектродного промежутка, образованного поверхностью расположения торцовых поверхностей 13, выступов

10, камер 9, анода 4 и поверхностью экранной сетки 3, в котором осуществляется энергообмен между модулированным по плотности электронным потоком и высокочастотным полем выходной колебательной

системы,Расстояние между этими поверхностями обозначено буквой d. Расстояние между торцевой поверхностью 13 выступов 10 и дном 11 камеры 9 является глубиной камеры 9 и обозначено буквой h. Расстояние

между стенками 12 выступов 10 камеры 9 является шириной камеры 9 и обозначено Ь.

Отношение глубины камеры п к расстоянию d между торцовой поверхностью выступов 10 анода 4 и поверхностью экранной

сетки 3 лежит в пределах 0,5-2. -т 0,5-2.

Выбор такого соотношения обеспечивает повышение КПД.

При работе известной электронной лампы СВЧ, имеющей анод с мелкоструктурной нарезкой или мелкоструктурными камерами, первичные электроны наводят на выходном междуэлектродном промежутке

переменное напряжение 14, зависимость которого от времени показана на фиг.З. На фиг.4 . показана пространственно-временная диаграмма движения первичного электрона 15 и вторичного электрона 16. Из

диаграммы видно, что первичные электроны входят в выходной междуэлектродный промежуток в момент времени то , а в мелкоструктурную камеру - в момент времени Тп соударяются с дном камеры в момент

времени Гз и выбивают вторичные электроны, которые частично улавливаются стенками камер, часть же вторичных электронов (траектория движения 16) выходят в выходной междуэлектродный промежуток, в котором локализовано СВЧ-электрическое поле в момент времени гь ; так как камеры мелкоструктурные, то практически Гп ть . Как видно из фиг.З и фиг.4, мгновенное напряжение на аноде с момента времени Гь начинает возрастать и, следовательно, вторичные электроны попадают в ускоряющее электрическое поле и возвращаются на анод в момент времени Гр , когда мгновенное напряжение на аноде близко к своему

максимальному значению. Вследствие этого вторичные электроны приобретают в СВЧ-электрическом поле дополнительную энергию, которая выделяется на аноде в виде тепла. Описанное явление обусловливает снижение электронного КПД электронных ламп СВЧ, В предлагаемой лампе выбором отношения глубины камеры h к расстоянию d между торцевой поверхностью выступов 10 анода 4 и поверхностью экранной сетки 3 в пределах 0,5-2 обеспечивается определенная задержка между временем вылета первичных электронов в полость камер 9 и временем вылета вторичных электронов в выходной междуэлектродный промежуток. Первичные электроны, траектории движения которых обозначены цифрой 15, наводят в выходном зазоре СВЧ электрическое поле, которое локализуется главным образом между экранной сеткой и плоскостью, в которой расположены торцевые поверхности 13 камер 9 анода. Первичные электроны влетают в выходной зазор в момент времени Го и попадают в плоскость расположения торцовых поверхностей 13 анодных камер 9 в момент времени Тп (фиг.5). Они продолжают двигаться в направлении дна 11 камер 9 анода 4 в пространстве, практически свободном от высокочастотного электрического поля в силу экранирующего влияния выступов 10 камер 9. Первичные электроны попадают на дно 11 в момент времени Тз (фиг.5) и выбивают вторичные электроны, часть которых улавливается стенками 12 камер 9 анода 4, а другая часть движется в направлении выхода из камер 9 и выходит в момент времени Ть в выходной междуэлектродный промежуток активного взаимодействия между СВЧ-электрическим полем и электронным потоком. Таким образом, вторичные электроны попадают в выходной междуэлектронный промежуток в момент времени, отличный от момента попадания первичного потока в камеру 9 ( И ть) За счет изменения момента вылета вторичных электронов из камеры, что достигается соответствующим выбором отношение глубины камеры h к расстоянию d между торцевой поверхностью выступов 10 анода 4 и поверхностью экранной сетки 3 в пределах 0,5-2, обеспечивается практически полное исключение энергетических потерь, обусловленных вторичной эмиссией. Как показано на фиг.5, вторичные электроны (траектории движения 16) попадают в выходной междуэлектродный промежуток в момент времени Гь , при котором мгновенное значение напряжения на аноде близко к своей максимальной величине, и возвращаются на анод в момент времени Гр , когда мгновенное значение напряжения на аноде близко к постоянному значению Еа. В соответствии с физическими представлениями в описанном случае вторичные электроны будут приобретать минимальное количество энергии от высокочастотного электрического поля в силу того обстрятел ьства, что во время их нахождения в СВЧэлектрическом поле мгновенное напряжение на аноде уменьшается. Описанная оптимизация камер анода обеспечивает не только практически полное устранение энергетических потерь, обусловленных вторичной эмиссией, но и существенное улучшение токораспределения по экранной сетке вследствие значительного уменьшения количества вторичных электронов, попадающих на экранную сетку, что обеспечивает существенное повышение уровня локализации мощности в единице объема за счет более эффективного использования ламп по току. Как показала экспериментальная проверка, описанное техническое решение при значениях статических углов пролета в диапазоне 0,2-0,7 позволило повысить электронный КПД до 65-75% на частотах 200-1000 МГц . 16 2 V

Фиг. 1 д А

10//312 4

L/ / / /

ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА СВЧ для генерирования и усиления мощности, содержащаясистемукоаксиально расположенных цилиндрических электродов, состоящую из катода, по крайней мере одной сетки и анода, цилиндрическая поверхность которого, обращенная к катоду, разделена кольцевыми выступами на несколько камер, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, отношение высоты кольцевого'выступа к расстоянию между торцевой поверхностью выступа и поверхностью ближайшей к аноду составляет 0,5-2.

Фиг. 2

Фиг. J ТпГзГь 0 Tr Q

Фиг. 5 r. ФцгЛ