Усилитель вч-колебаний Советский патент 1977 года по МПК H03F3/00 

1

Изобретение относится к технике генерации ВЧ-колебаний и может быть использовано при создании мощных ВЧ-генератэров метрового диапазона.

Известен усилитель ВЧ-колебаний, содержащий ВЧ-триоды, подключенные к источникам постоянной и усиливаемой мощности ij. Усилие входного сигнала и генерация мошных ВЧ-колебаний в нем осуществляется за счет электростатического управления электронным потоком.

Однако этот усилитель отличается низким коэффициентом усиления - не более 8-10дб.

Известен усилитель ВЧ-колебания, содержащий электронную пущку, формирующую ленточный или цилиндрический пучок, анод которой подключен к источнику постоянного напряжения, входной резонатор и выходной резонатор с установленным в нем коллектором электронов, арей()ювый промежуток, соединенный с корпусами резонаторов, вьшолненный в виде металлического параллелепипеда или цилиндра и расположенный внутри соосной с ним магнитной системы 2.

За счет динамического управл ,1ь.я электронным потоком во входном разон.оч.Го и группировке в пространстве дрейфа в известном устройстве возможно получение коэффициента усиления до 30-50 дб. в сантиметровом диапазоне.

Однако при использованщ; его Б качестве ВЧ-усилителя метрового диапазона ег габариты становятся неприемлемо болои чм. причем при этом снижается к.п.д. и к Э;)1фи циент усиления.

Цель изобретения - уменьщенсе гаиар;;тов устройства, повышение его к.п.д. и коэффициента усиления.

Достигается это тем, что ось э.п;ект1.;СНной пушки смешена относительно оси магнитной системы и расположена под к ней, а внутри дрейфового пpo ieжyгкa установлены две мишепк, выполненные в виде металлических пластан, плоскость KTJ эрых пересекает ось магнитной системы а коллетор электронов подключен к источн1;ку поло- жителышго мапряжении.

На чертеже дана схема усилителя ВЧ-колебаний с электронной пушкой, формирующей ленточный пучок.

Предлагаемый усилитель ВЧ-колебаний состоит из электронной пушки, формирующей ленточный пучок 1 и имеющей ленточный катод 2, фокусирующий электрод 3 и вытягивающий электрод 4, из входного 5 и выходного 6 резонаторов, между которыми расположен тормозящий электрод 7, образую-ю щий эквипотенциальное пролетное пространство (тормозящий электрод 7 является за- предельным волноводом на рабочей частоте) из магнитной катущки 8, создающей однородное продольное магнитное поле в пролет- 15

ном пространстве, из двух поперечных мишеней типа ножей 9, установленных один в начале, а второй в конце пролетного канала и находящихся под потенциалом тормозящего электрода 7, из ускоряющего ано- 20 да 10, в статическом поле которого ускоряют импульсы тока, образованные за счет отсечки тока пучка на ножах 9. Плоский электрический зазор управляющего резонатора 5 образован вытягивающим 25 электродом 4 и торцовой поверхностью тормозящего электрода 7, а электрический зазор выходного резонатора 6 образованы анодом 10 и другой торцовой поверхностью тормозящего электрода 7. Кроме того, торцовые области тормозящего электрода выполняют роль магнитных экранов для зазоров резонаторов и электронной пушки. Конфигурацию торц-овых областей тормозящего электрода и конфигурацию магнитного поля в этих областях выбирают из условия прохождения потока с минимальными потерями в зазоре управляющего резонатора и в пбласти перехода из пролетного пространства в выходной резонатор. Резонаторы 5, 6 и тормозящий электрод 7 с мишенями 9 заземлены по постоянному потенциалу. Вытягивающий электрод 4 и анод 10 изолированы от резонаторов на величины вытягивающего и ускоряющего напряжений, а на катод 2 подают отрицательное смещение,, определяемое необходимой продольной скоростью влета электронного потока в область продольного магнитного поля (В), С помощью электронной пушки, установленной под некоторым углом ( J ) к продол::,ной оси ( 2 ) пролетного канала и резонаторов, на входе зазора управляющего резонатора формируют прямолинейный ленточ ный поток толщиной 2 Хо и шириной при этом 2 X « 2 УО .В зазоре поток модулируют по продольной скорости ( Z ), а постоянную составляющую продольной ско(7„), опре рости уменьшают до величины

делаемой потенциалом смещения ( UT ) катода.

Промодулированный и заторможенный по продольной составляющей скорости поток через щель в тормозящем электроде подают в эквипотенциальный пролетный канал, при этом поток проходит область неоднородного магнитного поля, а угол влета потока в область однородного магнитного поля увелизначительно меньше f ,и у.

Начальная полутолщина пучка х., на входе в магнитное поле должна быть равна равновесной полутолщине Оо . тогда движение чивается за счет торможения в статическом поле тормозящего электрода и становится равным заданной величине f Конструкцию пушки и угол влета Jp выбирают так, чтобы собственный угол вьшета То потока из вытягивающего канала был частиц в поперечном, направлении ( х ) магнитного канала определяется только задан- ным углом влета Jf и продольной скоростью Vz на входе .магнитного канала. Поскольку продольная скорость частиц на входе в магнитное поле изменяется по гармоническому закону модулирующего напряжению, а поток влетает в магнитное поле под заданным углом, то в пролетном канале частицы движутся по спиральным траекториям с радиусом и .изменяющимся шагом спирали, Шаг спирали изменяется по закону модулирующего напряжения. Е еличина изменения шага спирали на пер.иоде модулирующего напряжения определяется глубиной модуляции U , где U - амплитуда модулирующего ВЧ-напряжения. Таким образом, в поперечном направлении ( х ) поток совершает периодические колебания относительно заданного равновесного уровня 0,, . Длина волны (Л)колебаний изменяется по гармоническому закону модулирующего напряжения, а величина изменения длины волны()на периоде модулирующего ВЧ-напряжения определяется глубиной модуляцки потока по продольной ско- расти в управляющем резонаторе. Изменение длины волны колебаний пучка по закону модулирующего напряжения приводит i; тому, что мгновенное отклонение частиц потока X(Z |У ) в любом заданном поперечном сечении вдоль длины пролетного пространства ( Z ) при заданной амплитуде колебаний (Т) зависит от фазы ( V ) модулирующего напряжения. При заданных параметрах Vz В и Т амплитуда поперечных колебаний R не меняется вдоль длины пролетного пространства (ось Z ). Мгновенное отклонение частиц потока х(2)при заданной глубине модуляции для выбранного поперечного сечения пролетного пространства определяется только фазой ( V) модулирующего напряжения. Поперечное препятствие типа ножа с за данной высотой (ti) и тoлщинoйi « Я, установленное в заданном сечении ( 2и ) пролетного пространства, осуществляет сортировку частиц по фазам. Частицы, имеющие мгно венное отклонение x( у )1l , проходят за нож, а остальные высаживаются на нем. Таким образом, на ноже осуществляется отсечка частиц в заданном интервале фаз модулирующего напряжения и из сплощного потока с током пучка iJ-f, формируются им Jn , следую пульсы тока с амплитудой щие с частотой модулирующего напряжения ( ш и заданным углом отсечки ( & ). Изза набега фаз колебаний частиц в пролетном пространстве величина угла отсечки зависит от местоположения ножа ( Z ), другими словами, эт номера периода колебаНИИ ( К ) потока в магнитном поле. При заданных значениях R и li с увеличением номера периода, на котором устанавливается нож, угол отсечки уменьшается и увеличивается к.п.д., но при этом на периоде модулирующего напряжения за ножом, появляют ся дополнительные паразитные импульсы тока и число их растет с увеличением номера периода. Появление паразитных и етульсов тока приводит к снижению эффективности взаимодействия с зазором выходного резонатора и, соответственно, к уменьшению к.п.д. Поэтому для получения высоких значений к.п.д. вдоль пролетного пространства устанавливают два один - основной, дру гой - вспомогательный. Вспомогательный нож устанавливают в начале пролетного пространства. Он формирует один импульс тока на периоде модулирующего напряжения с углом отсечки В- 50-80- и исрутючает появление паразитных импульсов за основным ножом. Основной нож устанавливают в конце пролетного канала при входе в выходной резонатор. Он уменьшает угол отсечки до необходимой величины, исходя из заданного к.п.д. Таким образом, длина пролетного простра ства определяется длиной волны поперечных колебаний потока и заданным углом отсечки Импульсы тока, сформированные за основны ножом, с частотой модулирующего напряжения следуют в зазор выходного резонатора, где они ускоряются в статическом поле анода и осуществляют преобразование энергии анодного источника в энергию ВЧколебаний выходного резонатора. Для уменьшения снижения к.п.д. из-за потерь на ножах и уменьшения длины пролетного пространства поток тормозится по продольной скорости на входе в пролетное пространство до потенциала значительно меньшего потенциала анода относительно катода пущки. При уменьшении продольной скорости одновременно с уменьшением потерь на ножах уменьшается длина волны поперечных колебаний { Л ), что снижает требования к величине магнитного поля для получения заданной длины пролетного пространства. В предлагаемом способе усиления ВЧколебания выгодно сочетание .использования механизма скоростной модуляции в управляющe резонаторе с механизмом фокусировки промодулированного потока в магнитном поле и сортировкой частиц по фазам на поперечных препятствиях типа ножей, приче. отсеченные электроны не попадают во входной и выходной резонаторы. В предлагаемом способе при малььх затратах мощности на управление обеспечивается формирование коротких импульсов тока на входе в выходной резонатор, при этом к.п.д. и коэффициент усиления имеют значение не хуже, чем у приборов, использующих способ преобразования скоростной модуляции в модуляцию по плотности за счет группировки в пролетном пространстве. В предлагаемом способе длина пролетного пространства не определяется длиной волны мэдулируюшего сигнала и при работе в метровом диапазоне длин волн может состав.чять (7т10)Ау при Я ц, 1-5 см, что значительно меньше, чем длина дрейфового пространства у многорезонаторных пролетных клистронов в указанном диапазоне длин во.пт, которое составляет 1-6 м. Таким образом, предлагаемый способ VCHления ВЧ-колебаний позволяет создавать электронные приборы метрового диапазона длин волн с высокими значениями коэффии iента ус 1ления и электронного к. п.д. при малых габаритах, что, в первую очередь, необходимо для экономичного питания малогабаритных линейных ускорителей протонов, а также может быть полезно в мошных радиопередающих системах. Формула изобретения Усилитель ВЧ-колебаний, содержапшй электронную пушку, формирующую ленточный паи цилиндрический пучок, анод которой подклк)чен к источнику постоянного напряжения, входной резонатор и выходтгой резонатор с установленным в нем коллектором электронов, дрейфовый промежуток, соединенный с корпусами резонаторов, выполненный в виде металлического параллелепипеда или цилиндра и расположенный внутри соосной с ним магнитной системы, отличаюшийс я тем, что, с целью уменьшения габаритов, повышения к.п.д. и коэффициента усиления, ось электронной пушки смещена относи- $ тельно оси магнитной системы и расположена под углом к ней, а внутри дрейфового промежутка установлены дв мишени, выполненные в виде металлических пластин, плоскость которых пересекает ось магнитной

темы, а коллектор электронов подключен к источнику положительного напряжения.

Источники .информацией, принятые во внимание при экспертизе:

1.Кнапп Э. А. Труды Ц Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, М., Наука, 1972 , т.2, с. 139.

2.Молоковский С. И., Сушков А.. Д. Интенсивные электронные и ионные пучки , Л., Энергия, 1973, (прототип).