УСИЛИТЕЛЬ ПРЯМОЙ ВОЛНЫ М-ТИПА Советский патент 1994 года по МПК H01J25/58 

Изобретение относится к технике генерирования высокочастотных колебаний и может быть использовано при разработке широкополосных усилителей со скрещенными полями.

Известен усилитель прямой волны М-типа, содержащий катод, анод и периодическую замедляющую систему с отрицательным электродом.

Под действием скрещенных полей формируется электронный поток, движущийся вдоль периодической замедляющей системы, в результате чего осуществляется усиление высокочастотного сигнала, подаваемого на ее вход.

Недостатком известного устройства является недостаточная широкополосность усилителя, что обусловлено отсутствием в замедляющей системе специальных средств подавления паразитных колебаний.

Прототипом изобретения является усилитель прямой волны М-типа, содержащий замедляющую систему, состоящую из волновода и соединенных боковыми стенками волновода штырей, и отрицательный электрод.

Под действием скрещенных полей в устройстве формируется электронный поток, сдвигающийся вдоль штыревой замедляющей системы, в результате чего осуществляется усиление высокочастотного сигнала, подаваемого на ее вход.

Недостатком известного устройства является малая ширина полосы рабочих частот, что обусловлено большой величиной параметра дисперсии при фазовых сдвигах, превышающих 90^о.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка. Поставленная цель достигается тем, что в усилитель введено не менее двух линейных проводников, которые расположены со стороны отрицательного электрода параллельно боковым стенкам волновода и имеют электрический контакт с каждым штырем, причем расстояние линейных проводников от боковых стенок волновода выбрано из условия
0 < l/H ≅ 0,25, где l - расстояние линейных проводников от боковых стенок волновода;
H - длина штыря.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение усилителя; на фиг. 2 - участок продольного сечения усилителя; на фиг. 3 - дисперсионные характеристики замедляющих систем, иллюстрирующие эффект введения проводников (А - замедляющая система с проводниками, Б - замедляющая система без проводников), где приняты обозначения: f_o - средняя частота в рабочей полосе; f - частота возбуждения колебаний, ϕ - фазовый сдвиг.

Усилитель прямой волны М-типа содержит замедляющую систему 1 со штырями 2, основанием 3, выступом 4, боковыми стенками 5, проводниками 6 и отрицательный электрод 7 с экранами 8.

Штыри 2 имеют П-образную форму, выполнены из полых трубок и закорочены на концах боковыми стенками 5. Напротив центральной части штырей 2 размещен выступ 4, в остальной части штыри 2 имеют увеличенное поперечное сечение. Проводники 6 выполнены из меди и соединяют все штыри 2 между собой.

Устройство работает следующим образом. При движении вдоль замедляющей системы электронного потока и подаче на ее вход высокочастотного сигнала в ней возбуждаются нарастающие вдоль направления движения электронов колебания. Проводники 6 имеют электрический контакт со всеми штырями, поэтому на π -виде колебаний, где разность потенциалов между соседними штырями 2 максимальна, ВЧ токи, текущие по проводникам 6, и снижение ВЧ поля в этом сечении штырей 2 также максимальны. Это эквивалентно уменьшению длины штырей 2 на π -виде колебаний, что приводит к смещению коротковолновой границы полосы пропускания замедляющей системы 1 в область более высоких частот.

На нулевом виде колебаний разность ВЧ потенциалов между соседними штырями 2 равна нулю, поэтому присутствие проводников 6 не меняет частоты этого вида колебаний.

Таким образом, полоса пропускания замедляющей системы 1 увеличивается за счет смещения ее коротковолновой границы, при этом уменьшается дисперсия в области фазовых сдвигов 90< ϕ <180^о и становится возможной работа в широкой полосе частот без увеличения рабочего напряжения.

Воздействие проводников на дисперсионную характеристику замедляющей системы наиболее эффективно при расположении их со стороны отрицательного электрода 7.

Полоса пропускания замедляющей системы 1 растет при приближении проводников 6 к центру штырей 2, однако одновременно снижается и амплитуда ВЧ напряжения, что приводит к снижению КПД.

Ввиду низкой эффективности взаимодействия вблизи концов штырей 2 обычно для работы используют около 70% высоты штыря. В области расстояний 0,15<l/H≅0,25 ВЧ поле по длине штыря растет наиболее быстро и влияние проводников 6 также быстро увеличивается.

С другой стороны, при смыкании проводника 6 с боковой стенкой 5 (l/H = 0) проводник 6 превращается в продолжение боковой стенки 5 волновода, размеры которого определяют положение не только коротковолновой, но и длинноволновой границ полосы пропускания. При этом вся полоса пропускания смещается по частоте, но ее расширения не происходит.

Таким образом, должно выполняться соотношение 0<l/H≅0,25.

На фиг. 3 иллюстрируется влияние проводников 6 на дисперсионную характеристику замедляющей системы. Два проводника 6 в экспериментальной замедляющей системе (кривая А) расположены на расстоянии 0,2H от боковой стенки.

Из сопоставления характеристик замедляющей системы без проводников (кривая Б) и экспериментальной системы с проводниками (кривая А) следует, что введение проводников 6 снижает параметр дисперсии в области дисперсионной характеристики 90^о< ϕ <140^о в два раза.

Таким образом, введение проводников в штыревые замедляющие системы с основной прямой волной позволяет расширить полосу пропускания замедляющей системы по сравнению с прототипом при сохранении рабочего напряжения и КПД. (56) Кацман Ю. А. Приборы сверхвысоких частот. М. : Высшая школа, 1973, с. 323.

Патент ФРГ N 961551, кл. 21 a, 9/01, опублик. 1954.

УСИЛИТЕЛЬ ПРЯМОЙ ВОЛНЫ М-ТИПА, содержащий замедляющую систему, состоящую из волновода и соединенных боковыми стенками волновода штырей, и отрицательный электрод, отличающийся тем, что, с целью расширения полосы рабочих частот, в усилитель введено не менее двух линейных проводников, которые расположены со стороны отрицательного электрода параллельно боковым стенкам волновода и имеют электрический контакт с каждым штырем, причем расстояние линейных проводников от боковых стенок волновода выбрано из условия
0 < l/H ≅ 0,25
где l - расстояние линейных проводников от боковых стенок волновода;
H - длина штыря.