Резонансный генератор СВЧ-колебаний Советский патент 1983 года по МПК H01J25/00 

2. Генератор по п. 1, отличают и и с я тем, что он содержит дополнительную периодическую структуру, расположенную на одной продольной оси с основной периодической структурой между последней и коллектором, причем начальный участок ее входит в выемку на конце периодической структуры, а расстояние между поверхностью дополнительной периодической структуры , обращенной к плоскости движения электронного пучка, и указанной плоскостью превышает расстояниемежду этой плоскостью и обращенной к ней поверхностью основной периодической структуры.

Изобретение- относится к области электровакуумных.приборов СВЧ, а бйлее конкретно - к устройству генератора СВЧ-колебаний с открытым резонатором.

Изве.стен генератор СВЧ-колебаний (оротрон ) содержащий источник электронов, формирующий плоский электронный пучок, коллектор, открытый резонатор, периодическую структуру расположенную, например, на поверхности одного из зеркал открытого резонатора на всем протяжении от источника электронов до коллектора D .

Недостатком данной конструкции является низкий коэффициент полезного действия прибора, равный 1-3.

Известен также резонансный генератор СВМ-колебаний (.генератор дифракционного излучения), содержащий источник электронов, формирующий плоский электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и периодическую структуру, расположенную в центральной части резонатора между источником электронов и коллектором вдоль плоскости движения электронного пучка, при этом расстояние между указанной плоскостью и обращенной к ней поверхностью основной периодической структуры выбрано из условия эффективного взаимодействия электронов с одной из пространственных гармоник собственного колебания открытого резонатора 2 .

Указанная конструкция также обладает сравнительно низким электронным коэффициентом полезного действия, достигающим в лучшем случае величины порядка 15-17% при реальном коэффициенте полезного действия k-S%.

2

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия генератора.

Указанная цель достигается тем,

что в генераторе СВЧ-колебаний, со,держащем источник электронов, формирующий плоский электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и основную периодическую структуру, расположенную в открытом резонаторе между источником электронов и коллектором вдоль плоскости движения электронного пучка, конец основной периодической структуры со стороны коллектора выполнен с продольной выемкой, глубина которой максимальна на продольной оси структуры и уменьшается по направлению к ее боковым краям.

Генератор может содержать также

дополнительную периодическую структуру, расположенную на одной продольной оси с основной периодической структурой между последней и коллектором, причём начальный участок ее

входит -В выемку на конце основной периодической структуры, а расстояние между поверхностью дополнительной периодической структуры, обращенной к плоскости движения электронного пучка,

и указанной плоскостью превышает расстряние между этой плоскостью и обращенной к ней поверхностью основной .периодической структурой.

На фиг,1 ,и 2 схематически показан варуиант конструкции предложенного генератор с основной периодической структурой; на фиг.З, - вариант конструкции генератора с основной и дополнительной периодическими структу.рами.

Генератор СВЧ-колебаний (фиг.1 и 2) содержит открытый резонатор, образованный вогнутым 1 и плоским 2 зеркалами, с устройством для вывода энергии в виде прорезей 3 в вогнутом зер кале 1, источник электронов k, коллектор 5 и основную периодическую структуру 6 в виде гребенки, наиесейной на плоском зеркале 2 и расположен ной между источником и крллекторон вдоль плоскости ЕЕ движения электронного пучка. Расстояние Н между пяоскостью ЕЕ и обращенной к ней поверхностью структуры 6 выбрано из условия эффективного взаимодействия элект ронов с одной из пространственных гар |моник собственного колебания открытого резонатора, а период Р структуры 6 выбран из условия синхронизма электро нов с этой гармоникой, как в известны генераторах аналогичного типа. Конец основной периодической структуры 6 со стороны коллектора 5 выполнен с продольной выемкой ТАТ , глубина которой Д максимальна на продольной оси СС структуры 6 и уменьшается по направлению к ее боковым краям 7. Глубину Д в1иемки ТАТ на оси СС структуры 6 выбирают в зависимости от ширины электронного пучка и положения основной периодической структуры, в частности ее коллекторного конца, относительно оси 00 симметрии резонатора. ГТри ширине электронного пучка, равной диаметру d каустической поверхности поля основного Колебания открытого резонатора в плоскости движения этого пучка, и расположении коллекторного конца структуры 6 у кря Зеркала 2 указанная глубина Д может составлять 0,5-0,6 от всей длины основной периодической структуры 6 (фиг.1 и 2 ). При уменьшении ширины пучка и смещении коллекторного конца структуры 6 к оси со симметрии резонатора указанная глубина Д уменьшается, и при минимальной реально используемой ширине пучка (,2d} расположении коллекторного конца вбли зи, оси 00 симметрии глубина Д может составлять 0,03-0,05 от всей длины основной периодической структуры 6. Глубина выемки ТАТ в показанном из фиг.1 варианте изменяется вдоль ширины периодической структуры 6 по параболическому закону. Наряду с этим она может изменяться 1то 7|йнёйному-закону, ступенчатообразно и т.п. В другом варианте предлагаемого ге нератора между основной периодической структурой 6 и коллектором 5 расположена дополнительная периодическая структура 8,начальный участок которой входит в выемку ТАТ основной периодической структуры 6, а расстояние Н 2 между поверхностью дополнительной периодической структуры 8, обг ащенной к плоскости ЕЕ движения электронного превышает расстояние Н- между этой плоскостью и обращенной к ней поверхностью основной периодической структуры 6. Период дополнит-ёпьной периодической структуры 8 может быть равен периоду t основной периодической структуру 6 (фиг.2), но и отличаться от него. Предложенный гене ратор работает следующим образом. При пропускании плоского электронного пучка, формируемого источником электронов k (фиг. t, 27и фокусируемого однородным магнитным полем 6, создаваемом внешним магнитом (на фиг. 1, 2 не показан), вблизи основной периодической структуры 6 происходит взаимодействие электронного пучка с S высо ко час тот ны м эяе ктри че ски м полем открытого резонатора. Поскольку период t выбран меньше длины волны осжэвного колебания открытого резонатора, вблизи основной периодической структуры 6 Армируются медленные пространственные гармоники этого колебания , фазовые скорости которых определяются периодом в основной периодической структуры 6. Эффективное взаимодействие электронного пучка с одной из пространственных гармоник будет иметь место при скорости электронов, близкой к фазовой скорости этой пространственной гармоники, т,е. при синхронизме электронного пучка с пространственной гармоникой. При увеличении тоКа электронного пучка выше его пускового значения происходит самовозбуждение системы, и в приборе возникают высокочастотные колебанияу ifeopue выводятся в -нагруаку через: ад врвзи 3. Поскольку амплитуда высокочастотного электрического поля вз и1лЬдейстаующего с электронным пучком, уменьшается от оси симметрии 00 резонатора к его краям, электроны, движущиеся вблизи продольной осевой линии СС основной периодической структуры 6, быстрее тормозятся высокочастотным электрическим полем открытого резонатора и выходят из синхронизма с пространственной гарМОНИКОЙ, чем электроны, более удаленные от продольной оси СС структуры 6 по направлению к ее- краям 7. С другой стороны, удаленные от продольной оси СС структуры 6 электроны к моменту выхода из синхронизма центральных электронов еще продолжают группироваться и максимум эффектности их взаимодействия с полем пространственной гармоники не наступил. Поэтому, если оборвать вза модействие всего электронного пучка с пространственной гармоникой на расстоянии S от источника электронов при котором максимальную эффективность взаимодействия имеют электроны, движущиеся над продольной осью СС , сум карная эффективность взаимодействия электронного пучка будет невелика, как в известных конструкциях генера тора аналогичного типа. В предлагаемом генераторе благода ря наличию выемки ТАТ на коллекторном конце периодической структуры 6 длина взаимодействия электронов по ширине пучка увеличивается по направ лению от продольной оси СС к боковы краям 7 структуры 6. Другими словами взаимодействие с полем пространствен ной гармоники.резонатора электронов, движущихся на расстоянии k от продольной оси СС периодической структуры 6 длится больше, чем взаимодействие электронов, движущихся вблизи этой оси СО. Это увеличивает эффективность взаимодействия электроное с указанной гармоникой по всей ширине электронного пучка и., следовательно, повышает коэффициент полезного действия генератора. Принцип работы генератора, геоквзанного на фиг.З и , аналогичен вписанному выше. Введение дополнительней периодичесю)й структуры в уменьшвет дифракционные потери, возникающие в области коллекторного leoHtta ТАТ О новной периодической структуры 6, Яри этом Н9 участке, где распсатожена дополнительная структура 8, эффе.кти кость взаимодействия электронного пучка с пространственной гармоникой основного собственного колебания открытого резонатора не происходит б лагодаря тому, что Но Н. Как показали проведенные исследования, в предлагаемом генераторе возможно получение электронного коэффициенга, полезного действия порядка 30% при ширине электронного пучка, составлйющей примерно Q,2d, 2S% при ширине электронного пучка порядка О, и 20% при ширине электронного пучка примерно OJ6(3.