Генератор СВЧ колебаний Советский патент 1991 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к электровакуумной технике генерирования электромагнитных волн, особенно субмиллиметрового и дальнего инфракрасного диапазонов, и предназначено для использования в радиотехнических установках различного назначения, в частности в измерительной технике, спектроскопии, радиолокации, технике (в том числе в бортовых устройствах).

Известны генераторы СВЧ колебаний, содержащие электронную пушку, открытый резонатор, образованный вогнутым зеркалом с отверстием связи для вывода энергии и плоским зеркалом, на котором нанесена периодическая структура.

Эти приборы отличаются улучшенными спектральными характеристиками, повышенной фазовой и частотной стабильностью и широким диапазоном комбинированной перестройки частоты .по сравнению с приборами, не содержащими открытого резонатора.

00 00 О

Однако этим приборам присущ следующий недостаток: в рабочем режиме - при синхронизме электронов с волной -ускоряслющее напряжение на пушке растет с генеVрируемой частотой (закон ростй близок к квадратичному). Это приводит к необходимости использовать независимо от величины тока высокие напряжения, которые будут особенно велики в субмиллиметровом и дальнем инфракрасном диапазонах волн (напряжения порядка десятков киловольт). В субмиллиметровом диапазоне волн (и особенно вйальней области инфракрасного диапазона) электронный пучок к тому же взаимодействует с таким полем, которое тем резче спадает от периодической структуры, чем выше частота.

Известен также генератор,СВЧ колебаний, содержащий электронно-оптическую систему формирования ленточного пучка с зл81стронной пушкой, модулирующую систему с зазором взаимодействия и демодулирующую систему, выполненную в виде открытого резонатора, образованного вогнутым зеркалом с окном связи для вывода энергии и плоским зеркалом с дифракционной структурой, в этом генераторе создаваемый пушкой электронный пучок группируется модулятором и, проходя между смежными кромками вогнутого и плоского зеркал, падает на периодическую структуру.

Однако известный генератор, как все другие известные оротроны - ГДИ с наклон- но падающим на периодическую структуру пучком предназначен для работы с механизмом возбуждения отрывающихся волн в клинотронном режиме (синхронизм скорости Уе индивидуального электрона наклонногопучка с генерируемой волной) и ему пр.1суш,е высокое рабочее напряжение.

Целью изобретения является понижение рабочего напряжения на пушке при сохранении выходных параметров.

Цель достигается тем, что в генераторе СВЧ колебаний содержащем электроннооптическую систему формирования ленточного пучка с электронной пушкой, модулирующую систему с зазором взаимодействия и демодулирующую систему, выполненную в виде открытого резонатора, образованного вогнутым зеркалом с окном связи для вывода энергии и плоским зеркалом с дифракционной структурой, в плоскости симметрии генератора выполнена запредельная для генерируемого диапазона волн щель, при этом элементы ориентирован ы таким образом., что зазор взаимодействия модулирующей системы, щель Л дифракционная структура расположень вдоль плоскости симметрии ленточного пучка, а окно связи вывода энергии расположено вне щели.

Принципиальная схема предлагаемого генератора СВЧ колебаний представлена на чертеже.

Он содержит пушку 1, модулирующую систему 2 с зазором 3 взаимодействия,вог-. нутое зеркало 4 открытого резонатора, щель 5 в центральной плоскости XZ вогнутого зеркала, отверстие 6 связи для вывода энергии, плоский ленточный электронный пучок 7, плоское зеркало В периодическая структура 9. X,Z - координатные оси соответственно по нормали к плоскому зеркалу и адоль периодической структуры, -угол наклона пучка к оси X.

Выходящий из пушки 1 ленточный электронный пучок 7, расположенный в центральной плоскости XZ, модулируется по скорости модулирующей системой 2 и через

ее зазор 3 и щель 5 в плоскости XZ вогнутого зеркала 4 падает в сгруппированном состоянии на периодическую структуру 9, выполненную в центральной части плоского зеркала 8. При этом периодически следующие друг за другом нитевидные сгустки электронов наклонены Нод углом (р к оси X. Точка пересечения огибающей очередного сгустка, т.е. очередной зарядной нити (или точка пересечения максимума плотности заряда), с периодической структурой 9 движется вдоль последней со скоростью Vn, возбуждая поверхностную гармонику отрывающейся волны периодической структуры 9, движущиеся тоже со скоростью Vn. При

межзеркальном расстоянии, соответствующем резонансу открытого резонатора на частоте отрывающихся волн. из отрывающихся волн периодической структуры 9 формируется каустика с повышенной

плотностью энергии.

Энергия генерируемых колебаний выводится через отверстие 6 связи, расположенное в вогнутом зеркале 4 вне щели 5. Скорость Vn точки пересечения сгустка заряда с плоскостью периодической структуры 9, движущейся вдоль периодической структуры 9, превышает скорость Ve индивидуального электрона в соответствии с равенством

УП 1

Ve Sin9

Например, при угле наклона (р 0,3, это Соответствует понижению напряжения генерации более чем на порядок, при (/ 0,1

- на два порядка по сравнению с режимом, генерирования прототипа, в котором синхронизм соответствует равенству скоростей индивидуальных электро.нов и пространственной гармоники и на которых рассчитана

конструкция прототипа и других известных оротронов - ГДИ. Использование указанных новых конструктивных элементов выгодно отличает предлагаемый генератор СВЧ колебаний от.прототипа, так как указанная его низковольтность. принципиально недостижимая в известных вакуумных генераторах СВЧ. особенно в субмиллиметровом диапазоне и дальнем инфракрасном диапазоне, понижает требования к электропрочности элементов, облегчая и удешевляй конструкцию, и позволяет применять низковольтные источники питания (например, аккумуляторы). Кроме того, в известных генераторах СВЧ типа оротрона - ГДИ из

геометрических соображений эффективно участвующая в генерировании полезного сигнала ширина пучка значительно меньше ширины каустики, в то время как в предлагаемом устройстве она равна ей. Это повышает эффективность генератора. К тому же возбуждение на основе известных вакуумных генераторов СВЧ колебаний в субмиллиметровом и дальнем инфракрасном диапазонах затруднено повышенными требованиями к фокусировке пучка, так как в этом случае необходимо пропускать высоковольтный пучок электронов вдоль системы в области взаимодействия порядка замедленной длины волны вблизи элементов структУ ры, которые сами порядка замедленной длины волны. В предлагаемом генераторе СВЧ колебаний эта трудность устранена, так как имеет место падение низковольтных электронов на систему.

ГЕНЕРАТОР СВЧ КОЛЕБАНИЙ, содержащий электронно-оптическую систему формирования ленточного пучка с электронной пушкой, модулирующую систему с зазором взаимодействия и демодулирующую систему, выполненную в виде открытого резонатора, образованного вогнутым зеркалом с окном связи для вывода энергии и плоским зеркалом с дифракционной структурой, отличающийся тем, что, с целью понижения рабочего напряжения при сохранении выходных параметров, в плоскости симметрии генератора выполнена запредельная для генерирующего диапазона волн щель, при этом элементы ориентированы таким образом, что зазор взаимодействия модулирующей системы, щель и дифракционная структура распопажены вдоль плоскости симметрии ленточного пучка, а окно связи выводаэнергии расположено вне щели.