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

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ. Известен генератор .СВЧ-колебаний содержащий электронно-оптическую систему, открытый резонатор и перио дическую структуру l . Недостатком его является низкий коэффициент полезного действия прибора, равный 1-3. Известен резонансный-генератор СВЧ-колебаний, содержащий электронно-оптическую систему, об,разованную эмиттером электронов и ускоряющим электродом и формирующую, ленточный электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и периодическую структуру , расположенную в центральной части открытого резонатора между ускоряющим электродом и коллектором вдоль направления движения электронНо го пучка 21. Такой генератор имеет, сравнительн низкий электронный КПД, достигающий в лучшем случае при реальном КПД 4-51. Целью изобретения является повы1иение КПД генератора за счет повышения эффективности использования энергии электронов по всей ширине пучка. Это достигается- тем, что в генера торе СВЧ-колебаний, содержащем электронно-оптическую систему, образован ную источником электронов- и ускоряющим электродом и формирующую ленточньй электронный пучок, коллектор, от крытый резонатор и периодическую структуру расположенную в открытом резонаторе между ускоряющим электродом и коллек тором вдоль направления движения электронного пучка, источник электро нов выполнен из электрически изолированных между собой эмиттеров,, которые подсоединены к источнику напря жения с возможностью подачи на них различных по величине потенциалов относительно ускоряющего электрода. На фиг. 1 схематически показан вариант предложенного генератора; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг.1, Генератор СВЧ-колебаний содержит открытый резонатор, образованный вогнутым зеркалом 1 и плоским зеркалом 2 с Устройством для вывода энергии в виде прорезей 3 в зеркале 1, электронно-оптическую систему, образованную источником электронов и ускоряющим электродом 5, коллектор 6 и периодическую структуру 7, нанесенную в виде гребенки на поверхность зеркала 2 между электродом 5 и коллектором 6 вдоль плоскости ЕЕ движения электронного пучка. Источник электронов k выполнен в виде изолированных друг от другаэмиттеров 8 - 12. Количество эмиттеров выбирают, исходя их конкретных технологических возможностей применительно к заданному диапазону частот генерируемых колебаний и требуемой суммарной ширины электронных лучей., образующих ленточный электронный пучок. Последняя обусловлена эмиссионными свойствами эмиттеров и необходимой величиной тока в приборе. Так, при ширине электронного пучка примерно 0,6с1, где d - диаметр каустического пятна основного собственного колебания открытого резонатора в плоскости движения электронного пучка, целесообразно иметь не менее пяти эмиттеров (см. фиг. 1 /. Эмиттеры 8 - 12 соединяются между собой по признаку одинаковой удаленности от осевой линии 00 периодической структуры 7. Пара эмиттеров 8 и 12, наиболее удаленных от осевой линии ОО, подсоединяется к выводу 13 источника 1 с потенциалом Vj относительно электрода 5, пара эмиттеров 9 и 11 подсоединяется к выводу 15 источника 1 с потенциалом ; центральный эмиттер 10 подключен к. выводу 16 указаного источника. К положительному выводу 17 источника 14 присоединен электрод 5 . I Схема подключения эмиттеров 8, 12 к источнику 1. напряжения может отличаться от изображенной на фиг. 1, например, тем, что эти эмиттеры не объединяются в пары по признаку одинакового удаления центров эмиттеров .от продольной оси симметрии 00 , а на каждый эмиттер подается собственно значение потенциала относительно электрода 5 Подобное подключение может быть использовано при несимметричном распределении поля в открытом резонаторе. Конструкция источника электронов предложенного генератора зависит от частотного диапазона и необходимой ширины электронного пучка. Например, на общем металлическом основании могут быть укреплены изолированные от этого основания и разделен ные между собой небольшими промежутками керны с вмонтированными в них подогревателями, а на обращенной к ускоряющему электроду поверхности каждого керна нанесено эмиттирукхцее покрытие. Генератор работает следующим образом. При включении источника 1+ напряжения электронно-оптическая система состоящая из источника k электронов и ускоряющего электрода 5, формирует ленточный электронный пучок, состоящий из пяти (см. фиг. 1 ) электронных лучей 18-22, которые фокусируются магнитным полем В,создаваемым внешним магнитом (на чертеже не показан ). Скорость электронов в лучах 18 и 22 определяется потенциалом Vj, скорость электронов в лучах 19 и 21 - потенциалом V, а скорость электронов в луче 20 - потенциалом V относительно электрода 5. Как и во всех генераторах аналогичного типа вблизи периодиче.ской структуры 7 формируются медленные пространЬтвенные гармоники основного собственн го колебания открытого резонатора. Эффективное взаимодействие электрон ных лучей 18 - 22с одной из указанн гармоник имеет место при скорости электронов, близкой к фазовой скоро ти этой пространственной гармоники т.е . при синхронизме электронных луМей 18 - 22 с пространственной гармоникой. При увеличении тока электронного пучка (т.е. суммарного тока лучей 18 - 22) выше его пускового значения происходит самовозбуждение, системы, и в приборе возникают высокочастотные колебания, которые выводятся в нагрузку через прорези 3 в зеркале 1. Поскольку амплитуда высокочастотного электрического поля взаимодействующего с электронными лучами 18 - 22, уменьшается от оси симметрии 00 периодической структу ры 7 к краям открытого резонатора, электроны в луче 20, движующиеся вблизи оси симметрии 00 периодической структуры 7, взаимодействуют с более сильным высокочастотным электрическим, полем, чем электроны в лучах 19 и 21, а последние, очередь, взаимодействуют с более сильным высокочастотным электрически 9 чем электроны в лучах полем, 22. Приведенные авторами теоретические исследования нелинейных режимов взаимодействия электронов с полем медленной пространственной гармоники, формируемой периодической структурой 7, показали, что с уменьшением амплитуды высокочастотного поля по ширине движущегося ленточного электронного пучка при неизменном по ширине пучка значении параметра обгона 0скорость электронов , определяемая величиной ускоряющего напряжения, скорость фазовая медленной пространственной гармоники, определяемая отношением периода периодической структуры к длине волны колебания в открытом резонаторе, эффективность взаимодействия электронов с указанной гармоникой падает. Объяснить это можно следующим образом. Как известно, величина энергии, которую электрон отдает высокочастотному полю в генераторах рассматриваемого типа, определяется разницей в скорости электрона в начале и конце взаимодействия. При одинaJ paoй по ширине пучка начальной скорости электронов, оптимальной для. центральных электронов, движущихся вблизи си симметрии 00 периодической структуры 7, периферийные электpoнЫj удаленные от оси симметрии 00 , слишком быстро пролетают на своем пути к коллектору 6 сквозь сравнительно слабое (по отношению к полю на оси 00) высокочастотное поле, не успев затормозиться этим полем в такой же степени, как центральные электроны, и, следовательно, не успевают с ними эффективно провзаимодействовать . Уменьшая параметр обгона Ъ в направлении уменьшения амплитуды высокочастотного поля в открытом резонаторе, т.е. по ширине пучка , можно подерживать электронный КП практически на неизмененном уровне по всей ширине электронного :. пучка при довольно значительных ве- . пичинах ширины пучка.

РЕЗОНАНСНЫЙ ГЕНЕРАТОР СВЧКОЛЕБАНИЙ, содержащий электронно-оптическую систему, образованную источником электронов и ускоряющим электродом и формирующую ленточный электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и. периодическую структуру, расположенную в открытом резонаторе между ускоряющим электродом и коллектором вдоль направления движения электронного пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения электронного КПД генератора за счет повышения эффективности использования энергии электронов по всей ши(ине пучка, источник электронов выполнен в виде электрически изолированных между собой эмиттеров, которые подсоединены к источнику напряжения с возможностью подачи§ на них различных по величине потен(Л циалов относительно ускоряющего электрода. . о N(i Ot) со sj 00