Карсинотрод
Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, а точнее к лампам обратной волны (ЛОВ, карсинотроны) и может быть использовано для генерации мощных электромагнитных колебаний СВЧ с электронной перестройкой частоты. Изобретение обеспечивает увеличение КПД и выходной мощности ЛОВ при сохранении широкой полосы электронной перестройки частоты, характерной для ЛОВ. В карсинотроде вводится цепь обратной связи между замедляющей системой и электронной пушкой в виде электродинамической системы, передающей электромагнитное поле обратной волны с выхода замедляющей системы к электроду, обеспечивающему модуляцию эмиссии электронов с катода, в результате чего в замедляющую систему влетают сгустки электронов, что обеспечивает увеличение КПД и мощности колебаний. Для сохранения широкой полосы электронной перестройки частоты электродинамическая система выполняется в виде отрезка замедляющей системы того же типа, который применяется в приборе с размерами, обеспечивающими необходимый сдвиг фазы в цепи обратной связи. 1 ил.
Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ и может быть использовано для генерации мощных электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты.
Известен электровакуумный прибор СВЧ типа клистрод (1), включающий электронную пушку с катодом и с дополнительными электродами, предназначенными для модуляции эмиссии электронов с катода, выходной резонатор и коллектор электродов. При подаче на указанные электроды входного СВЧ-сигнала происходит модуляция эмиссии электронов с катода и образуются сгустки электронов, которые при пролете через выходной резонатор возбуждают в нем усиленные выходные колебания. Полоса рабочих частот такого прибора определяется полосой частот нагруженного резонатора, имеющей ограниченную величину, что является недостатком клистрода. Наиболее близким к предлагаемому является лампа обратной волны (ЛОВ, карсинотрон) (2), включающая электронную пушку без модуляции эмиссии, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной и коллектор электронов. В карсинотроне возможна генерация электромагнитных колебаний с электронной перестройкой частоты при изменении ускоряющего электроны напряжения между катодом и замедляющей системой в широкой полосе частот в десятки процентов, определяемой полосой рабочих частот замедляющей системы. Недостатком карсинотрона является невысокий КПД и соответственно выходная мощность, так как вылетающий с катода немодулированный электронный поток группируется в сильном поле обратной электромагнитной волны в начале замедляющей системы, а отдает энергию слабому полю этой волны у коллекторного конца замедляющей системы. Задачей изобретения является создание мощного генератора электромагнитных колебаний. Техническим результатом является повышение КПД и выходной мощности генератора. Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом карсинотроде, содержащем электронную пушку с термо- или автоэмиссионным катодом и электродом для модуляции эмиссии электронов с катода высокочастотным полем, фокусирующую систему, замедляющую систему с обратной волной, синхронной с электронами, и коллектор электронов, замедляющая система соединена с электронной пушкой с помощью электродинамической системы, передающей высокочастотное поле с выхода замедляющей системы на модулирующий электрод электронной пушки с определенным сдвигом фазы поля в электродинамической системе. Новым в предлагаемой конструкции является то, что имеется цепь обратной связи между замедляющей системой и электронной пушкой в виде электродинамической системы, передающей электромагнитное поле обратной волны с выхода замедляющей системы к электроду, обеспечивающему модуляцию эмиссии электронов с катода, в результате чего в замедляющую систему влетают сгустки электронов, что обеспечивает увеличение КПД и мощности колебаний в широкой полосе электронной перестройки частоты при надлежащем выборе набега фазы в цепи обратной связи. На чертеже приведен общий вид карсинотрода. Он содержит электронную пушку 1, входящие в нее катод 2 и модулирующий электрод 3, фокусирующую систему 4, замедляющую систему с обратной волной 5, коллектор 6, электродинамическую систему 7, образующую цепь обратной связи между замедляющей системой и катодом. Работает карсинотрод следующим образом. Вылетающий из электронной пушки 1 электронный поток формируется фокусирующей системой 4 и пролетает на коллектор 6 через замедляющую систему 5, где он взаимодействует с полем обратной волны. При выполнении обычных для ЛОВ условий синхронизма электронов и обратной волны они передают энергию этой волне, которая распространяется навстречу электронному потоку, через цепь обратной связи 7 поступает на катод и создает в зазоре между модулирующим электродом 3 и катодом 2 электромагнитное поле, модулирующее эмиссию электронов с катода. Таким образом, в начало замедляющей системы "Б" поступает модулированный электронный поток. Сдвиг фазы в цепи обратной связи между точками "А-Б" выбран таким образом, что сгустки электронов в точке "Б" попадают в тормозящее электрическое поле обратной волны и сразу начинают отдавать свою энергию этому полю, которое максимально у выхода системы "Б". Это обстоятельство приводит к увеличению КПД и мощности карсинотрода по сравнению с обычной ЛОВ (карсинотроном) без модуляции эмиссии на катоде, поскольку в обычной ЛОВ электроны начинают группироваться только после влета в замедляющую систему и отдают свою энергию волне на коллекторном конце лампы, где амплитуда волны мала. Для получения широкой полосы электронной перестройки частоты карсинотрода цепь обратной связи должна обеспечивать модуляцию эмиссии на катоде в нужной фазе во всей полосе частот. Выведем необходимые условия. Пусть oc() - набег фазы на частоте в цепи обратной связи в направлении от высокочастотного выхода "Б" замедляющей системы 5 к катоду 2 (точка "А"), который обусловлен как запаздыванием поля в электродинамической системе 7, осуществляющей обратную связь, так и возможным геометрическим поворотом проводников этой системы. Поскольку сгусток электронов должен влетать в замедляющую систему в тормозящую фазу поля обратной волны, а с катода последующий сгусток электронов появляется в ускоряющей фазе, то запаздывание последующего сгустка на катоде составляет oc()+. . После пролета этого сгустка от катода до замедляющей системы он снова должен попасть в тормозящую фазу поля, что приводит к условию oc()++к() = 2n, n = 1,2,... (1) где к() набег фазы поля за время пролета сгустка Tk от катода до замедляющей системы к() = Tк. В свою очередь, время пролета Tk можно записать в виде Tк= (Lк/Vе), где Lк - расстояние от катода до замедляющей системы; Ve - скорость электронов на входе в замедляющую систему "Б", определяемая постоянным ускоряющем электроны напряжением замедляющей системы по отношению к катоду Ue, c/ve = 505/ (B), а коэффициент определяется распределением статического потенциала между катодом и замедляющей системой, но не зависит от абсолютного значения Ue. Если, например, модулирующий электрод 3 соединен по постоянному току с замедляющей системой и расстояние от него до катода много меньше Lк, то электроны пролетают отрезок Lк с постоянной скоростью ve и = 1. В других случаях при монотонном увеличении потенциала от катода до замедляющей системы > 1, в частности при линейном изменении потенциала между замедляющей системой и катодом существует постоянное ускоряющее электрическое поле, движение электронов равноускоренное и = 2.. Возьмем в качестве электродинамической системы обратной связи 7 отрезок замедляющей системы того же типа 5, которая используется в карсинотроде. Тогда выбором его размеров можно удовлетворить условие (1) в широкой полосе частот. Чтобы показать это, представим обратную волну замедляющей системы, имеющую сдвиг фазы -1() = L/V-1 на период системы L как 1-ю гармонику основной волны, имеющей сдвиг фазы на период o() и учтем условие синхронизма на частоте генерации ,V-1() = Ve. Тогда имеемгде
T = L/ve - время пролета одного периода замедляющей системы. Из условия (1) с учетом (2), (3), (4) получим
Это соотношение выполняется тождественно независимо от частоты, если
и
Соотношение (5) определяет необходимую длину Lк через период L и коэффициент распределения электрического поля . Соотношение (6) выполняется ввиду подобия законов дисперсии o() в замедляющей системе и ос() в электродинамической системе 7 при указанном выборе этой системы и выборе ее размеров, определяемых из (6). Таким образом, указанный выбор электродинамической системы 7 при условии (1) обеспечивает широкую полосу электронной перестройки частоты карсинотрода с помощью изменения напряжения
Источники информации
1. Прист Д.Х., Шредер М.Б. Клистрод - необычная мощная лампа, потенциально пригодная для ТВ-вещания в УВЧ-диапазоне.//ТИИЭР, 1982, т. 70, N 11, с. 84-92. 2. Джонсон Х.Р. Генераторы с обратной волной.//Вопросы радиолокационной техники, 1956, N 2 (32), с. 43-44.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1