Сверхвысокочастотный прибор с замедляющей системой "клеверный лист"

 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в разработках ламп бегущей волны, клистронов и их гибридов. Техническим результатом является упрощение и повышение точности изготовления. Замедляющая система "клеверный лист" СВЧ-прибора выполнена из одной детали - кольца с радиальными выступами, на которых установлена диафрагма с пролетными каналами. Эти диафрагмы перекрывают выступы, лежащие по обе стороны средней плоскости кольца. Выступы с одной стороны средней плоскости кольца повернуты относительно выступов с другой на угол N (где N - число выступов), а относительно друг друга на угол 2π/N. Щели связи образованы радиальным поверхностями выступов, внутренней поверхностью колец и наружной поверхностью диафрагм. С каждой стороны кольца выполнена цилиндрическая проточка. Кольца соединены вдоль общей оси телескопическими спаями, в результате чего образована замедляющая система "клеверный лист". 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), более конкретно к вакуумным электронным приборам, и может быть использовано в клистронах, лампах бегущей волны (ЛЕВ) и их гибридах.

Известны СВЧ-приборы [1, 2] , в которых замедляющая система (ЗС) "клеверный лист" собрана из диафрагм с пролетными каналами и радиальными щелями, колец с внутренними выступами. Кольца выполнены из тонкостенной трубки.

Необходимость выполнения множества радиальных щелей в диафрагмах, выступов в трубках с последующей сборкой и торцевой пайкой полученных деталей в оправке представляет сложный процесс. Кроме того, при пайке диафрагм с кольцами по плоскостям возникают как радиальные, так и продольные погрешности, что не позволяет изготовить ЗС и, следовательно, СВЧ-прибор с высокой точностью.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является конструкция, заявленная в [3]. В ней ЗС собирают из диафрагм с радиальными щелями и колец с выступами, выполненными из металлических пластин. Диски и кольца серебрят, собирают в пакет и нагревают. После расплавления серебра и охлаждения получают СВЧ прибор с паяной ЗС.

Как и в предыдущих случаях, ЗС прибора-прототипа выполнена из двух чередующихся деталей, которые соединены пайкой по плоскости, т.е. торцевым спаем, и ей присущи те же недостатки.

Таким образом, задачей изобретения является упрощение и повышение точности изготовления СВЧ-прибора с ЗС "клеверный лист".

Поставленная задача достигается тем, что в СВЧ-приборе с замедляющей системой "клеверный лист", содержащем кольца с N(N - целое число) внутренними выступами, повернутыми по отношению друг к другу на угол 2π/N и к выступам в соседних кольцах на угол π/N, диафрагмы с пролетными каналами, щели связи, наружный диаметр диафрагм с пролетными каналами выполнен равным диаметру цилиндрической поверхности, на которой расположены торцы выступов, эти диафрагмы установлены с перекрытием выступов соседних колец, щели связи образованы радиальными поверхностями выступов, внутренними поверхностями колец и наружными поверхностями диафрагм с пролетными каналами, кольца с выступами разрезаны перпендикулярно оси прибора на две части, одна часть по отношению к другой повернута на угол α, лежащий в пределах π/N≥α≥0, со стороны разреза в каждой из частей колец выполнены цилиндрические проточки на глубину h, лежащую в пределах 7,4•10^-4λ√U≥h≥0, где λ - длина электромагнитной волны, синхронной с электронным потоком, см; U - ускоряющее напряжение электронного потока, В, кольца по разрезам соединены телескопическими спаями.

На Фиг. 1 приведен в продольном сечении многолучевой СВЧ-прибор с ЗС "клеверный лист", работающий на высшей (например 1-й пространственной гармонике).

На Фиг. 2 изображен тот же многолучевой СВЧ-прибор в сечении плоскостью А-А.

На Фиг.3 показан однолучевой СВЧ-прибор с ЗС "клеверный лист", работающий на основной (0-й пространственной гармонике).

На этих фигурах: 1) металлические кольца, 2) радиальный выступ, 3) диафрагмы, 4) пролетные каналы, 5) щели связи, 6) цилиндрические проточки,
7) телескопические спаи,
8) места соединения колец телескопическими спаями.

Слева на Фиг. 1, 3 расположена электронная пушка (не показана), справа расположен коллектор электронов (не показан).

Не показаны также устройства ввода, вывода энергии, разрывы в ЗС. Все эти узлы имеют известные конструкции (см., например, [4]).

СВЧ-прибор с ЗС "кленовый лист" содержит металлические кольца 1, по обе стороны от средней плоскости Б-Б которых выполнены по N радиальных выступов 2 (число выступов определяется требуемой полосой частот прибора) с наружным диаметром D_к и внутренним - D_m (Фиг.1). Эти выступы по отношению друг к другу повернуты на угол 2π/N, а по отношению к выступам с другой стороны средней плоскости - на угол π/N.
Установленные на торцевых поверхностях выступов 2 диафрагмы 3 толщиной t и наружным диаметром D_m с пролетными каналами 4 перекрывают эти выступы как с одной, так и с другой стороны плоскости. Диафрагмы 3 на Фиг.3 выполнены с одними, а на Фиг. 1,2 с четырьмя пролетными каналами 4, т.к. заявленный прибор может быть как одно-, так и многолучевым.

Щели связи 5 образованы радиальными поверхностями выступов 2, внутренними поверхностями колец 1 и наружными поверхностями диафрагм 3.

Цилиндрические проточки 6 глубиной h выполнены с обеих сторон колец 1 (Фиг.1, 2).

Телескопические спаи 7, после поворота колец 1 по отношению друг к другу на угол α (Фиг.2), соединяют их и образуют ЗС СВЧ-прибора (Фиг.1).

Как видно, в заявленном СВЧ-приборе ЗС "клеверный лист" выполнена из единого элемента - кольца 1 с диафрагмой 3, имеющей пролетные каналы 4.

В нашем техническом решении кольца ЗС известного прибора 3 разрезают на две части с тем, чтобы выполнить ЗС с помощью телескопических спаев (пайка преимущественно по двум соосным цилиндрическим поверхностям). При этом появляется возможность поворота полученных колец относительно друг друга на угол α в пределах
π/N≥α≥0.
Все внутренние углы поворота, кратные π/N, приводят к повторяющимся конструкциям.

Для уменьшения величины галтелей, образующихся при пайке колец, необходимо отодвинуть их радиальные выступы от места спая. В этом случае не будет углов, в которые под действием капиллярных сил вытягивается припой, что обеспечит большую точность выполнения предложенного прибора. Заявленный СВЧ-прибор с ЗС "клеверный лист" работает как на 0-й пространственной гармонике, так и на ближайшей к нулевой +1-й пространственной гармонике.

Известные СВЧ-приборы на нулевой пространственной гармонике работают при фазовой сдвиге (0,5-0,7)π [4] (фазовый сдвиг электромагнитной волны на одну ячейку замедляющей системы). В этом случае полоса пропускания ЗС составляет около 25%, а рабочая полоса прибора - до 10%. Наличие цилиндрических проточек уменьшает полосу пропускания ЗС, поэтому при работе на 0-й гармонике их глубина h должна быть минимальной и в пределе равной 0.

При работе прибора на +1-й гармонике рабочий фазовый сдвиг составляет (2,0-2,5)π, и получить полосу пропускания ЗС около 25% будет возможно, если сделать аксиальную протяженность радиальных выступов в кольцах той же величины 0,5π, что и при работе нa 0-й гармонике. В этом случае наибольшая возможная фазовая глубина проточки h составит 0,75π.. Выразив эту величину через рабочую длину волны λ и ускоряющее напряжение электронного потока U, с учетом того, что минимальная глубина проточки равна 0, получим
7,4•10^-4λ√U≥h≥0.
Это соотношение охватывает как случай работы на 0-й, так и на +1-й пространственных гармониках.

Таким образом, уменьшение в два раза числа соединяемых деталей, применение при сборке прибора телескопических спаев, отсутствие необходимости выполнения множества радиальных щелей в диафрагмах с пролетными каналами, точная фиксация диафрагм относительно радиальных выступов колец позволяет упростить изготовление прибора, уменьшить хаотические нарушения периодичности, аксиальной симметрии, свести к минимуму образование галтелей в местах спаев, т.е. повысить точность изготовления прибора.

Детали - кольца с выступами и диафрагмами, имеющими пролетные каналы, из которых собирается ЗС могут быть выполнены на обычных металлорежущих и электроискровых станках. Обработав вчерновую детали на металлорежущих станках и вчистовую на электроискровых можно обеспечить выполнение размеров с точностью в несколько микрон. Это в конечном счете позволит получить высокие значения параметров приборов и их повторяемость.

Возможность поворота колец по отношению друг к другу дает дополнительное преимущество предложенного прибора по сравнению с известным. При повороте уменьшается прямая связь между щелями в соседних кольцах, что приводит к расширению полосы усиливаемых частот. Наибольший относительный поворот щелей α = π/2N дает и наибольшую полосу усиления.

Кроме того, поворот позволяет изменять волновое сопротивление ЗС и таким образом добиваться лучшего ее согласования с волноводами ввода/вывода энергии и нагрузками.

Наиболее простым в изготовлении и с наибольшей полосой усиливаемых частот является СВЧ-прибор с ЗС "клеверный лист", у которого диафрагмы перекрывают выступы соседних колец на длине t/2, цилиндрические проточки имеют одинаковую глубину h и угол поворота щелей α составляет π/2N.
Описанная выше конструкция является частным примером. Другие конструкции, соответствующие сущности заявленного изобретения, могут быть очевидными для специалистов в области разработки ламп бегущей волны.

Литература
1. M.Chodorow, US Pat. 3233139, Cl.315-3,5, 8.02.60.

2. M.Chodorow, R.Craig, Some new circuits for high power travelling wave tubes. PIRE, 1957, 45, 8, 1106.

3. N.W.Harris, US Pat. 3375475, Cl.333-31, 26.03.68.

4. J. F. Gittins, Power travelling wave tubes. The English Universites Press LTD. London. E.C.I. 1964.

Формула изобретения

1. СВЧ-прибор с замедляющей системой "клеверный лист", содержащей кольца с N (N - целое число) внутренними выступами, повернутыми по отношению друг к другу на угол 2π/N и к выступам в соседних кольцах на угол π/N, диафрагмы с пролетными каналами, щели связи, отличающийся тем, что наружный диаметр диафрагм с пролетными каналами выполнен равным диаметру цилиндрической поверхности, на которой расположены торцы выступов, диафрагмы с пролетными каналами установлены с перекрытием выступов соседних колец, щели связи образованы радиальными поверхностями выступов, внутренними поверхностями колец и наружными поверхностями диафрагм с пролетными каналами, кольца с N выступами разрезаны перпендикулярно оси прибора на две части, одна часть по отношению к другой повернута на угол α, лежащий в пределах π/N≥α≥0, со стороны разреза в каждой из частей колец выполнены цилиндрические проточки на глубину h, лежащую в пределах
7,4•10^-4λ√U≥h≥0,
где λ - длина электромагнитной волны, синхронной с электронным потоком, см;
U - ускоряющее напряжение электронного потока, при этом кольца по разрезам соединены телескопическими спаями, В.

2. СВЧ-прибор по п. 1, отличающийся тем, что диафрагмы с пролетным каналами перекрывают выступы соседних колец на длине t/2, где t - толщина диафрагмы, проточки в каждой из частей колец со стороны разреза выполнены одинаковой глубины диаметром, равным внутреннему диаметру кольца, угол поворота одной части разрезанного кольца по отношению к другой составляет π/2N.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3