Оротрон

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. Техническим результатом является увеличение выходной СВЧ мощности и КПД. Оротрон содержит магнитную фокусирующую систему, электронную пушку, коллектор электронов, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, выполненную в виде взаимно параллельных выступов и расположенную на плоском зеркале, и вывод энергии электромагнитных колебаний, выполненный в плоском зеркале резонатора. Вывод энергии электромагнитных колебаний расположен на расстоянии D от центра плоского зеркала, выбранном из условия 0≤D≤1,7R_к, где R_к - радиус каустической поверхности на плоском зеркале, при этом расстояние ρ между центром плоского зеркала и осью симметрии фокусирующего зеркала выбрано из условия ρ≤0,3R_к. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. Известен оротрон [1], содержащий электронно-оптическую систему, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения вдоль оси симметрии резонатора, проходящей через центры зеркал, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале и выполненную в виде взаимно параллельных выступов, и отверстие вывода энергии электромагнитных колебаний (далее вывод энергии), выполненное в фокусирующем зеркале.

Недостатком такой конструкции является малый уровень выходной мощности прибора, его низкий коэффициент полезного действия и возбуждение паразитных колебаний при больших токах пучка. Обусловлено это следующими причинами.

Эффективность электронно-волнового взаимодействия в оротроне характеризуется КПД в нагрузке η_н, который выражается формулой η_н=η_е(1-Q_н/Q₀), где η_е - электронный КПД прибора, Q_н - нагруженная добротность открытого резонатора, Q₀ - его собственная добротность. Отсюда видно, что для увеличения η_н необходимо увеличивать собственную добротность Q₀. Известно, что собственная добротность открытого резонатора при заданной его геометрии определяется как омическими и дифракционными потерями на зеркалах и периодической структуре, так и рассеянием электромагнитных волн на отверстии вывода энергии, причем для увеличения Q₀ следует уменьшать влияние указанного фактора [2]. Если отверстие вывода энергии расположено на фокусирующем зеркале, как это имеет место в описанной конструкции, часть высокочастотной (ВЧ) мощности бесполезно излучается из резонатора в окружающее пространство, теряется. Это приводит к уменьшению значения Q₀ и КПД прибора. Указанные потери можно уменьшить, расположив отверстие вывода на периферии зеркала, где амплитуда ВЧ поля рабочего колебания мала [2]. При этом, однако, уменьшается величина коэффициента полезного действия резонатора, что не позволяет увеличить выходную мощность прибора. Существенным ограничением генерируемой оротроном мощности является также паразитное возбуждение периодической структуры в режиме замедленных поверхностных волн при больших токах электронного потока [2].

В описанной конструкции оротрона отверстие вывода энергии выполнено на зеркале, расположенном достаточно далеко от периодической структуры. Оно не влияет на распространение указанных волн вдоль электронного потока, что облегчает их конкуренцию с колебаниями рабочего вида и приводит, как показали экспериментальные исследования авторов, к полному срыву последних при значениях тока I₀=(7-10)I_п, где I_п - величина пускового тока оротрона.

Недостатком известной конструкции является также неудобство эксплуатации, обусловленное сложностью стыковки отверстия вывода энергии, расположенного на подвижном зеркале открытого резонатора, с входным трактом радиотехнических систем в коротковолновой части СВЧ диапазона, где практически отсутствуют гибкие волноведущие элементы.

Известен также оротрон, в котором кроме вывода энергии, расположенного на подвижном зеркале открытого резонатора, имеются также выводы энергии в плоском зеркале у пушечного и коллекторного концов периодической системы [3]. Эти дополнительные выводы энергии позволяют исследовать возбуждение прибора и в режиме ЛОВ и ЛБВ. Однако оба эти вывода энергии не позволяют эффективно выводить энергию оротронных колебаний из прибора, так как располагаются далеко за пределами каустической поверхности на плоском зеркале и, следовательно, обеспечивают практически нулевой коэффициент связи открытого резонатора с нагрузкой.

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в повышении мощности генерируемых колебаний и КПД оротрона при одновременном подавлении паразитных колебаний и упрощении его эксплуатации в радиотехнических устройствах.

Для решения этой задачи в оротроне, содержащем электронную пушку, коллектор, магнитную фокусирующую систему, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, выполненную в виде взаимно параллельных выступов и расположенную на плоском зеркале, и вывод энергии электромагнитных колебаний, выполненный в плоском зеркале резонатора, последний расположен на расстоянии D от центра плоского зеркала, выбранном из условия 0≤D≤1,7 R_к, где R_к - радиус каустической поверхности на плоском зеркале, при этом расстояние ρ между центром плоского зеркала и осью симметрии фокусирующего зеркала выбрано из условия ρ≤0,3R_к.

Для подавления паразитных колебаний и упрощения эксплуатации прибора вывод энергии электромагнитных колебаний может быть выполнен в виде одного отверстия между соседними выступами периодической структуры на ее продольной оси симметрии, при этом площадь S отверстия выбрана из условия S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида на плоском зеркале.

Для приборов с малым периодом периодической структуры вывод энергии электромагнитных колебаний может быть выполнен в виде нескольких отверстий, каждое из которых расположено между соседними выступами периодической структуры на ее продольной оси симметрии. При этом суммарная площадь S отверстий выбрана из условия S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида на плоском зеркале.

Для того, чтобы оптимизировать связь открытого резонатора с нагрузкой в процессе работы прибора за счет изменения расстояния D между центром плоского зеркала и выводом энергии, фокусирующее зеркало устанавливается с возможностью перемещения в плоскости, параллельной плоскому зеркалу.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, фиг.2 схематически показаны варианты конструкции предлагаемого оротрона, а на фиг.3 представлены графики зависимости коэффициента связи η_ор открытого резонатора с нагрузкой от величины D/R_к для варианта оротрона фиг.1.

Оротрон, изображенный на фиг.1, содержит электронно-оптическую систему, включающую электронную пушку 1, магнитную фокусирующую систему 2 и коллектор электронов 3, открытый резонатор, образованный плоским зеркалом 4 и фокусирующим сферическим зеркалом 5, периодическую структуру 6, расположенную на плоском зеркале 4, и отверстие вывода 7 энергии, выполненное в плоском зеркале 4. Плоское зеркало 4 закреплено неподвижно, а фокусирующее зеркало 5 установлено с возможностью перемещения вдоль его оси симметрии ОО′, а также параллельно продольной оси ВВ′ симметрии периодической структуры 6. Отверстие вывода 7 энергии расположено между соседними выступами 8 и 9 (см. фиг.1, вид А) периодической структуры 6 на расстоянии D от центра О плоского зеркала 4 и имеет вид прямоугольной щели, ориентированной таким образом, что большие ее стороны параллельны направляющим ММ′ выступов периодической структуры 6, при этом размер меньших сторон равен величине промежутка d между выступами 8 и 9. К отверстию вывода 7 присоединен волноведущий тракт, выполненный в данном варианте в виде пирамидального рупора 10, переходящего в волновод 11. Наружная сторона волновода вакуумно-плотно присоединена к корпусу 12 прибора, а внутри его имеется вакуумно-плотное диэлектрическое окно 13, прозрачное для электромагнитных волн в рабочем диапазоне частот.

Возможны и другие варианты конструкции предлагаемого оротрона, например выполненной с периодической структурой, заполняющей часть поверхности плоского зеркала, или со сфероцилиндрическим фокусирующим зеркалом, расположенным перпендикулярно оси симметрии периодической структуры своей цилиндрической частью. Отверстие вывода 7 энергии может быть выполнено в виде нескольких прямоугольных щелей, поперечный размер которых равен величине промежутка d между выступами 8 и 9, а продольные стороны параллельны направляющим ММ' выступов периодической структуры 6. Суммарная площадь щелей S отверстия вывода 7 энергии выбирается в интервале S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости неподвижного зеркала 4. Сечения каустической поверхности с радиусом R_к и радиусом 2R_к показаны на фиг.1 (вид А) пунктирными линиями. При этом вывод энергии может располагаться не обязательно между центром плоского зеркала и коллектором (как на фиг.1 и фиг.2), но в этом случае он не должен находиться под плоским электронным потоком. Соотношение линейных размеров щелей отверстия вывода 7 энергии и форма его выполнения существенно не влияют на параметры прибора. Когда период периодической структуры настолько мал (низкие рабочие напряжения или короткие длины волн), что выполнение рупорного перехода на стандартный волновод представляет серьезные технологические трудности, целесообразно выполнить щель вывода энергии по размерам стандартного волновода. При этом узкая стенка волновода должна быть перпендикулярна выступам периодической структуры, а широкая - параллельна им. В этом случае также необходимо выполнить условие, чтобы S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости неподвижного зеркала. При этом возможна ситуация, когда поперек узкой стороны прямоугольной щели вывода энергии, соответствующей узкой стенке волновода, располагается не одна щель между выступами периодической структуры, а две или более соседних ее щелей, выполненных между соседними выступами. Этот случай представлен на фиг.2. Оротрон, изображенный на фиг.2, содержит все те же элементы конструкции, что и оротрон, изображенный на фиг.1. Он отличается только выполнением отверстия вывода 7 энергии, который выполнен в виде двух щелей между выступами 8, 9 и 9, 15 двух соседних периодов периодической структуры 6. Большие стороны щелей параллельны направляющим ММ′ выступов периодической структуры 6, выполнены равными широкой стенке стандартного волновода и симметричны относительно ее продольной оси. Меньшие стороны параллельны продольной оси периодической структуры 6 и равны расстоянию d между выступами 8 и 9, 9 и 15 соответственно. Суммарная длина расстояния от края одной из больших сторон щели, расположенного у выступа 8, до края другой, расположенного у выступа 15, равна (или может быть меньше) узкой стенке стандартного волновода. Расстояние D в данном случае отсчитывается от центра О плоского зеркала 4 до середины выступа 9, находящегося между щелями вывода 7 энергии. Это выполнение отверстия связи характерно для оротронов коротковолновой части миллиметрового диапазона.

Данное изобретение основано на следующем.

В предлагаемом приборе, благодаря тому, что отверстие вывода 7 энергии выполнено в неподвижном зеркале 4 между соседними выступами 8 и 9 (или через один и более выступов) периодической структуры 6 (см. фиг.1, 2), дифракционное рассеяние электромагнитных волн на нем в окружающее пространство практически отсутствует, что объясняется экранирующим действием выступов. Таким образом, величина собственной добротности Q₀ колебательной системы предлагаемого оротрона оказывается больше, чем в известных конструкциях. Следовательно, при одинаковой величине коэффициента связи резонатора с нагрузкой η_ор=1-Q_н/Q₀ КПД энергообмена электронов с высокочастотным полем η_э оказывается здесь выше и может достигать своего максимального теоретического значения η_э=50%. Кроме того, вследствие расположения отверстия вывода 7 энергии между выступами периодической структуры, последняя оказывается разорванной для паразитных поверхностных волн, что затрудняет их возбуждение при больших рабочих токах I₀ пучка, превосходящих величину пускового тока I_п в 12-5 раз. Таким образом, появляется возможность значительного увеличения выходной мощности прибора. При этом величина коэффициента связи резонатора с нагрузкой (или, что одно и то же КПД резонатора) η_ор должна соответствовать величине превышения рабочего тока пучка над пусковым I₀/I_п. Так в маломощных приборах с одним электронным потоком при I₀/I_п<2 оптимальное значение η_op=0,1-0,2, в относительно маломощных приборах, когда I₀/I_п=2-5, оптимальное значение η_ор=0,3-0,5, а при I₀/I_п>5-15, т.е. в мощных приборах, этот коэффициент η_op=0,7-0,9.

Во всех известных конструкциях оротрона с перемещением фокусирующего зеркала вдоль оси резонатора с выводом энергии из этого зеркала щель связи открытого резонатора остается неизменной при стыковке со стандартным волноводом и не может изменяться в процессе работы прибора. Поэтому при отклонении, например, величины рабочего тока от расчетной обеспечить расчетные параметры выходной мощности и КПД уже не представляется возможным. Такая же ситуация возникает при перестройке частоты оротрона с помощью механического перемещения фокусирующего зеркала вдоль оси резонатора, если отверстие вывода энергии выполнено в этом зеркале.

Эти недостатки устранены в предлагаемом приборе, в котором вывод энергии выполнен в плоском неподвижном зеркале в виде одной или нескольких щелей между соседними выступами периодической структуры и предусмотрена возможность оптимизации (изменения) связи резонатора с нагрузкой как в процессе «холодной» настройки, так и в работающем приборе за счет перемещения фокусирующего зеркала в плоскости, параллельной плоскому зеркалу (в частности, вдоль продольной оси симметрии периодической структуры), на расстояние ρ≤0,3R_к.

Предложенный оротрон работает следующим образом. При включении питания электронный пучок, формируемый электронной пушкой 1 и магнитной фокусирующей системой 2, оседает на коллектор 3. На своем пути пучок взаимодействует с высокочастотным полем синхронной пространственной гармоники, которая образуется, как и во всех аналогичных приборах, вблизи периодической структуры 6 в результате дифракции на ней квазиплоской электромагнитной волны рабочего вида колебания резонатора. При выполнении известных условий пространственного синхронизма, как и во всех приборах с длительным взаимодействием, происходит передача энергии электронов потока электромагнитному полю, в результате чего увеличивается амплитуда колебаний, заключенных в объеме между зеркалами 4 и 5. Пространственное распределение указанных колебаний определяется геометрией открытого резонатора и рабочей частотой известным образом. Электромагнитная волна, распространяющаяся между соседними выступами периодической структуры, проходит через отверстие вывода 7 в пирамидальный рупор 10, волновод 11 (или сразу в волновод 11, если щель вывода энергии выполнена по размерам сечения волновода) и далее в нагрузку (на фиг.1, фиг.2 не показана). При значении тока I₀ электронного потока выше некоторого пускового значения I₀>I_п система самовозбуждается и работает как автогенератор, а при значениях I₀<I_п, при условии подачи в резонатор внешнего сигнала, - как усилитель.

Для обеспечения необходимой величины η_ор площадь S отверстия вывода 7 энергии по отношению к площади S_к сечения каустической поверхности в плоскости зеркала, на котором выполнено указанное отверстие, выбирается из условия S=(0,01-0,1)S_к, полученного авторами экспериментально. При этом конкретное значение площади S в приведенном интервале значений выбирается, исходя из расстояния D между центром указанного отверстия и центром О плоского зеркала 4 (см. фиг.1). Экспериментальные исследования показали, что отверстие вывода 7 энергии в том исполнении, которое представлено на фиг.1 и фиг.2, целесообразно выполнять на участке зеркала с периодической структурой, прилегающей к коллектору на расстоянии D=(0-1,7)R_к от центра плоского зеркала, где R_к - радиус каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости указанного зеркала. Графики, иллюстрирующие зависимость коэффициента связи η_ор от величины D/R_к в экспериментальном макете мощного оротрона сантиметрового диапазона, представлены на фиг.3. Видно, что при выбранном коэффициенте связи η_ор площадь отверстия вывода энергии следует выбирать тем меньше (в заявленном интервале значений), чем меньше расстояние D. Возможность подобрать оптимальную связь открытого резонатора с нагрузкой обеспечивается перемещением фокусирующего зеркала в плоскости, параллельной плоскому зеркалу, как при "холодной" настройке электродинамической системы прибора, так и в рабочем режиме.

Например, электронная пушка может обеспечить рабочий ток генератора больше расчетного. В этом случае, казалось бы, можно было увеличить выходную мощность и КПД прибора. Однако для этого необходимо увеличить связь открытого резонатора с нагрузкой, т.е. его КПД η_ор=1-Q_н/Q₀. Как видно из фиг.3, для этого необходимо уменьшить расстояние D отверстия связи от центра О плоского зеркала 4, если рабочая точка располагалась на падающем участке кривой зависимости η_op=F(D/R_к). Если электронная пушка обеспечивает рабочий ток генератора меньше расчетного, то в этом случае следует увеличить расстояние D отверстия связи от центра О плоского зеркала 4.

Аналогичным образом можно корректировать (оптимизировать) связь с нагрузкой при перестройке прибора по частоте, когда изменяется расстояние между зеркалами открытого резонатора за счет перемещения вогнутого зеркала вдоль его оси симметрии. Так как при перестройке по частоте радиус каустической поверхности не остается постоянным, то изменяется и площадь S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости неподвижного зеркала. Следовательно, для того, чтобы выходная мощность и КПД при перестройке по частоте не изменялись, необходимо перемещать фокусирующее зеркало не только вдоль оси его симметрии, но и перпендикулярно ей.

Как показал расчет рабочих режимов макета, при значении рабочего тока пучка, в 12 раз превосходящего величину пускового тока, оптимальное значение η_ор=0,85. Для обеспечения указанной величины η_ор отверстие вывода энергии выполнено на расстоянии D=1,16R_к от центра О плоского зеркала 4 в виде прямоугольной щели площадью S=0,1S_к (см. фиг.1). При этом зарегистрирована выходная мощность оротрона 3-сантиметрового диапазона Р=55 кВт при КПД в нагрузке η_н=36%. Выходная мощность для 3-миллиметрового прибора, выполненного с отверстием связи в виде двух щелей (см. фиг.2) с общей площадью S=0,02S_к при D=1,6R_к, была 1,2 кВт при КПД 6%. Оба результата значительно превосходят все известные энергетические показатели приборов данного класса.

В заключении отметим, что очевидным преимуществом предлагаемой конструкции является неподвижность выходного фланца оротрона при изменении рабочей частоты. Это обстоятельство упрощает эксплуатацию прибора в радиотехнических устройствах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проспект Ордена Трудового Красного Знамени Института радиофизики и электроники Академии наук УССР. Генератор дифракционного излучения. БЦ №10659 от 9 августа 1978 г. Ротапринт ИРЭ АН УССР.

2. Шестопалов В.Д. Дифракционная электроника. Харьков: Вища школа, 1976, с.231.

3. Богомолов Г.Д., Бородкин А.И., Кущ B.C. и др. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1970, № 1, с.97.

1. Оротрон, содержащий магнитную фокусирующую систему, электронную пушку, коллектор электронов, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, выполненную в виде взаимно параллельных выступов и расположенную на плоском зеркале, и вывод энергии электромагнитных колебаний, выполненный в плоском зеркале резонатора, отличающийся тем, что вывод энергии электромагнитных колебаний расположен на расстоянии D от центра плоского зеркала, выбранном из условия 0≤D≤1,7R_к, где R_к - радиус каустической поверхности на плоском зеркале, при этом расстояние ρ между центром плоского зеркала и осью симметрии фокусирующего зеркала выбрано из условия ρ≤0,3R_к.

2. Оротрон по п.1, отличающийся тем, что вывод энергии электромагнитных колебаний выполнен в виде одного отверстия между соседними выступами периодической структуры на ее продольной оси симметрии, при этом площадь S отверстия выбрана из условия S=(0,01÷0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида на плоском зеркале.

3. Оротрон по п.1, отличающийся тем, что вывод энергии электромагнитных колебаний выполнен в виде нескольких отверстий, каждое из которых расположено между соседними выступами периодической структуры на ее продольной оси симметрии, при этом суммарная площадь S отверстий выбрана из условия S=(0,01÷0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида на плоском зеркале.

4. Оротрон по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что фокусирующее зеркало установлено с возможностью перемещения в плоскости, параллельной плоскому зеркалу.