Мощная широкополосная лампа бегущей волны со скачками диаметра пролетного канала

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к лампам бегущей волны O-типа (ЛБВ). Техническим результатом является повышение устойчивости к самовозбуждению на обратной волне и повышение электронного КПД взаимодействия мощных широкополосных ЛБВ со спиральной замедляющей системой. Мощная широкополосная ЛБВ со скачками диаметра пролетного канала содержит спиральную замедляющую систему (ЗС), разделенную поглотителями энергии на секции входную, среднюю и выходную. По длине ЗС спираль образована участками с различными внутренними диаметрами и плавным переходом между ними и имеет в средней части участок с увеличенным диаметром (УУД). УУД определяется его началом при скачкообразном увеличении диаметра и окончанием при скачкообразном уменьшении, значением диаметра по величине большим, чем на остальных участках. Остальные участки спирали имеют регулярный диаметр, при котором каждый участок имеет постоянное значение диаметра спирали вдоль продольной оси лампы, соответствующее определенной величине для каждого участка отдельно. При этом УУД может иметь длину большую, чем длина средней секции, начинаться в средней секции и оканчиваться в выходной секции так, что спираль имеет соответствующую длину от поглотителя сначала с увеличенным диаметром, а за ним с регулярным. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к лампам бегущей волны O-типа (ЛБВ).

Для широкополосных спиральных ЛБВ проблема подавления самовозбуждения на обратной волне всегда актуальна. Это объясняется тем, что для обеспечения максимальной мгновенной рабочей полосы частот необходимо выбирать диаметр пролетного канала (внутренний диаметр спирали) достаточно большим. При этом значения электродинамических параметров ЛБВ выходят за пределы оптимальных с точки зрения обеспечения устойчивости ЛБВ к самовозбуждению на минус первой пространственной гармонике (обратной волне).

В мощных ЛБВ необходимо использовать электронные пучки, находящиеся под ускоряющим напряжением на замедляющей системе (ЗС) более 12 кВ, поэтому получение максимального электронного КПД становится затруднительным из-за неизбежного ограничения электрической длины выходной секции ЗС стартовой длиной самовозбуждения на обратной волне.

Известны технические решения, позволяющие повысить устойчивость мощных ЛБВ к самовозбуждению посредством создания неоднородной по длине спиральной ЗС.

Известны ЛБВ, в которых спиральная ЗС имеет регулярный (постоянный) внутренний диаметр спирали вдоль продольной оси лампы, а шаг переменный. Для повышения электронного КПД может вводиться изохронность.

В US 3761760 (опубл. 25.09.1973) предлагается выходной активный участок спиральной ЗС за локальным поглотителем изготавливать с двойным скачком фазовой скорости посредством создания двух участков с разными шагами спирали.

Недостатком такого рода технических решений с одной стороны является недостаточная устойчивость к самовозбуждению в динамическом режиме, а с другой стороны при глубоких скачках шага спирали сужается рабочая полоса частот.

Известны технические решения, в которых ЛБВ содержит спиральную ЗС с переменным диаметром пролетного канала.

В FR 2365218 (опубл. 21.09.1976) спираль выполнена в виде усеченного конуса с непрерывным увеличением внутреннего диаметра. Простейший способ реализации конической спирали состоит в замене непрерывного изменения внутреннего диаметра спирали на скачок, который характеризуется резким (скачкообразным) изменением внутреннего диаметра спирали, например его увеличением (DE 3540998, опубл. 21.05.1987). Увеличение внутреннего диаметра на выходном участке пространства взаимодействия позволяет повысить устойчивость к самовозбуждению на обратной волне за счет значительного разнесения частот самовозбуждения на участках с различными внутренними диаметрами спирали.

Недостатком данного решения является то, что электронный КПД уменьшается из-за значительного снижения сопротивления связи на нулевой пространственной гармонике (прямой волне), что вынуждает значительно увеличивать длину участка с увеличенным пролетным каналом, а в сочетании с динамической расфокусировкой пучка, приводящей к росту заполнения пролетного канала электронным пучком на выходном участке ЗС, это существенно снижает эффективность принятых мер по повышению устойчивости к самовозбуждению. При этом увеличение пролетного канала на участке ЗС значительной длины не всегда целесообразно, поскольку это привело бы к падению коэффициента усиления прибора и существенному увеличению габаритных размеров (длины) прибора.

Скачкообразное уменьшение внутреннего диаметра ЗС на выходном участке приводит к резкому увеличению заполнения электронным пучком пролетного канала и повышенному токооседанию на спираль ЗС в динамическом режиме. При этом применение подобных конструкций без соответствующего скачкообразного увеличения магнитного поля не всегда возможно, а в мощных ЛБВ используемые значения магнитного поля часто близки к предельным.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение устойчивости мощных широкополосных ЛБВ со спиральной замедляющей системой к самовозбуждению на обратной волне и электронного КПД взаимодействия.

Технический результат достигается тем, что мощная широкополосная лампа бегущей волны содержит трехсекционную спиральную замедляющую систему с переменными внутренним диаметром и шагом вдоль продольной оси, разделенную двумя поглотителями энергии на секции: входную, среднюю и выходную; спираль по длине ЗС образована участками с различными внутренними диаметрами и плавным переходом между ними, причем в средней части имеет участок с увеличенным диаметром, который определяется его началом при скачкообразном увеличении диаметра и окончанием при скачкообразном уменьшении диаметра, значением диаметра по величине большим, чем на остальных участках; остальные участки спирали с регулярным диаметром, из которых каждый имеет постоянное значение диаметра спирали вдоль продольной оси лампы и соответствующее определенной величине для каждого участка отдельно.

При этом участок с увеличенным диаметром имеет длину большую, чем длина средней секции ЗС, а участки с различными внутренними диаметрами удовлетворяют условию

0,65a_ув<a_рег<a_ув,

где a_ув, а_рег - значения внутреннего диаметра спирали вдоль продольной оси лампы на участках соответственно с увеличенным диаметром и регулярным;

спираль имеет равные (одинаковые) по величине значения диаметра вдоль продольной оси лампы на всех участках с регулярным диаметром или отдельных, например входном и выходном, а на участке с увеличенным диаметром постоянное или переменное значение диаметра, при этом, хотя бы на части его длины, удовлетворяется соотношение

a_ув/h_ув≈a_вх.с/h_вх.с,

где a_ув - значение внутреннего диаметра спирали на участке с увеличенным диаметром;

a_вх.c - значение внутреннего диаметра спирали на участке с регулярным диаметром входной секции;

h_ув - шаг спирали на участке с увеличенным внутренним диаметром;

h_вх.c - шаг спирали на участке с регулярным диаметром входной секции.

участок с увеличенным диаметром начинается в средней секции и оканчивается в выходной секции после поглотителя так, что после поглотителя спираль имеет соответствующую длину сначала с увеличенным диаметром, а за ним с регулярным, причем их длины удовлетворяют условию

L_ув≤L_рег,

где L_ув - длина спирали с увеличенным диаметром выходной секции после поглотителя;

L_рег - длина спирали с регулярным диаметром выходной секции;

при этом между секциями может быть выполнен разрыв спирали.

При скачкообразном изменении внутреннего диаметра спирали, за счет значительного разнесения частот π-вида для участков с различными диаметрами пролетного канала ЗС, повышается устойчивость лампы к самовозбуждению на обратной волне, в том числе и в динамическом режиме.

Двойной скачок с изменением диаметра пролетного канала, в виде участка с увеличенным диаметром в средней части спирали, и уменьшение диаметра пролетного канала к концу пространства взаимодействия в конце выходной секции ЗС, в виде участка с регулярным диаметром, позволяет значительно повысить электронный КПД для мощных широкополосных ЛБВ.

На фиг.1a представлено схематичное изображение расположения поглотителей энергии по длине ЗС заявляемой ЛБВ.

На фиг.1б представлено схематичное изображение спирали со скачками диаметра пролетного канала ЗС заявляемой ЛБВ.

На фиг.2 представлены дисперсионные характеристики минус первой (обратной волны) и нулевой (прямой волны) пространственных гармоник ЗС для участков с различными диаметрами пролетного канала.

ЛБВ содержит спиральную ЗС (фиг.1а, б), которая разделена на секции входную(1), среднюю (2) и выходную (3) двумя поглотителями энергии (4а, 4б). Спираль ЗС (фиг.1б) с переменным шагом вдоль продольной оси лампы образована участками с различными внутренними диаметрами и плавным переходом между ними. В средней части спираль имеет участок с увеличенным диаметром, который определяется его началом при скачкообразном увеличении диаметра и окончанием при скачкообразном уменьшении диаметра, со значением диаметра по величине большим, чем на остальных участках спирали. При этом спираль на участке с увеличенным диаметром может иметь значения диаметра постоянной или переменной величины. Остальные участки спирали имеют регулярный (постоянный) диаметр, из которых каждый имеет постоянное значение диаметра вдоль продольной оси лампы и соответствующее определенной величине, причем для каждого участка отдельно.

При этом спираль может иметь равные (одинаковые) по величине значения внутреннего диаметра на всех участках с регулярным диаметром или только на отдельных, например участках входном, расположенном сначала входной секции, и выходном, расположенном от конца выходной секции.

Участок с увеличенным диаметром имеет длину больше, чем длина средней секции, и начинается в средней секции (2), при этом, например, может начинаться под поглотителем (4а) или от поглотителя (4а). Участок с увеличенным диаметром оканчивается в выходной секции (3) после поглотителя (4б) так, что спираль имеет по длине выходной секции диаметр сначала увеличенный (5), а за ним регулярный (6).

Между входной и средней секциями выполнен разрыв спирали (7) для повышения затухания сигнала в отсутствие пучка, причем разрыв может быть выполнен между любыми секциями.

Чтобы не ухудшить условия прохождения пучка и взаимодействия с бегущей волной в динамическом режиме, ЗС имеет пролетный канал на входном и выходном участках оптимального диаметра, при этом участки с различными внутренними диаметрами удовлетворяют условию

0,65a_ув<a_рег<a_ув,

где a_ув, а_рег - значения диаметра спирали на участках соответственно с увеличенным диаметром и регулярным.

Чтобы получить близкие значения замедления бегущей волны для участков с разными пролетными каналам, на участке с увеличенным диаметром, хотя бы на части его длины, удовлетворяется соотношение

а_ув/h_ув=≈a_вх.c/h_вх.с,

где a_ув - значение диаметра спирали на участке с увеличенным диаметром;

а_вх.c - значение диаметра спирали на участке с регулярным диаметром входной секции;

h_ув - шаг спирали на участке с увеличенным диаметром;

h_вх.c - шаг спирали на участке с регулярным диаметром входной секции.

Передача электронами кинетической энергии бегущей волне осуществляется в выходной секции (3), поэтому увеличение канала в средней части спирали ЗС не оказывает существенного влияния на выходные параметры ЛБВ. При этом заявляемое техническое решение позволило удлинить выходную секцию ЗС, передвинув поглотитель (4б) по направлению к входу, чтобы сделать выходной участок спирали максимально длинным. Так как спираль имеет в выходной секции по длине сначала увеличенный диаметр (5), где коэффициент заполнения пучком пролетного канала меньше, а динамическая расфокусировка электронного пучка только начинается, то радиус границы пучка не достигает своего максимального значения. Пучок приближается к стенке пролетного канала выходной секции, когда спираль по длине имеет регулярный диаметр (6), после скачкообразного уменьшения диаметра спирали, здесь заполнение пучком пролетного канала возрастает. Уменьшение диаметра пролетного канала позволило увеличить сопротивление связи выходного участка, при этом спираль имеет соответствующую длину от поглотителя сначала с увеличенным диаметром (5а) и за ним с регулярным (6), а их длины удовлетворяют условию

L_ув≤L_рег,

где L_ув - длина спирали с увеличенным диаметром выходной секции после поглотителя;

L_рег - длина спирали с регулярным диаметром выходной секции.

Это позволило значительно повысить электронный КПД выходной секции и стартовый ток генерации на частоте 71-вида в режиме насыщения выходной мощности.

На фиг 2. показаны дисперсионные кривые минус первой (кривые d₁(-1), d₂(-1)) и нулевой (кривые d₁(0), d₂(0)) пространственных гармоник для двух разных значений диаметра пролетного канала (внутренних диаметров спирали - d₁ и d₂), которые показывают зависимость замедления С/V_ф (где С - скорость света, V_ф - фазовая скорость СВЧ-сигнала) от частоты СВЧ-сигнала, при этом точки пересечения кривых соответствуют частотам π-вида, на которых происходит самовозбуждение ЛБВ на минус первой пространственной гармонике (обратной волне). С уменьшением канала частота π-вида растет, удаляясь от верхней частоты рабочего диапазона, что, наряду со значительным разнесением частот, способствует повышению устойчивости к самовозбуждению.

Таким образом, двойной скачок диаметра пролетного канала в средней части спирали ЗС является эффективным средством подавления самовозбуждения мощных широкополосных ЛБВ на обратной волне и повышения электронного КПД. При этом возможность увеличения рабочего тока, что является прямым следствием роста стартового тока генерации на частоте π-вида, позволяет увеличить выходную мощность ЛБВ.

1. Мощная широкополосная лампа бегущей волны (ЛБВ), содержащая трехсекционную спиральную замедляющую систему (ЗС) с переменными внутренним диаметром и шагом спирали вдоль продольной оси лампы, разделенную двумя поглотителями энергии на секции входную, среднюю и выходную, отличающаяся тем, что спираль, по длине ЗС образованная участками с различными внутренними диаметрами и плавным переходом между ними, имеет в средней части участок с увеличенным диаметром, который определяется его началом при скачкообразном увеличении диаметра и окончанием при скачкообразном уменьшении диаметра, значением диаметра, по величине большим, чем на остальных участках с регулярным диаметром, из которых каждый имеет постоянное значение диаметра спирали вдоль продольной оси лампы и соответствующее определенной величине для каждого участка отдельно.

2. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что участок с увеличенным диаметром имеет длину, большую, чем длина средней секции.

3. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что участки с различными внутренними диаметрами удовлетворяют условию 0,65а_ув<а_рег<а_уа,

где а_ув, а_рег - значения внутреннего диаметра спирали вдоль продольной оси лампы на участках соответственно с увеличенным диаметром и регулярным.

4. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.1 или 3, отличающаяся тем, что спираль имеет равные по величине значения диаметра вдоль продольной оси лампы на всех участках с регулярным диаметром или отдельных, например входном и выходном.

5. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что спираль на участке с увеличенным диаметром имеет постоянное или переменное значение диаметра вдоль продольной оси лампы, при этом хотя бы на части его длины удовлетворяется соотношение

а_ув/h_ув≈а_вх.с/h_вх.с,

где а_ув - значение внутреннего диаметра спирали на участке с увеличенным диаметром;

a_вх.с - значение внутреннего диаметра спирали на участке с регулярным диаметром входной секции;

h_ув - шаг спирали на участке с увеличенным внутренним диаметром;

h_вх.c - шаг спирали на участке с регулярным диаметром входной секции.

6. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что участок с увеличенным диаметром начинается в средней секции и оканчивается в выходной секции.

7. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.6, отличающаяся тем, что участок с увеличенным диаметром начинается под поглотителем или от поглотителя с начала средней секции.

8. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.6, отличающаяся тем, что участок с увеличенным диаметром оканчивается в выходной секции после поглотителя так, что спираль имеет соответствующую длину от поглотителя сначала с увеличенным диаметром, а за ним с регулярным, причем их длины удовлетворяют

условию L_ув<L_рег,

где L_ув - длина спирали с увеличенным диаметром выходной секции от поглотителя;

L_рег - длина спирали с регулярным диаметром выходной секции.

9. Мощная широкополосная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что между секциями выполнен разрыв спирали.