Способ генерации свч колебаний и устройство для его осуществления (варианты)

Изобретение относится к электронной технике, а именно к вакуумным СВЧ генераторам на основе СВЧ приборов пролетного типа с большими углами пролета, например к монотронам. Техническим результатом является повышение КПД генерации, который достигается за счет того, что в способе генерации СВЧ колебаний сформированный электронный поток вводят в пространство взаимодействия объемного резонатора, модулируют его по скорости и плотности, осуществляют преобразование энергии электронного потока в энергию СВЧ колебаний объемного резонатора, при этом величину угла пролета электронов в пространстве взаимодействия объемного резонатора и величину тока электронного потока выбирают из заданных условий. В первом варианте устройства многолучевой монотрон содержит объемный резонатор, в торцевых стенках которого установлены две пролетные трубы, при этом вторая пролетная труба выступает в полость резонатора. Расстояние от торца второй пролетной трубы до торцевой стенки объемного резонатора и диаметр пролетных труб выбирают из заданных условий. Во втором варианте устройства обе пролетные трубы выступают в полость резонатора и между ними установлена диафрагма с центральным отверстием для электронного потока. Расстояния от торцов пролетных труб до торцевых стенок резонатора и до диафрагмы, диаметры пролетных труб и центрального отверстия диафрагмы выбирают из заданных условий. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к вакуумным СВЧ генераторам на основе СВЧ приборов пролетного типа с большими углами пролета, например к монотронам.

Известен способ генерации СВЧ колебаний в плоском высокочастотном (ВЧ) зазоре, пронизываемом немодулированным электронным потоком, заключающийся в том, что в плоский ВЧ зазор (пространство взаимодействия) вводят предварительно сформированный немодулированный электронный поток, затем осуществляют в ВЧ зазоре модуляцию электронного потока по скорости и плотности и преобразуют энергию электронного потока в энергию СВЧ колебаний [1]. Для обеспечения режима генерации необходимо, чтобы на зажимах ВЧ зазора активная составляющая электронной проводимости G_эл, обусловленная присутствием электронного потока, была отрицательной. В этом случае поглощаемая электронным потоком энергия становится отрицательной, то есть происходит отдача энергии от электронного потока во внешнюю цепь ВЧ зазора. Теоретические расчеты, проведенные только для малых значений амплитуд СВЧ напряжения U_m на ВЧ зазоре (U_m<<U₀, где U₀ - величина ускоряющего напряжения), показали, что первая область отрицательных значений активной составляющей электронной проводимости G_эл начинается при углах пролета θ, превышающих 2π, и заканчивается при углах пролета приблизительно 2,9π, причем наиболее благоприятные условия для самовозбуждения имеются при угле пролета θ, равном приблизительно 2,5π [1]. Выполнение ВЧ зазора с большими углами пролета (превышающими 2π) позволяет в одном ВЧ зазоре осуществить модуляцию электронного потока по скорости и по плотности и последующее преобразование энергии электронного потока в энергию СВЧ колебаний. Таким образом, плоский ВЧ зазор, пронизываемый электронным потоком, может быть использован в качестве генератора СВЧ колебаний. Однако при малых амплитудах СВЧ напряжения на ВЧ зазоре (U_m<<U₀) КПД генерации может составить доли процента.

Известный способ генерации может быть осуществлен в генераторе СВЧ колебаний (так называемом монотроне), который содержит объемный резонатор, в состав которого непосредственно входит плоский двухсеточный зазор [1]. Для обеспечения генерации при малых амплитудах СВЧ напряжения U_m на высокочастотном зазоре такого монотрона резонатор должен быть настроен на частоту, для которой при заданном ускоряющем напряжении U₀ и при заданном расстоянии между сетками d угол пролета θ равен 2,5π. Однако такое устройство несмотря на простоту конструкции практически не нашло применения из-за низкого КПД, обусловленного рядом причин. При увеличении угла пролета происходит уменьшение абсолютной величины коэффициента взаимодействия (М) электронного потока с полем ВЧ зазора, что снижает эффективность отдачи энергии электронного потока СВЧ полю. При этом для возбуждения эффективной генерации СВЧ колебаний необходимо либо сильно уменьшать активную проводимость резонатора и трансформированную проводимость нагрузки, либо увеличивать величину тока электронного потока I₀. Однако получить большие величины тока I₀ в одиночном электронном пучке при заданном ускоряющем напряжении U₀ реально не удавалось. По этим причинам опыты по практическому осуществлению монотрона не имели успеха.

Известна конструкция монотрона, содержащая однолучевую электронную пушку, объемный резонатор и коллектор, а также коаксиальный вывод СВЧ энергии [2]. Торцевые стенки объемного резонатора выполнены в виде двух сеток, образующих ВЧ зазор (пространство взаимодействия) объемного резонатора. Резонатор выполнен с переменным поперечным сечением, увеличивающимся по направлению к коллектору, что обеспечивает заданное распределение электрического поля в пространстве взаимодействия резонатора монотрона для улучшения эффективности взаимодействия электронного потока с СВЧ полем резонатора. В случае реализации данной конструкции можно было бы получить на выходе монотрона импульсную мощность 500 Вт и КПД около 1% на длине волны 6 см [3]. При работе такого монотрона электроны, эмитированные одиночным катодом электронной пушки, разгоняются ускоряющим полем вне объемного резонатора, затем внутри объемного резонатора электроны взаимодействуют с высокочастотным полем, отдавая ему свою энергию, которая передается в нагрузку через вывод СВЧ энергии, а отработанные электроны попадают на коллектор. Однако использование в монотроне однолучевой электронной пушки с малой величиной тока I₀ электронного потока не позволяет получить высокий КПД при заданном ускоряющем напряжении U₀. Необходимость создания в монотроне заданного распределения электрического поля в пространстве взаимодействия резонатора (вдоль его оси) приводит к усложнению формы резонатора монотрона и технологическим трудностям его изготовления. При этом полученное в резонаторе распределение электрического поля остается неоптимальным, что также не позволяет значительно повысить КПД. Кроме того, выполнение торцевых стенок резонатора в виде сеток не позволяет пропускать через резонатор монотрона большие уровни мощности из-за возможного перегорания сеток.

Задачей изобретения является создание эффективного способа генерации СВЧ колебаний в СВЧ приборе с большими углами пролета и устройств для осуществления этого способа, обеспечивающих получение высокого КПД и больших уровней мощностей.

Предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить КПД генерации СВЧ колебаний (до 12% и более), а также обеспечить возможность пропускания через пространство взаимодействия объемного резонатора СВЧ прибора более высоких уровней импульсной (порядка 300 кВт и выше) и средней (порядка 6 кВт и выше) мощности электронного потока

Предлагается способ генерации СВЧ колебаний, заключающийся в том, что сформированный электронный поток вводят в пространство взаимодействия объемного резонатора, модулируют его по скорости и плотности, осуществляют преобразование энергии электронного потока в энергию СВЧ колебаний объемного резонатора, при этом величину угла пролета электронов в пространстве взаимодействия объемного резонатора и величину тока электронного потока выбирают из совокупности условий:

2,1π≤θ≤2,4π I₀=(30÷60)U₀/ρQ_H при 1≤E₁/Е₀<3

или

1,9π≤θ<2,1π I₀=(15÷29)U₀/ρQ_H при 3≤E₁/Е₀<5,

где θ - угол пролета электронов в пространстве взаимодействия объемного резонатора,

I₀ - величина тока электронного потока,

U₀ - величина ускоряющего напряжения,

ρ - характеристическое сопротивление объемного резонатора,

Q_H - нагруженная добротность объемного резонатора,

Е₀ - величина напряженности электрического поля в начале пространства взаимодействия объемного резонатора,

E₁ - величина напряженности электрического поля в конце пространства взаимодействия объемного резонатора.

Для реализации этого способа генерации колебаний предлагаются два варианта выполнения монотрона.

В первом варианте предлагается монотрон, содержащий электронную пушку, объемный резонатор, коллектор и вывод СВЧ энергии, при этом электронная пушка выполнена многолучевой, в торцевых стенках объемного резонатора установлены первая и вторая пролетные трубы, при этом торцевая поверхность первой пролетной трубы совпадает с плоскостью внутренней поверхности первой торцевой стенки объемного резонатора, расположенной со стороны электронной пушки, а вторая пролетная труба выступает над внутренней поверхностью второй торцевой стенки объемного резонатора, расположенной со стороны коллектора, в пролетных трубах выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки, при этом расстояние от торца второй пролетной трубы до второй торцевой стенки объемного резонатора и диаметр пролетных труб выбирают из условий:

Н₂=(0,03-0,07)λ,

D=(0,3-0,5)λ,

где Н₂ - расстояние от торца второй пролетной трубы до второй торцевой стенки объемного резонатора,

D - диаметр первой и второй пролетной трубы,

λ - длина волны, соответствующая рабочей частоте монотрона.

В первом варианте выполнения монотрона в плоскости поперечного сечения каждой пролетной трубы центры отверстий пролетных каналов расположены на одной или нескольких концентрических окружностях.

Во втором варианте предлагается монотрон, содержащий электронную пушку, объемный резонатор, коллектор и вывод СВЧ энергии, при этом электронная пушка выполнена многолучевой, в расположенных со стороны электронной пушки и коллектора первой и второй торцевых стенках объемного резонатора установлены первая и вторая пролетные трубы, выступающие над внутренними поверхностями соответствующих торцевых стенок объемного резонатора, в пролетных трубах выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки, причем в плоскости поперечного сечения каждой пролетной трубы центры отверстий пролетных каналов расположены на одной окружности, в объемном резонаторе в промежутке между пролетными трубами параллельно торцевым стенкам объемного резонатора установлена диафрагма с центральным отверстием для прохождения электронного потока, при этом расстояния от торцов пролетных труб до соответствующих им торцевых стенок объемного резонатора, расстояния от торцов пролетных труб до диафрагмы, диаметры пролетных труб и центрального отверстия диафрагмы выбирают из условий:

L₁=(3-6)L₂,

H₁=(0,006-0,020)λ,

H₂=(0,015-0,070)λ,

D=(0,15-0,5)λ,

где H₁ - расстояние от торца первой пролетной трубы до первой торцевой стенки объемного резонатора,

H₂ - расстояние от торца второй пролетной трубы до второй торцевой стенки объемного резонатора,

L₁ - расстояние от торца первой пролетной трубы до диафрагмы,

L₂ - расстояние от торца второй пролетной трубы до диафрагмы,

D - диаметр первой и второй пролетных труб,

λ - длина волны, соответствующая рабочей частоте монотрона.

Во втором варианте выполнения монотрона диаметр центрального отверстия диафрагмы D_отв выбирают из условия

1,2D>D_отв≥D

В обоих вариантах предлагаемого изобретения объемный резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода или полого цилиндра.

Теоретические расчеты, проведенные авторами предлагаемого изобретения, показали, что при больших значениях амплитуд СВЧ напряжения U_m на ВЧ зазоре, то есть в области пространства взаимодействия объемного резонатора (U_m>>U₀, где U₀ - величина ускоряющего напряжения), первая область отрицательных значений активной составляющей электронной проводимости смещается в сторону меньших значений углов пролета (по сравнению с использованной в прототипе первой областью отрицательных значений G_эл, полученной для малых значений амплитуд СВЧ напряжения на ВЧ зазоре U_m<<U₀). Причем при возрастании неравномерности распределения СВЧ поля вдоль оси объемного резонатора величина этого смещения увеличивается. Величина неравномерности распределения СВЧ поля в объемном резонаторе характеризуется отношением величин напряженности электрического поля в начале пространства взаимодействия объемного резонатора Е₀ и в конце пространства взаимодействия объемного резонатора E₁. Расчеты показали, что при 1≤E₁/E₀<3 область отрицательных значений активной составляющей электронной проводимости G_эл будет иметь место при углах пролета от 1,8π до 2,85π, а при 3≤E₁/E₀<5 область отрицательных значений активной составляющей электронной проводимости G_эл будет иметь место при углах пролета от 1,6π до 2,8π. Выбор E₁/E₀ больше 5 нецелесообразен, так как в этом случае в пространстве взаимодействия объемного резонатора появляются обратные электроны, которые отбирают часть энергии у СВЧ поля, что приводит к снижению КПД. Наиболее благоприятные условия для самовозбуждения будут в области значений углов пролета 2,1π≤θ≤2,4π при 1≤E₁/E₀<3 и в области значений углов пролета 1,9π≤θ<2,1π при 3π≤E₁/Е₀<5. Это объясняется следующими причинами. В случае выбора угла пролета вне указанных предельных значений, то есть θ<2,1π или θ>2,4π (при 1≤E₁/E₀<3) либо θ<1,9π или θ>2,1π (при 3≤E₁/E₀<5) активная составляющая электронной проводимости по абсолютной величине значительно уменьшается, что приводит к падению КПД генерации.

По расчетным и экспериментальным данным для получения КПД монотрона от 12% и более необходимо, чтобы величина амплитуды СВЧ напряжения U_m на ВЧ зазоре (в пространстве взаимодействия) составляла (2,5-5)U₀. Для обеспечения такой амплитуды СВЧ напряжения U_m необходимо, чтобы величина тока электронного потока I₀ лежала в пределах

I₀=(15÷29)U₀/ρQ_H при 3≤E₁/E₀<5

или

I₀=(30÷60)U₀/ρQ_H при 1≤E₁/E₀<3.

Если величина тока I₀<15U₀/ρQ_H (при 3≤E₁/E₀<5) или если I₀<30U₀/ρQ_H (при 1≤E₁/E₀<3), то указанной величины тока I₀ будет недостаточно для достижения высокого уровня выходной СВЧ мощности и обеспечения высокого КПД при заданном уровне подводимой мощности Р₀=U₀I₀. Кроме того, при уменьшении величины тока I₀ может наступить срыв генерации.

Если величина тока I₀>29U₀/ρQ_H (при 3≤E₁/E₀<5) или если I₀>60U₀/ρQ_H (при 1≤E₁/E₀<3), то величина СВЧ напряжения U_m на объемного резонатора достигает значений, при которых возможно появление в ВЧ зазоре объемного резонатора обратных электронов, которые отбирают энергию у СВЧ поля, тем самым снижая КПД генерации.

Для осуществления заявленного способа генерации СВЧ колебаний предлагается устройство (два варианта), выполненное в виде многолучевого монотрона. Использование многолучевой конструкции предлагаемого монотрона (в отличие от однолучевой конструкции прототипа) позволяет существенно повысить величину постоянного тока I₀ многолучевого электронного потока при заданном ускоряющем напряжении U₀, что дает возможность получить на ВЧ зазоре объемного резонатора монотрона, то есть в области пространства взаимодействия резонатора, высокую амплитуду СВЧ напряжения U_m, которая значительно превышает амплитуду ускоряющего напряжения U₀ и составляет по расчетным и экспериментальным данным U_m=(2,5-5)U₀. Это позволяет повысить КПД монотрона до величин 12% и более в зависимости конструктивных особенностей выполнения резонатора монотрона.

В обоих вариантах предлагаемого изобретения для пропускания многолучевого электронного потока, состоящего из нескольких высокопервеансных электронных лучей, в конструкцию монотрона введены две пролетные трубы, соосно установленные в соответствующих торцевых стенках объемного резонатора, при этом обращенные друг к другу торцы пролетных труб образуют ВЧ зазор резонатора. В каждой пролетной трубе выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам многолучевой электронной пушки. Использование пролетных труб с несколькими пролетными каналами позволяет отделить высокопервеансные электронные лучи друг от друга, что приводит к устранению их взаимодействия друг с другом и улучшению токопрохождения. Введение в конструкцию монотрона пролетных труб с несколькими пролетными каналами дает возможность пропускать высокие уровни подводимой импульсной и средней мощности. При этом в предлагаемой конструкции монотрона на входе и выходе резонатора отсутствуют сетки, ограничивающие уровень подводимой мощности. Таким образом, за счет повышения уровня подводимой мощности и высокого КПД предлагаемый монотрон в обоих вариантах позволяет значительно повысить уровень выходной мощности (до 100 кВт и выше). Объемный резонатор монотрона может быть выполнен, например, в виде отрезка прямоугольного волновода или в виде полого цилиндра, то есть резонатор имеет простую геометрическую форму, что обеспечивает простоту его изготовления, а также простоту настройки и эксплуатации, позволяет использовать для фокусировки электронного потока стандартные магнитные системы.

В первом варианте предлагаемого изобретения первая пролетная труба установлена в первой торцевой стенке объемного резонатора, расположенной со стороны электронной пушки, при этом торцевая поверхность первой пролетной трубы совпадает с плоскостью внутренней поверхности первой торцевой стенки резонатора. Вторая пролетная труба установлена во второй торцевой стенке объемного резонатора и выступает в полость резонатора на заданное расстояние H₂ от этой стенки, что обеспечивает более эффективное взаимодействие электронного потока с СВЧ полем резонатора. При таком расположении пролетных труб в резонаторе электрическое СВЧ поле объемного резонатора становится неравномерным, то есть электрическое СВЧ поле увеличивается по направлению к выходной части резонатора, и электронный поток отдает СВЧ полю резонатора больше энергии, чем в конструкции монотрона без выступающих в объемный резонатор пролетных труб. Это приводит к дополнительному повышению КПД генерации монотрона.

Как показали расчеты и подтвердили эксперименты, в первом варианте конструкции монотрона должно выполняться условие H₂=(0,03-0,07)λ. При выполнении этого условия неравномерность СВЧ поля в ВЧ зазоре (пространстве взаимодействия) составляет величину, при которой отношение величин напряженности электрического поля в начале Е₀ и в конце ВЧ зазора объемного резонатора E₁ находится в пределах 1≤E₁/E₀<3. Если расстояние Н₂ выбрано больше чем 0,07λ, то в резонаторе возрастает радиальная составляющая электрического СВЧ поля, что приводит к неоптимальному распределению электрического поля в ВЧ зазоре и уменьшению КПД генерации. Если расстояние H₂ выбрано меньше чем 0,03λ, то электрическое СВЧ поле становится более равномерным по всей длине резонатора и КПД генерации также падает. Расстояние между торцами пролетных труб d, определяющее величину ВЧ зазора объемного резонатора, выбирается исходя из заданного угла пролета электронов θ, величина которого в первом варианте конструкции монотрона должна находиться в пределах 2,1π≤θ≤2,4π. При этом величина d определяется по формуле d=θ V₀/2πf, где V₀ - начальная скорость электронов, f - рабочая частота резонатора.

Расчетные и экспериментальные данные показали, что в предлагаемой конструкции монотрона диаметр каждой из пролетных труб D должен находиться в пределах 0,3-0,5 длины волны λ, соответствующей рабочей частоте монотрона. Увеличение диаметра пролетной трубы более 0,5λ приводит к увеличению радиальной составляющей электрического СВЧ поля и неравномерности распределения электрического поля в каналах пролетных труб, вследствие чего уменьшаются КПД генерации и выходная мощность монотрона. Уменьшение диаметра пролетной трубы менее 0,3λ приводит к невозможности размещения в пролетной трубе (на одной или нескольких концентрических окружностях) достаточного числа лучей, необходимого для обеспечения требуемой величины постоянного тока многолучевого электронного потока. В результате этого невозможно обеспечить нужную величину амплитуды СВЧ напряжения на ВЧ зазоре резонатора и требуемый КПД генерации. Конкретное значение диаметра первой и второй пролетных труб выбирается из указанного интервала значений с учетом наиболее плотной упаковки каналов в пролетной трубе, которая в свою очередь выбирается исходя из требуемых диаметров и количества каналов.

Согласно проведенным экспериментам конструкция монотрона по первому варианту изобретения позволяет получить максимальный КПД генерации от 12 и выше (по теоретическим данным - от 16% и выше).

Во втором варианте предлагаемого изобретения первая пролетная труба также установлена в первой торцевой стенке объемного резонатора, расположенной со стороны электронной пушки, а вторая пролетная труба установлена во второй торцевой стенке объемного резонатора, расположенной со стороны коллектора. В пролетных трубах выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки, при этом в плоскости поперечного сечения каждой пролетной трубы центры отверстий пролетных каналов расположены на одной окружности.

Первая и вторая пролетные трубы выступают в полость резонатора от этих стенок на заданные расстояния H₁ и Н₂ соответственно. В объемный резонатор введена диафрагма с центральным отверстием, расположенная на заданном расстоянии L₁ от торца первой пролетной трубы и на заданном расстоянии L₂ от торца второй пролетной трубы. Введение в резонатор диафрагмы в совокупности с выступающими в резонатор пролетными трубами приводит к тому, что электрическое СВЧ поле резонатора становится неравномерным и увеличивается к выходной части резонатора (при этом неравномерность СВЧ поля в ВЧ зазоре характеризуется отношением величин напряженности электрического поля в начале Е₀ и в конце ВЧ зазора объемного резонатора E₁).

В этом варианте конструкции монотрона расстояния от диафрагмы до торцов пролетных труб резонатора L₁ и L₂ должны находиться в следующем соотношении L₁=(3-6)L₂. В этом случае диафрагма будет увеличивать электрическое поле к выходной части резонатора, что способствует повышению КПД. При этом в промежутке между первой пролетной трубой и диафрагмой СВЧ поле нарастает незначительно, а в промежутке между диафрагмой и второй пролетной трубой СВЧ поле резко возрастает и достигает своего максимального значения. Вследствие этого в промежутке между диафрагмой и второй пролетной трубой электроны тормозятся более эффективно и, следовательно, отдают больше энергии СВЧ полю резонатора, чем в промежутке между первой пролетной трубой и диафрагмой. Такое распределение СВЧ поля обеспечивает возможность повышения КПД генерации до 40%. Если указанное соотношение не выполняется (если L₁<3L₂ или L₁>6L₂), то величина соотношения напряженностей СВЧ поля E₁/E₀ уменьшается, электроны в конце ВЧ зазора резонатора отдают меньше энергии СВЧ полю, тем самым снижая КПД генерации.

В предложенной конструкции выбор величин H₁ и Н₂ в указанных пределах обеспечивает наиболее оптимальные условия распределения электрического СВЧ поля в ВЧ зазоре резонатора.

Если расстояние Н₂ выбрано больше чем 0,07λ, то вследствие увеличения радиальной составляющей электрического СВЧ поля в резонаторе падает КПД генерации, а если расстояние Н₂ выбрано меньше чем 0,015λ, то электрическое СВЧ поле становится более равномерным по всей длине резонатора и КПД генерации также падает.

Если расстояние H₁ выбрано меньше чем 0,006λ или больше чем 0,020λ, то в промежутке между первой пролетной трубой и диафрагмой электрическое СВЧ поле становится неравномерным, что ведет к нарушению условий группирования электронов в сгустки (при условии H₁<0,006λ происходит недогруппировка электронов в сгустки, а при условии H₁>0,020λ происходит их перегруппировка) и вследствие этого к неэффективной отдаче энергии электронов СВЧ полю в ВЧ зазоре резонатора монотрона и снижению КПД.

Выбор величин L₁, L₂, H₁ и H₂ в указанных пределах обеспечивает заданную неравномерность СВЧ поля в ВЧ зазоре, при которой отношение величин напряженности электрического поля в начале Е₀ и в конце ВЧ зазора объемного резонатора E₁ находится в пределах 3≤E₁/E₀<5.

Расстояние между торцами пролетных труб d, определяющее величину ВЧ зазора объемного резонатора, выбирается исходя из заданного угла пролета электронов θ, величина которого во втором варианте конструкции монотрона должна находиться в пределах 1,9π≤θ<2,1π.

Во втором варианте конструкции монотрона диаметр пролетной трубы D выбирается исходя из тех же требований, что в первом варианте конструкции, при этом он должен соответствовать условию D=(0,15-0,5)λ.

Расположение центров отверстий пролетных каналов в пролетной трубе на одной окружности (лежащей в плоскости поперечного сечения пролетной трубы) обеспечивает наиболее эффективный режим генерации СВЧ колебаний в резонаторе с диафрагмой. При невыполнении этого условия, то есть если пролетные каналы расположены не на одной, а на нескольких окружностях, распределение электрического СВЧ поля для внутренних лучей будет неоптимальным и взаимодействие электронов с СВЧ полем будет неэффективным, что приведет к снижению КПД генерации.

Диаметр центрального отверстия диафрагмы D_отв выбирают из условия 1,2D>D_отв≥D. Если выбрать D_отв меньшим величины D, то электронные лучи будут оседать на диафрагме, токопрохождение при этом ухудшится и КПД снизится. Если выбрать D_отв равным или большим величины 1,2D, то электрическое СВЧ поле становится более равномерным по длине резонатора, что ухудшает эффективность взаимодействия электронного потока с СВЧ полем, понижая КПД монотрона.

Согласно теоретическим данным конструкция монотрона по второму варианту изобретения позволяет получить КПД генерации от 30 до 40%.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображен монотрон, выполненный согласно предлагаемому изобретению.

На фиг.2а и 2б изображен объемный резонатор монотрона, выполненного согласно первому варианту предлагаемого изобретения.

На фиг.3а и 3б изображен объемный резонатор монотрона, выполненного согласно второму варианту предлагаемого изобретения.

На фиг.4 показано распределение электрического поля в пространстве взаимодействия объемного резонатора монотрона, выполненного по первому варианту изобретения.

На фиг.5 показано распределение электрического поля в пространстве взаимодействия объемного резонатора монотрона, выполненного по второму варианту изобретения.

На фиг.6 приведены зависимости расчетного и экспериментального КПД от величины ускоряющего напряжения для монотрона, выполненного по первому варианту изобретения.

На фиг.7 приведена зависимость расчетного КПД от величины ускоряющего напряжения для монотрона, выполненного по второму варианту изобретения.

Монотрон, выполненный согласно первому и второму вариантам изобретения и схематично изображенный на фиг.1, содержит последовательно соединенные многолучевую электронную пушку 1, объемный резонатор 2, коллектор 3, а также вывод СВЧ энергии 4, соединенный с объемным резонатором 2 через выходной волновод 5.

В первом варианте изобретения, реализующем заявленный способ (первую заявленную совокупность условий предлагаемого способа), объемный резонатор 2 монотрона, изображенный на фиг.2а и 2б, выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода либо может быть выполнен в виде полого цилиндра (не показан на чертеже). Объемный резонатор 2 содержит расположенные соосно первую 6 и вторую 7 пролетные трубы, выполненные с заданным диаметром D. Пролетные трубы 6, 7 установлены в первой 8 и второй 9 торцевых стенках объемного резонатора 2, расположенных соответственно со стороны электронной пушки 1 и коллектора 3 монотрона. В пролетных трубах 6, 7 выполнены пролетные каналы 10, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки 1 монотрона, при этом в плоскости поперечного сечения каждой из пролетных труб 6, 7 центры отверстий пролетных каналов 10 расположены на двух концентрических окружностях. Расстояние d между торцами пролетных труб 6, 7 выбирают исходя из заданного угла пролета 9, находящегося для данной конструкции в пределах от 2,1π до 2,4π, что соответствует условию отрицательной электронной проводимости, то есть одному из условий возникновения генерации СВЧ колебаний в объемном резонаторе монотрона. Торцевая поверхность первой пролетной трубы 6 совпадает с плоскостью внутренней поверхности первой торцевой стенки 8 объемного резонатора 2, а вторая пролетная труба 7 выступает над внутренней поверхностью второй торцевой стенки 9 объемного резонатора 2 на заданное расстояние H₂. Указанное расположение пролетных труб обеспечивает оптимальное распределение электрического СВЧ поля в объемном резонаторе с выбранным в заданных пределах углом пролета, что приводит к повышению КПД генерации. Объемный резонатор 2 электромагнитно связан с выходным волноводом 5 через щель связи 11 в боковой стенке 12 резонатора 2, при этом выходной волновод 5 расположен перпендикулярно продольной оси резонатора 2.

Во втором варианте изобретения, реализующем заявленный способ (вторую заявленную совокупность условий предлагаемого способа), объемный резонатор 2 монотрона, изображенный на фиг.3а и 3б, выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода либо может быть выполнен в виде полого цилиндра (не показан на чертеже). Объемный резонатор 2 содержит расположенные соосно первую 6 и вторую 7 пролетные трубы, выполненные с заданным диаметром D. Пролетные трубы 6, 7 установлены в первой 8 и второй 9 торцевых стенках объемного резонатора 2, расположенных соответственно со стороны электронной пушки 1 и коллектора 3 монотрона. В пролетных трубах 6, 7 выполнены пролетные каналы 10, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки 1 монотрона, причем в плоскости поперечного сечения каждой из пролетных труб 6, 7 центры отверстий пролетных каналов 10 расположены на одной окружности. Расстояние d между торцами пролетных труб 6, 7 выбирают исходя из заданного угла пролета θ, находящегося для данной конструкции в пределах от 1,9π до 2,1π, что соответствует условию отрицательной электронной проводимости, то есть одному из условий возникновения генерации СВЧ колебаний в объемном резонаторе монотрона. Первая пролетная труба 6 выступает над внутренней поверхностью первой торцевой стенки 8 объемного резонатора 2 на заданное расстояние H₁, вторая пролетная труба 7 выступает над внутренней поверхностью второй торцевой стенки 9 объемного резонатора 2 на заданное расстояние Н₂.

В промежутке между пролетными трубами 6, 7 параллельно торцевым стенкам 8, 9 объемного резонатора 2 установлена диафрагма 13 с центральным отверстием 14 с заданным диаметром D_отв для обеспечения прохождения электронного потока, при этом диафрагма 13 расположена на заданных расстояниях L₁ и L₂ от торцов пролетных труб 6 и 7 соответственно. Указанное расположение диафрагмы и пролетных труб обеспечивает оптимальное распределение электрического СВЧ поля в объемном резонаторе с выбранным в заданных пределах углом пролета, что приводит к повышению КПД генерации.

Объемный резонатор 2 электромагнитно связан с выходным волноводом 5 через щель связи 11 в боковой стенке 12 резонатора 2, при этом выходной волновод 5 расположен перпендикулярно продольной оси резонатора 2.

Предлагаемый монотрон (по любому варианту изобретения) работает следующим образом. Электронные лучи из электронной пушки 1, проходя через объемный резонатор 2 с заданной величиной ВЧ зазора, наводят СВЧ поле, которое в свою очередь модулирует электронные лучи по скорости и плотности, в результате чего образуются сгустки электронов, которые тормозятся СВЧ полем объемного резонатора 2 и отдают ему свою энергию. СВЧ мощность выводится из объемного резонатора 2 монотрона через выходной волновод 5 и вывод СВЧ энергии 4.

На фиг.4 показано распределение (вдоль оси Z) электрического поля в пространстве взаимодействия (в ВЧ зазоре) объемного резонатора монотрона по первому варианту изобретения. Распределение поля характеризуется отношением величин напряженностей электрического поля E₁/E₀ в конце (в точке Z₁) и в начале (в точке Z₀) пространства взаимодействия объемного резонатора. Из чертежа видно, что относительная напряженность электрического поля E₁/E₀ постепенно нарастает по направлению к концу резонатора, вследствие чего обеспечивается улучшение эффективности взаимодействия электронного потока с СВЧ полем резонатора и повышение КПД.

На фиг.5 показано распределение (вдоль оси Z) электрического поля в пространстве взаимодействия (в ВЧ зазоре) объемного резонатора монотрона по второму варианту изобретения. Из чертежа видно, что относительная напряженность электрического поля E₁/E₀ резко нарастает в области резонатора, расположенной на расстоянии примерно 4/5 от начала пространства взаимодействия (от точки Z₀). Нарастание E₁/E₀ в указанной области позволяет эффективно затормозить в ней электронные сгустки, что приводит к более эффективной отдаче энергии электронных сгустков СВЧ полю и, следовательно, к повышению КПД.

На фиг.6 приведены зависимости расчетного КПД (пунктирная линия) и экспериментального КПД (сплошная линия) от величины ускоряющего напряжения U₀ для монотрона, выполненного по первому варианту изобретения (на чертеже показаны только области наибольших значений КПД). Из чертежа видно, что с увеличением ускоряющего напряжения U₀ КПД монотрона увеличивается и достигает максимального значения 16,8% при U₀=18 кВ (расчет) и 12,5% при U₀=21 кВ (эксперимент). При дальнейшем повышении напряжения КПД монотрона падает, так как при этом угол пролета электронов уменьшается и становится не оптимальным для генерации СВЧ колебаний. Различие значений ускоряющего напряжения, соответствующих максимальным расчетному и экспериментальному КПД, обусловлено взаимодействием электронных лучей в ВЧ зазоре реального резонатора, вследствие чего происходит провисание потенциала в ВЧ зазоре, которое можно скомпенсировать повышением ускоряющего напряжения.

На фиг.7 приведена зависимость расчетного КПД (пунктирная линия) от величины ускоряющего напряжения U₀ для монотрона, выполненного по второму варианту изобретения (на чертеже показаны только области наибольших значений КПД). Из чертежа видно, что характер зависимости КПД от напряжения аналогичен зависимости, показанной на фиг.6. При этом максимальное значение расчетного КПД 38% достигается при U₀=22,2 кВ.

Предлагаемая конструкция, выполненная по первому варианту изобретения и реализующая первую заявленную совокупность условий предлагаемого способа, рассчитана и опробована в мощном многолучевом монотроне, который предназначен для работы на длине волны 5,45 см с импульсной выходной мощностью (P_вых) 100 кВт при средней выходной мощности (P_{вых ср}) 2 кВт. Объемный резонатор монотрона выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний H₀₁. В пролетных трубах с диаметром D, равным 2,5 см, выполнены 24 пролетных канала диаметром 0,35 см, расположенные на двух концентрических окружностях. Расстояние d между торцами пролетных труб равно 1,66 см. Вторая пролетная труба выступает над второй торцевой стенкой резонатора на величину H₂, равную 0,24 см. При этом характеристическое сопротивление объемного резонатора ρ=87,8 Ом, нагруженная добротность объемного резонатора Q_H=280, угол пролета электронов θ=2,3π, относительная напряженность электрического поля E₁/E₀=2. Получен максимальный экспериментальный КПД 12,5% при ускоряющем напряжении (U₀) 21 кВ и токе электронного потока (I₀) 40,1 А. При этом расчетный максимальный КПД составляет 16,8% при ускоряющем напряжении 18 кВ и токе электронного потока (I₀) 34,7 А.

Предлагаемая конструкция, выполненная по второму варианту изобретения и реализующая вторую заявленную совокупность условий предлагаемого способа, рассчитана для мощного многолучевого монотрона, предназначенного для работы на длине волны 12,2 см с расчетной импульсной выходной мощностью порядка 146,1 кВт при расчетной средней выходной мощности (P_{вых ср}) 3 кВт. Объемный резонатор монотрона выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний H₀₁. В пролетных трубах с диаметром D, равным 2,5 см, выполнены 15 пролетных каналов диаметром 0,35 см, расположенных на одной окружности. Расстояние d между торцами пролетных труб равно 4,0 см. При этом первая пролетная труба выступает над первой торцевой стенкой резонатора на величину H₁, равную 0,1 см, вторая пролетная труба выступает над второй торцевой стенкой резонатора на величину Н₂, равную 0,4 см. Между пролетными трубами установлена диафрагма толщиной 0,15 см с центральным отверстием диаметром D_отв, равным 2,7 см. Расстояние от торца первой пролетной трубы до диафрагмы L₁ равно 2,95 см. Расстояние от торца второй пролетной трубы до диафрагмы L₂ равно 0,9 см. Величина ускоряющего напряжения U₀ выбрана равной 22,24 кВ, величина тока электронного потока I₀ выбрана равной 17,3 А. При этом характеристическое сопротивление объемного резонатора ρ=84 Ом, нагруженная добротность объемного резонатора Q_H=261, угол пролета электронов θ=1,94 π, относительная напряженность электрического поля E₁/Е₀=4. Максимальный расчетный КПД составил 38%.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при создании мощных генераторов СВЧ с большими углами пролета, предназначенных, в частности, для применения в промышленных установках СВЧ нагрева и в установках для лабораторных исследований.

Источники информации

1. И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ, под ред. Н.Д.Девяткова, т.2. М.: Высшая школа, с.51-56.

2. Патент США №2269456.

3. Шевчик В.Н. Основы электроники сверхвысоких частот. Советское радио, 1959.

1. Способ генерации СВЧ колебаний, заключающийся в том, что сформированный электронный поток вводят в пространство взаимодействия объемного резонатора, модулируют его по скорости и плотности, осуществляют преобразование энергии электронного потока в энергию СВЧ колебаний объемного резонатора, отличающийся тем, что величину угла пролета электронов в пространстве взаимодействия объемного резонатора и величину тока электронного потока выбирают из совокупности условий:
2,1π≤θ≤2,4π I₀=(30÷60)U₀/ρQ_H при 1≤Е₁/Е₀<3
или
1,9π≤θ≤2,1π I₀=(15÷29)U₀/ρQ_H при 3≤Е₁/Е₀<5,
где θ - угол пролета электронов в пространстве взаимодействия объемного резонатора,
I₀ - величина тока электронного потока,
U₀ - величина ускоряющего напряжения,
ρ - характеристическое сопротивление объемного резонатора,
Q_H - нагруженная добротность объемного резонатора,
Е₀ - величина напряженности электрического поля в начале пространства взаимодействия объемного резонатора,
E₁ - величина напряженности электрического поля в конце пространства взаимодействия объемного резонатора.

2. Монотрон, содержащий электронную пушку, объемный резонатор, коллектор и вывод СВЧ энергии, отличающийся тем, что электронная пушка выполнена многолучевой, в торцевых стенках объемного резонатора установлены первая и вторая пролетные трубы, при этом торцевая поверхность первой пролетной трубы совпадает с плоскостью внутренней поверхности первой торцевой стенки объемного резонатора, расположенной со стороны электронной пушки, а вторая пролетная труба выступает над внутренней поверхностью второй торцевой стенки объемного резонатора, расположенной со стороны коллектора, в пролетных трубах выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки, при этом расстояние от торца второй пролетной трубы до второй торцевой стенки объемного резонатора и диаметр пролетных труб выбирают из условий:
Н₂=(0,03-0,07)λ,
D=(0,3-0,5)λ,
где H₂ - расстояние от торца второй пролетной трубы до второй торцевой стенки объемного резонатора,
D - диаметр первой и второй пролетных труб,
λ - длина волны, соответствующая рабочей частоте монотрона.

3. Монотрон по п.2, отличающийся тем, что в плоскости поперечного сечения каждой пролетной трубы центры отверстий пролетных каналов расположены на одной или нескольких концентрических окружностях.

4. Монотрон по п.2, отличающийся тем, что объемный резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода или полого цилиндра.

5. Монотрон, содержащий электронную пушку, объемный резонатор, коллектор и вывод СВЧ энергии, отличающийся тем, что электронная пушка выполнена многолучевой, в расположенных со стороны электронной пушки и коллектора первой и второй торцевых стенках объемного резонатора установлены первая и вторая пролетные трубы, выступающие над внутренними поверхностями соответствующих торцевых стенок объемного резонатора, в пролетных трубах выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки, причем в плоскости поперечного сечения каждой пролетной трубы центры отверстий пролетных каналов расположены на одной окружности, в объемном резонаторе в промежутке между пролетными трубами параллельно торцевым стенкам объемного резонатора установлена диафрагма с центральным отверстием для прохождения электронного потока, при этом расстояния от торцов пролетных труб до соответствующих им торцевых стенок объемного резонатора, расстояния от торцов пролетных труб до диафрагмы, диаметры пролетных труб и центрального отверстия диафрагмы выбирают из условий:
L₁=(3-6)L₂,
Н₁=(0,006-0,020)λ,
Н₂=(0,015-0,070)λ,
D=(0,15-0,5)λ,
где Н₁ - расстояние от торца первой пролетной трубы до первой торцевой стенки объемного резонатора,
Н₂ - расстояние от торца второй пролетной трубы до второй торцевой стенки объемного резонатора,
L₁ - расстояние от торца первой пролетной трубы до диафрагмы,
L₂ - расстояние от торца второй пролетной трубы до диафрагмы,
D - диаметр первой и второй пролетных труб,
λ - длина волны, соответствующая рабочей частоте монотрона.

6. Монотрон по п.5, отличающийся тем, что диаметр центрального отверстия диафрагмы D_отв выбирают из условия
1,2D>D_отв≥D.

7. Монотрон по п.5, отличающийся тем, что объемный резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода или полого цилиндра.