Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами



Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами
Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами
Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами
Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами
Способ согласования замедляющей системы лампы бегущей волны с волноводными трактами

 


Владельцы патента RU 2484578:

Белугин Владимир Михайлович (RU)
Васильев Алексей Евгеньевич (RU)
Андреев Николай Владимирович (RU)
Куликова Наталия Владимировна (RU)

Заявленное изобретение относится к области техники СВЧ, в которой лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной аппаратуре. Технический результат состоит в получении хорошего согласования замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами во всей полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10%, т.е. в получении в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны КСВн≤1.5. Для этого согласование широкополосной замедляющей системы, состоящей из цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами, осуществляется проведением четырех последовательных операций. В результате первой операции находят размеры щелей связи изогнутых волноводных трактов, подсоединенных с торцов входного и выходного резонаторов, и диаметры входного и выходного резонаторов, а также размеры щелей связи между несколькими резонаторами с начала и конца замедляющей системы и их диаметры. В результате осуществления последующих трех операций определяют размеры щелей связи с волноводными трактами, подсоединенными с цилиндрической стенки входного и выходного резонаторов замедляющей системы, как это делают в практических конструкциях ламп бегущей волны. 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной аппаратуре.

Уровень техники

Развитие многоцелевой радиолокации дальней тропосферной и космической связи современных средств радиоэлектронного подавления (РЭП) информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ-колебаний большой мощности свыше 100 Вт.

Наиболее перспективными электровакуумными приборами, позволяющими создать такие усилители, являются лампы бегущей волны О-типа с продольными электрическим и магнитными полями. Благодаря распределенному по длине взаимодействию электронного потока с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе пучка. Коэффициенты усиления при необходимости могут достигать 60 дБ и более. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивает усиление в широкой полосе частот, достигающей двух и более октав. Мощные ЛБВ непрерывного и импульсного режимов относятся к наиболее быстро развивающейся группе приборов СВЧ. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. При переходе к средним мощностям порядка киловатт и более приходится переходить к резонаторным замедляющим системам, которые при использовании в ЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот (обычно не более 10%). В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяют замедляющие системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи. Соседние резонаторы связаны между собой через щели, прорезанные в диафрагмах. Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки, состоящие из предварительного усилителя (ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ без поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-15 дБ). В «прозрачной» ЛБВ также наиболее часто используют резонаторные замедляющие системы.

Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи. Электронный поток создается электронной пушкой. В замедляющей системе кинетическая энергия электронов преобразуется в СВЧ-энергию. Пройдя через замедляющую систему, "отработанный" электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы служат для ввода передаваемого СВЧ-сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с волноводными СВЧ-трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от не вакуумированных СВЧ-трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящей из ряда электрических или постоянных магнитов.

Для ЛБВ с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов задача согласования последней с волноводными трактами является одной из самых актуальных. Чрезвычайно сложно получить хорошее согласование замедляющей системы с волноводными трактами во всей полосе ее пропускания, особенно на ее границах. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах полосы пропускания. При этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители (например, из керамики марок КТ-30, АН-35Ж, ПМК, АН-МКХ), которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера). В книгах Кацмана Ю.А. "Приборы СВЧ. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов": Учебник для вузов по спец. "Электронные приборы". - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1983. - 368 с., М.В.Вамберского, В.И.Казанского, С.А.Шелухина «Передающие устройства СВЧ»: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов; под ред. М.В.Вамберского. - М.: Высшая школа, 1984. - 448 с. описаны способы согласования замедляющих систем в виде цепочек связанных резонаторов.

Второй способ согласования, описанный в книге М.В.Вамберского, В.И.Казанского, С.А.Шелухина «Передающие устройства СВЧ» может рассматриваться как прототип. Этот способ связан с подстройкой входного (выходного) резонатора и позволяет улучшать согласование в узкой полосе частот (несколько %), поэтому, чтобы устранить самовозбуждение ЛБВ, применяются поглотители. В этом способе, во-первых, из процесса согласования «выпадает» непосредственная регулировка связи входного (выходного) резонатора с волноводными трактами, что вносит фактор случайности при получении результата, то есть отсутствует определяющая зависимость между результатом согласования и величиной связи замедляющей системы с волноводными СВЧ-трактами и, во-вторых, подстраивается только входной (выходной) резонатор, что существенно ограничивает область, в которой возможно улучшить согласование.

Сущность изобретения

Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами во всей полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10% (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны КСВн≤1.5).

Указанная проблема решается следующим образом. Согласование замедляющей структуры с волноводными трактами включает следующую последовательность операций:

- подбирают азимутальные размеры щелей связи входного и выходного резонаторов с волноводными трактами, размер щели входного и выходного резонаторов с регулярной замедляющей системой, а также диаметры входного, выходного и следующих за ними резонаторов. Волноводный тракт повторяет форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности), подсоединяется с торца замедляющей системы и должен иметь частоту отсечки такую же, как у прямоугольного волновода для данного диапазона частот. При этом азимутальные размеры углов щелей с волноводом и замедляющей системой должны удовлетворять следующему неравенству αB,11,2>…αi+1рег, где αB,1 - азимутальный угол щели связи с волноводом, α1,2 - азимутальный угол щели связи входного и выходного резонаторов с замедляющей системой, αi+1 - азимутальный размер щели связи i-го резонатора с конца (начала замедляющей системы); αрег - азимутальный угол щели связи между регулярными резонаторами замедляющей системы. А диаметры резонаторов замедляющей системы должны удовлетворять следующему неравенству ⌀1<⌀2<…⌀i+1<⌀рег, где ⌀1 - диаметр входного (выходного) резонатора, ⌀2 - диаметр второго (предпоследнего) резонатора, ⌀i - диаметр i-го резонатора с конца (начала) замедляющей системы; ⌀рег - диаметр регулярного резонатора, где i≤N/2 в случае четного числа резонаторов, и i≤(N-1)/2 в случае нечетного числа резонаторов.

Изменение азимутальных размеров щелей связи между резонаторами замедляющей системы влияет в основном на крайние области зависимости КСВн от частоты (~10-15% полосы). Изменение щелей связи с волноводом влияет на среднюю область (~85-90% полосы) зависимости КСВн от частоты. При увеличении азимутальных размеров щелей связи понижаются резонансные частоты резонаторов. Понижение частот устраняется уменьшением диаметров резонаторов. Сначала определяют азимутальный размер щели связи замедляющей системы с волноводом и диаметры входного и выходного резонаторов. Если результат согласования не удовлетворяет требованию получения величины КСВн≤1,5 во всей полосе пропускания, то переходят к увеличению щели связи между следующими резонаторами (соответственно уменьшают диаметры резонаторов) и так до получения требуемой величины КСВн≤1,5;

- в системе из трех резонаторов входного, второго (предпоследнего) и выходного с полученными в результате осуществления первой операции размерами щелей связи подстраивается частота среднего резонатора до получения характеристики согласования аналогичной частотной характеристики полосового резонаторного фильтра, состоящего из трех звеньев (двугорбая кривая с тремя минимумами и одинаковыми максимумами);

- к входному и выходному резонатор вместо изогнутого волновода с торца подсоединяется со стороны цилиндрической стенки прямоугольный волновод (как это делают в практических конструкциях ЛБВ). Регулируя щель связи с волноводом и диаметр резонатора, получают частотную характеристику, аналогичную характеристике, полученной в результате второй операции (полосу пропускания и величины КСВн);

- возвращают диаметр второго (предпоследнего) резонатора до значения, полученного в результате первой операции согласования, и проводят проверку согласования всей замедляющей системы с волноводными трактами в том виде, который практически реализуется в конструкции ЛБВ.

Всю последовательность операций наиболее целесообразно проводить расчетным путем с использованием трехмерных программ, предназначенных для решения электродинамических задач. Потребуется также допусковые расчеты. Полученные расчетным путем размеры «переносятся» с требуемыми допусками на реальную конструкцию замедляющей системы. Возможен и экспериментальный путь решения задачи согласования, но этот путь существенно более затратный.

Результатом этой последовательности операции согласования замедляющей структуры типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами будет получение КСВн≤1,5 во всей полосе пропускания замедляющей системы, которая может быть существенно больше 10%.

Перечень чертежей

Фиг.1. Замедляющая система лампы бегущей волны с волноводными трактами, повторяющими форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности) и подсоединенными с торцов замедляющей системы.

Фиг.2. Три резонатора замедляющей системы с волноводными трактами, повторяющими форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности) и подсоединенными с торцов замедляющей системы.

Фиг.3. Три резонатора замедляющей системы с волноводными трактами в том виде, который практически реализуется в конструкции ЛБВ.

Фиг.4. Замедляющая система лампы бегущей волны с волноводными трактами в том виде, который практически реализуется в конструкции ЛБВ.

Фиг.5. Расчетная и экспериментальная характеристики зависимости величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи односекционной лампы бегущей волны.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Согласование широкополосной замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами осуществляется проведением четырех последовательных операций. Первая операция осуществляется с замедляющей системой (фиг.1), в которой волноводные тракты 3 повторяют форму щели связи замедляющей системы (изогнуты по окружности) и подсоединены к входному и выходному резонаторам 1 с торцов. В таком варианте подсоединения волноводов щели связи с волноводами находятся в одинаковых условиях со щелями связи 2 в замедляющей структуре и влияние изменений их размеров (увеличение) в процессе согласования аналогично влиянию изменений размеров щелей связи замедляющей системы, что существенно упрощает процесс согласования. Увеличение азимутального размера щели связи с волноводом уменьшает величины КСВн средней области (~85-90% полосы) зависимости КСВн от частоты. Увеличение азимутальных размеров щелей связи между резонаторами замедляющей системы улучшает в основном на крайние области зависимости КСВн от частоты (~10-15% полосы). При увеличении азимутальных размеров щелей связи понижаются резонансные частоты резонаторов. Понижение частот устраняется уменьшением диаметров резонаторов. Сначала все процедуры осуществляют с входным и выходным резонаторами 1 замедляющей системы. Изменяется щель связи 2 входного и выходного резонаторов 1 с волноводом 3 и диаметр входного и выходного резонаторов. Если результат согласования не удовлетворяет требованию получения величины КСВн≤1,5 во всей полосе пропускания, то переходят к увеличению щели связи между следующими резонаторами (соответственно уменьшают диаметры резонаторов), и так до получения требуемой величины КСВн≤1,5.

Вторая операция осуществляется с замедляющей системой (фиг.2), состоящей из трех резонаторов с волноводными трактами 3, повторяющими форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности) и подсоединенными с торцов замедляющей системы к входному и выходному резонаторам 1. Если были изменены щели связи входного и выходного резонаторов с последующим и их диаметры, а это делают в случае полосы пропускания замедляющей системы, превышающей 10%, то в системе из трех резонаторов входного, второго (предпоследнего) и выходного с полученными в результате осуществления первой операции размерами щелей связи подстраивают частоту среднего резонатора до получения характеристики согласования, аналогичной частотной характеристике полосового резонаторного фильтра, состоящего из трех звеньев (двугорбая кривая с тремя минимумами и одинаковыми максимумами).

Третья операция осуществляется с замедляющей системой (фиг.3), состоящей из трех резонаторов с волноводными трактами 4, в виде прямоугольного волновода, подсоединенного со стороны цилиндрической стенки входного и выходного резонаторов 1 (как это делают в практических конструкциях ЛБВ). Подбирают размеры щелей связи с волноводами 4 до получения характеристики, аналогичной характеристике, полученной в результате проведения второй операции согласования.

При проведении четвертой операции возвращают диаметр второго (предпоследнего) резонатора до значения, полученного в результате первой операции согласования, и проводят проверку согласования всей замедляющей системы (фиг.4) с волноводными трактами 4, подсоединенными со стороны цилиндрической стенки входного и выходного резонаторов 1.

На фиг.5 показана экспериментальная зависимость величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы типа цепочки связанных одиннадцати резонаторов с индуктивными щелями связи односекционной лампы бегущей волны, согласование которой с волноводными трактами проведено в соответствии с описанным способом. Подобран оптимальный размер щели связи с волноводным трактом. Щели связи увеличены в двух резонаторах замедляющей системы с начала и конца замедляющей системы. Уменьшены диаметры трех резонаторов с начала и конца замедляющей системы. Полоса пропускания замедляющей системы составляет величину порядка 31%. Результаты согласования (экспериментальные величины КСВн в полосе пропускания ≤1.54) подтверждают работоспособность предложенного способа согласования. В «прозрачной» ЛБВ с такой замедляющей системой можно получить усиление в полосе частот более 20% без введения поглотителей и без самовозбуждения.

Способ согласования широкополосной замедляющей системы лампы бегущей волны, состоящей из цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи, с волноводными трактами, отличающийся тем, что в процессе согласования подбирают размеры щели связи входного и выходного резонаторов с изогнутыми по окружности волноводами, подсоединенными с торцов замедляющей системы и повторяющими форму щелей связи между резонаторами, и диаметры входного и выходного резонаторов, а также размеры щелей связи и диаметры еще нескольких резонаторов с начала и конца замедляющей системы до получения величины коэффициента стоячей волны КСВн≤1,5 во всей полосе пропускания замедляющей системы, при этом азимутальные размеры щелей связи от начала и конца замедляющей системы уменьшаются, а диаметры резонаторов увеличиваются; в системе из трех резонаторов: входного, второго и выходного с изогнутыми по окружности волноводами, подсоединенными с торцов замедляющей системы, проводят подстройку частоты среднего резонатора до получения частотной характеристики согласования аналогичной характеристики полосового резонаторного фильтра; в системе из трех резонаторов: входного, второго и выходного с прямоугольными волноводами, подсоединенными со стороны цилиндрической стенки, проводят подбор щелей связи с волноводами и подбор диаметров входного и выходного резонаторов; в замедляющей системе с прямоугольными волноводами, подсоединенными со стороны цилиндрической стенки, возвращают диаметр второго резонатора до значения, полученного в результате согласования замедляющей системы с изогнутыми по окружности волноводами, подсоединенными с ее торцов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к импульсным усилителям СВЧ мощности и может применяться в радиосвязи, радиолокации и других областях техники. .

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в передающих устройствах СВЧ диапазона. .

Изобретение относится к области высоковольтных источников электропитания. Источник питания замедляющей системы ЛБВ содержит последовательно соединенные основной 1 и дополнительный 2 выпрямители. Положительный полюс дополнительного выпрямителя через последовательно соединенные регулятор 3 и токоизмерительный резистор 4 соединен с корпусом, а отрицательный полюс основного выпрямителя соединен с катодом ЛБВ и входом делителя обратной связи 6, выход которого соединен со входом сравнивающего устройства 7, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 8, а выход через усилитель разностного сигнала 9 - со входом регулятора 3, входы выпрямителей 1 и 2 соединены через трансформатор гальванической развязки 11 с выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное 10. Анод высоковольтного диода 5 включен между основным 1 и дополнительным 2 выпрямителями, а катод - между регулятором 3 и токоизмерительным резистором 4. Введены второй делитель обратной связи 12, вход которого включен между регулятором и дополнительным выпрямителем, второе сравнивающее устройство 13, входы которого соединены с выходами второго делителя обратной связи 12 и второго источника опорного напряжения 14, усилитель мощности 15, вход которого соединен с выходом второго сравнивающего устройства 13 через второй усилитель разностного сигнала 16, а выход питает преобразователь постоянного напряжения в переменное 10. Технический результат - повышение быстродействия и снижение погрешности регулирования напряжения замедляющей системы ЛБВ при широком диапазоне возмущающих воздействий. 3 ил.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ и может быть использовано в выходных каскадах многокаскадных передатчиков радиолокационных станций, в установках СВЧ нагрева. Достигаемый технический результат - повышение КПД и выходной мощности. Импульсный двухкаскадный моноблочный усилитель мощности СВЧ на амплитронах содержит первый и второй каскады усиления сигналов СВЧ, выполненные на амплитронах, каждый из которых включает анодный блок, катод, резонаторы замедляющей системы, связки и устройство ввода и вывода сигналов СВЧ, два амплитрона расположены на одной центральной вертикальной оси, электрически и функционально связаны между собой, с общей магнитной системой с возможностью обеспечения равновеликой магнитной индукции для обоих амплитронов, функциональная связь которых осуществляется посредством устройства СВЧ соединения каскадов усилителя мощности s-образной формы конструкции, а катоды обоих амплитронов имеют оптимальные размеры радиусов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области регулирования усилителей лампы бегущей волны. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот усилителя лампы бегущей волны с сохранением высокой эффективности его работы. Усилитель лампы бегущей волны содержит, по меньшей мере: лампу (226) бегущей волны, содержащую катод, спираль, радиочастотный вход, радиочастотный выход и множество коллекторов; электронный источник стабилизированного электропитания, обеспечивающий электропитание и поляризацию электрода на упомянутую лампу (226) бегущей волны; причем упомянутый электронный источник стабилизированного электропитания содержит средство (24) управления регулировкой, позволяющее регулировать через команды управления, отправленные посредством шины передачи данных, напряжение между спиралью и катодом и напряжения коллектора. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к системе управления мощностью для двойного усилителя на лампах бегущей волны и может использоваться в телекоммуникационных спутниках. Достигаемый технический результат - поддержание рабочей мощности лампы бегущей волны в режиме ожидания ниже ее номинального рабочего диапазона. Система управления мощностью, в частности, для двойного усилителя на лампах бегущей волны, содержит по меньшей мере две лампы (10, 24) бегущей волны, каждая из которых содержит один нулевой электрод анода (13), электронный преобразователь мощности, средство управления мощностью, связанное с каждой лампой (10, 24) бегущей волны, сконфигурированное для установки напряжения электрода нулевого анода (13) на определенное минимальное значение, если активирован режим ожидания, причем средство управления мощностью поддерживает рабочую мощность лампы (10,24) бегущей волны на значении, которое ниже ее номинального рабочего диапазона. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх