Лампа бегущей волны

Авторы патента:

Васильев Алексей Евгеньевич (RU)

Белугин Владимир Михайлович (RU)

Андреев Николай Владимирович (RU)

Куликова Наталия Владимировна (RU)

H01J25 - Приборы пролетного типа, например клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), магнетроны (конструктивные элементы приборов пролетного типа H01J 23/00; ускорители элементарных частиц H05H)

Владельцы патента RU 2488187:

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

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны (ЛБВ), 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. ЛБВ содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, входной и выходной волноводные переходы с герметизирующими диэлектрическими перегородками, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор. К входному и выходному волноводным переходам подсоединены низкодобротные четвертьволновые коаксиальные резонаторы, которые настраиваются на частоты вблизи границ полосы пропускания замедляющей системы и вносят потери в этих областях. Технический результат - упрощение конструкции ЛБВ и улучшение отвода тепла от замедляющей системы путем устранения возможного самовозбуждения ЛБВ. 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

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 пучка 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 обеспечивают 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. В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяют замедляющие системы в виде цепочек резонаторов с индуктивной связью, выполненных в виде диафрагмированного круглого волновода. 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 встроенных поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-15 дБ).

Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, с индуктивной связью. Электронный поток создается электронной пушкой. Пройдя через замедляющую систему, электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы связаны с волноводными передающими линиями с помощью волноводных переходов и герметизирующих диэлектрических перегородок.

Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов. Для ЛБВ задача согласования замедляющей системы с передающими линиями является одной из самых актуальных. Трудно получить хорошее согласование замедляющей системы с передающими линиями 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 на границах полосы пропускания, при этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители, которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители.

Мощная ЛБВ описана в книге 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. Эта ЛБВ может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов с поглотителями, волноводные переходы с вакуум непроницаемыми окнами, соединяемые с входным и выходным резонаторами, фокусирующую систему в виде соленоида и коллектор, охлаждаемый водой. Входной резонатор замедляющей системы с винтами для подстройки согласования и выходной резонатор с согласующим окном, образуют так называемые устройства согласования.

Раскрытие изобретения

Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы с передающими линиями, включающими волноводные переходы с герметизирующими окнами во всей полосе пропускания замедляющей системы (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны по напряжению КСВн ≤1.5).

Введение поглощения в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы - вблизи границ полосы, где самовозбуждение ЛБВ наиболее вероятно, а также расположение поглощающих устройств снаружи замедляющей системы, позволит существенно упростить отвод тепла от них, а также упростить конструкцию ЛБВ.

Указанная проблема решается следующим образом. Мощная "прозрачная" ЛБВ содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, магнитную систему, коллектор, входной и выходной волноводные переходы с герметизирующими диэлектрическими перегородками от замедляющей системы к входному и выходному волноводным трактам.

Электронный поток создается электронной пушкой. Пройдя через замедляющую систему, электронный поток попадает в коллектор. Резонаторы замедляющей системы, к которым подсоединяются входной и выходной волноводные переходы с герметизирующими окнами, служат для согласования замедляющей системы с передающими волноводными линиями. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов. Получить хорошее согласование замедляющей структуры с передающими линиями с коэффициентом стоячей волны по напряжению КСВн ≤1,5 во всей полосе пропускания чрезвычайно сложно. Особенно сложно выполнить эту задачу, если полоса пропускания замедляющей системы превышает 10%.

Если входной и выходной волноводные переходы, либо один из них со стороны широкой стенки нагрузить (связать с) низкодобротными четвертьволновыми коаксиальными резонаторами и настроить их на частоту близкую к границам полосы пропускания, потери в этих областях существенно увеличатся. Добротность коаксиального резонатора примерно в три раза меньше, чем добротность резонатора замедляющей системы. Для уменьшения добротности (увеличения вносимых потерь) коаксиальный резонатор можно изготовить из материала с низкой проводимостью, например, из нержавеющей стали, проводимость которой примерно в 40 раз ниже проводимости меди. Соответственно добротность коаксиального резонатора понизится примерно в 6,5 раза. Величину вносимых потерь можно регулировать за счет длины внутреннего проводника коаксиального резонатора, а резонансную частоту можно изменять за счет длины коаксиального резонатора.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 Лампа бегущей волны, вакуумированные области входного и выходного волноводного переходов которой связаны с четвертьволновыми коаксиальными резонаторами.

Фиг.2 Волноводный переход, связанный с коаксиальным резонатором.

Фиг.3 Экспериментальная характеристика зависимости потерь в замедляющей системе ЛБВ от частоты без коаксиального резонатора и при наличии коаксиального резонатора.

Осуществление изобретения

Лампа бегущей волны, показанная на фиг.1, содержит следующие устройства:

- электронную пушку 1;

- замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов 2;

- магнитную систему 3;

- коллектор 4;

- входной волноводный переход 5;

- выходной волноводный переход 6;

- герметизирующие перегородки 7, 8;

- коаксиальный четвертьволновый резонатор 9, связанный с волноводными переходами 5, 6.

Коаксиальные резонаторы (поз.8) связаны с волноводными переходами (поз.5). На фиг.2 показан четвертьволновый коаксиальный резонатор (поз.9), связанный с волноводными переходами (поз.5, 6). Размеры и количество коаксиальных резонаторов подбираются расчетным или экспериментальным путем.

Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1) распространяется вдоль замедляющей системы (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым электрическими или постоянными магнитами (поз.3). Электроны в процессе взаимодействия модулируются по скорости, что приводит к модуляции потока по плотности. Благодаря взаимной связи между полем и потоком при его движении от входа замедляющей системы к выходу этот процесс нарастает, а кинетическая энергия электронов при их торможении передается полю. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ сигнала, подаваемого со стороны входного волновода перехода (поз.5). Вывод СВЧ усиленного сигнала осуществляется через выходной волноводный переход (поз.6). Замедляющая система и волноводные переходы отделяются от СВЧ трактов с помощью герметизирующих окон (поз.7, 8). "Отработанный" электронный поток попадает в коллектор, где кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Подсоединенные к входному и выходной волноводному переходу со стороны широкой стенки низкодобротные четвертьволновые коаксиальные резонаторы (поз.9) вносят необходимые дополнительные потери в областях близких к границам полосы пропускания замедляющей системы и позволяют подавить возможное возбуждение ЛБВ.

На фиг.3 показана зависимость потерь от частоты в замедляющей системе широкополосной односекционной ЛБВ без коаксиальных резонаторов в волноводных переходах. Полоса пропускания замедляющей системы составляет величину порядка 33% (от fн=0,835 fcp до fв=1,165 fcp) и соответствует примерно уровню потерь равному - 10 дБ. Рабочая полоса ЛБВ составляет примерно 25%. ЛБВ имеет волноводные вход и выход. Для иллюстрации внесения дополнительных потерь с помощью коаксиального резонатора к входному волноводному переходу в середине широкой стенки волновода был подсоединен перестраиваемый четвертьволновый коаксиальный резонатор, изготовленный из нержавеющий стали. Коаксиальный резонатор настраивался на частоту вблизи верхней границы пропускания fк=1,156 fcp (зависимость потерь от частоты в замедляющей системе для этого варианта настройки показана на фиг.4) и на частоту равную fк=1,075 fcp (зависимость потерь от частоты в замедляющей системе для этого варианта настройки показана на фиг.5). Видно, что на указанных частотах потери увеличивались примерно на 17-18 дБ. Коаксиальный резонатор можно также настроить и на частоту вблизи нижней границы пропускания.

Таким образом, в широкополосной ЛБВ с четвертьволновыми коаксиальными резонаторами, связанными с входным и выходным волноводными переходами от замедляющей системы к передающим линиям или одним из них, не будет условий для самовозбуждение ее на границах полосы пропускания. Результаты экспериментов подтверждают работоспособность предложенной конструкции.

Лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, входной и выходной волноводные переходы с герметизирующими диэлектрическими перегородками, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор, отличающаяся тем, что к входному и выходному волноводным переходам подсоединены четвертьволновые коаксиальные резонаторы.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронным электровакуумным генераторам с отражением электронного потока, работающим в коротковолновой части микроволнового диапазона.

Мощный широкополосный клистрон // 2483386

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкциям мощных широкополосных клистронов. .

Широкополосная лампа бегущей волны с уменьшающимся к выводу энергии пролетным каналом // 2479882

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

Мощный свч-генератор монотронного типа // 2474914

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к электровакуумным генераторным устройствам пролетного типа, а именно к монотронам, в которых взаимодействие электронного потока с СВЧ-полем и отбор энергии совмещены в одном резонаторе.

Свч-прибор клистронного типа (варианты) // 2474003

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным СВЧ-приборам, предназначенным для получения СВЧ-мощности на двух кратных частотах, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Широкополосная лампа бегущей волны // 2472245

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

Сверхвысокочастотный прибор клистронного типа // 2467428

Изобретение относится к электровакуумным сверхвысокочастотным (СВЧ) приборам, в частности, к мощным импульсным СВЧ-генераторам типа релятивистских клистронов и виркаторов.

Свч генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока // 2457572

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к СВЧ электровакуумным генераторам. .

Сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода // 2444805

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) и высокочастотной (ВЧ) электронике и может быть использовано в локации, ВЧ-связи, науке, бытовой технике для генерации электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн.

Генератор свч сигналов на виртуальном катоде // 2444082

Изобретение относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерирования широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний малого и среднего уровня мощности, и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.

Способ генерации широкополосного электромагнитного излучения свч диапазона и устройство для его осуществления // 2488909

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке генераторов мощных широкополосных электромагнитных импульсов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн

Магнетрон с безнакальным запуском со специальным активированием автоэлектронных катодов // 2494489

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для использования в магнетронах с безнакальным запуском сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Технический результат - повышение стабильности возбуждения магнетрона, надежности и долговечности его работы. Магнетрон с безнакальным запуском состоит из чередующихся автоэлектронных катодов (АЭК), изготовленных в виде колец из фольги тантала толщиной ~4 мкм и вторично-эмиссионных прессованных палладий-бариевых эмиттеров с содержанием бария в количестве 11-25 вес.% и открытой пористостью 2-27%. Формирование тока автоэлектронной эмиссии, наряду с эмиссией с кромки АЭК, в основном обусловлено потоком авто-электронов с остриев нитевидных кристаллов длиной ~ 10-100 нм и размерами в поперечном сечении ~5-20 нм, образующихся на торцовой поверхности АЭК при определенных условиях. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Лампа бегущей волны // 2494490

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампа бегущей волны (ЛБВ) дециметрового диапазона длин волн содержит электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», состоящую из связанных между собой ячеек, диэлектрические герметизирующие перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде цепочки постоянных магнитов и коллектор. Между пролетными трубками входного и выходного резонаторов замедляющей системы и внутренними проводниками коаксиальных трактов имеются емкостные зазоры, а входной и выходной резонаторы имеют диаметр больше диаметра замедляющей системы. Технический результат - снижение энергопотребления ЛБВ и увеличение рабочей полосы частот. 2 ил.

Источник питания замедляющей системы для усилителей свч на лбв // 2499353

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.

Магнетрон // 2504041

Изобретение относится к области электронной техники. Магнетрон имеет первый набор лопаток 20, которые соединены выводами 52 с коаксиальным выходным устройством 51 связи, и второй набор лопаток 19, которые (в одном варианте) чередуются с лопатками первого набора и не соединены с выходным устройством связи. Лопатки каждого набора удерживаются, например, кольцами связки, которые могут быть распределены по длине анода под одним потенциалом относительно друг друга, а полярность одного набора лопаток противоположна полярности другого набора. Вводится дополнительная емкостная связь посредством осевых удлинителей 19а на концах набора лопаток 19, которые не соединены с выходным устройством связи, и за счет подбора размеров катод по существу развязывается от выходного устройства связи из-за противоположной полярности двух наборов лопаток. Технический результат - снижение потерь мощности. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Клистрон // 2507625

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, а именно к области генерации электромагнитного излучения, и может быть использовано при создании генераторов мощного СВЧ-излучения. Клистрон содержит установленные в вакуумной камере, подключенные к внешнему источнику питания катод и анод, резонансную структуру с выходным резонатором, состоящим из двух, внутренней и наружной относительно траектории пучка электронов, полостей. Резонансная структура окружена устройством для формирования ведущего магнитного поля. В выходном резонаторе помимо внутренней полости внешняя также снабжена средством вывода излучения, при этом обе полости настроены на одинаковую частоту. Технический результат - повышение эффективности использования энергии пучка электронов. 2 ил.

Многолучевой свч прибор о-типа // 2507626

Изобретение относится к электронной СВЧ технике, а именно к мощным многолучевым СВЧ приборам O-типа, например к многолучевым клистронам (МЛК), предназначенным для работы преимущественно в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн. Технический результат - повышение импульсной и средней выходной мощности в широкой полосе частот при достаточной электропрочности, а также повышение КПД. Многолучевой СВЧ прибор O-типа содержит электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую входной, выходной и промежуточные активные резонаторы, первый выходной пассивный резонатор, электромагнитно связанный с выходным активным резонатором. Входной, выходной и промежуточные активные резонаторы выполнены в виде отрезков волноводов с рабочим видом колебаний H301, в каждом входном, выходном и промежуточном активном резонаторе для пропускания электронных лучей размещены по три группы индивидуальных пролетных трубок. Пролетные трубки каждой из групп имеют аксиально-симметричное размещение в виде, по крайней мере, одного кольцевого ряда, а диаметр окружности D, ограничивающей внешний кольцевой ряд пролетных трубок каждой из групп, выбран из условия D=(0.32÷0.42)λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Лампа бегущей волны // 2514850

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. Лампа бегущей волны содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, входной и выходной волноводные тракты с диэлектрическими герметизирующими перегородками, отделяющими вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор. Замедляющая система разделяется на несколько секций, в которых нет поглощающих устройств и которые связаны между собой через отрезки волновода с расположенными в них развязывающими устройствами, позволяющими СВЧ мощности проходить в прямом направлении и не позволяющими проходить в обратном направлении. Технический результат - повышение коэффициента усиления лампы и упрощение устройства. 1 ил.

Лампа бегущей волны // 2516874

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. Лампа бегущей волны содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, с диэлектрическими герметизирующими перегородками, отделяющие замедляющую систему от СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор. Входной и выходной резонаторы замедляющей системы связаны с волноводными трактами через щели в торцевых стенках. Согласование с волноводными СВЧ трактами проводится за счет увеличения размеров щелей связи во входном и выходном резонаторах, изменением их диаметров и подбором угла α в волноводах между нижней кромкой щелей связи и противоположной стенкой волновода и производится расчетным или экспериментальным путем. Технический результат - упрощение согласования с волноводными СВЧ трактами. 3 ил.

Электровакуумный свч прибор гибридного типа, истрон // 2518512

Изобретение относится к электронной СВЧ технике, а именно к электровакуумным СВЧ приборам гибридного типа - клистродам. Технический результат - повышение электрической прочности и КПД при высокой выходной мощности (более 20 КВт) в многолучевом электровакуумном приборе гибридного типа, предназначенном для работы во всей полосе частот телевизионного дециметрового диапазона (470÷860 МГц). Электровакуумный СВЧ прибор гибридного типа содержит катод, выполненный в виде совокупности отдельных эмиттирующих поверхностей, формирующих отдельные электронные лучи, управляющую сетку, выполненную в виде совокупности отдельных управляющих сеток, каждая из которых размещена соосно с соответствующей ей эмиттирующей поверхностью, а все вместе они закреплены на едином металлическом сеточном держателе, однозазорный входной резонатор, анод, трубы дрейфа, содержащие совокупность параллельных продольной оси прибора отдельных пролетных каналов для пропускания индивидуальных электронных лучей, каждый из которых соответствует своей эмиттирующей поверхности и управляющей сетке, коллектор, выходной однозазорный активный резонатор и наружный пассивный выходной резонатор, объединенные в систему связанных резонаторов. Связь между выходным активным резонатором и наружным выходным пассивным резонатором осуществляется посредством устройства, представляющего из себя незамкнутую петлю, размещенную в полости активного резонатора и соединенную с цилиндрической втулкой, размещенной в полости пассивного резонатора таким образом, что ее торцевая плоскость параллельна торцевой плоскости ответной втулки, расположенной на узкой стенке пассивного резонатора. Незамкнутый конец петли связи соединен с пластиной, имеющей форму кольцевого сегмента, в точке середины ее длины, таким образом, что плоскость пластины параллельна узкой стенке активного резонатора, при этом размеры пластины подбираются такими, чтобы обеспечить значение резонансной частоты петли на 10% ниже верхней границы рабочего диапазона прибора.1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.