Способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе сверхвысокочастотного генератора клистронного типа



Способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе сверхвысокочастотного генератора клистронного типа
Способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе сверхвысокочастотного генератора клистронного типа
Способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе сверхвысокочастотного генератора клистронного типа
Способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе сверхвысокочастотного генератора клистронного типа

 


Владельцы патента RU 2570172:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"-ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, может быть использовано при разработке мощных источников СВЧ излучения с высоким электронным КПД для целей радиолокации, навигации и передачи информации. В способе управления в процессе доускорения обеспечивают электронное управление фазой излучения посредством воздействия на электронный пучок профилированным в пространстве ускорения электрическим полем. Технический результат - увеличение плотности потока энергии в заданной точке пространства за счет обеспечения синфазности излучения в пространстве ускорения электрическим полем. 2 ил.

 

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, может быть использовано при разработке мощных источников СВЧ излучения с высоким электронным КПД для целей радиолокации, навигации и передачи информации.

Существующие в настоящее время фазированные антенные решетки (ФАР) с электронным управлением фазой имеют ограничение по излучаемой пиковой мощности. Это связано с ограничением на электрическую прочность фазосдвигающих элементов и с ограничением на общее количество излучающих элементов решетки.

В качестве фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа может рассматриваться многоканальный клистронный генератор (патент RU 2343584, 10.01.2009). СВЧ-генератор клистронного типа состоит из высоковольтного источника питания, окруженных магнитной системой и последовательно расположенных вдоль ее оси взрывоэмиссионного катода, анода, разделенной трубами дрейфа системы, по меньшей мере, из двух моделирующих резонаторов, выходного резонатора и коллектора электронов, а также средства вывода излучения. Особенность клистронного генератора по сравнению с предшествующими заключается в том, что в его составе между выходным резонатором и коллектором вдоль оси магнитной системы размещен, по крайней мере, один дополнительный выходной резонатор, идентичный выходному резонатору. В электрическую цепь между последующим и предыдущим выходными резонаторами включен дополнительный источник питания, обеспечивающий компенсацию энергетических потерь электронного пучка после прохождения им предыдущего выходного резонатора. В данном устройстве реализован способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа, состоящий в обеспечении модуляции электронного пучка, отдаче модулированным пучком энергии и его последующем доускорении путем воздействия электрическим полем.

Недостатком прототипа является то, что фазы колебаний поля в первом, втором и последующих выводных резонаторах (θ1…θ4 на фиг. 1) не одинаковы. Сдвиг фаз между соседними резонаторами будет зависеть от двух факторов - скорости электронных банчей νi, и расстояния между резонаторами Li, где i - номер выводного резонатора. Различие фаз колебаний поля в резонаторах приводит к низкой плотности потока энергии в заданной точке пространства. При обеспечении работоспособности ФАР на основе такого многоканального клистронного генератора для управления параметрами излучения необходимо организовать управление фазой излучения, что требует изменения конструкции клистронного генератора.

Техническим результатом является увеличение плотности потока энергии в заданной точке пространства за счет обеспечения синфазности излучения.

Этот технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа, заключающегося в обеспечении модуляции электронного пучка, отдаче модулированном пучком энергии и его последующем доускорении путем воздействия электрическим полем, в предлагаемом способе в процессе доускорения обеспечивают электронное управление фазой излучения посредством воздействия на электронный пучок профилированным в пространстве ускорения электрическим полем.

Достижимость технического результата может быть обоснована следующим образом. Ниже приведенные данные свидетельствуют о возможности электронного управления фазой с целью управления параметрами излучения.

Для простоты последующих оценок предположим, что в реализующей способ схеме ФАР на основе СВЧ -генератора клистронного типа, аналогичной прототипу, все расстояния между соседними выводными резонаторами равны между собой, и более того, что они кратны длине волны генерируемого излучения Li=L=nλ, где n - целое число.

Скорость электронных банчей νi - величина не постоянная и зависит от пространственного распределения потенциала электрического поля доускоряющей системы (профилированное в пространстве ускорения электрическое поле).

Только в тривиальном случае движения банчей в отсутствии ускоряющего поля их скорость v была бы константой. Тогда разность фаз определялась бы зависимостью

где Т - период высокочастотных колебаний, tnp - время пролета банча между резонаторами, с - скорость света. Видим, что разность фаз между соседними резонаторами величина постоянная. Если отказаться от условия целочисленности n, то можно подобрать такое необходимое значение n=n0, при котором сдвиг фаз будет кратен 2π, следовательно, на выходе всех выводных резонаторов колебания высокочастотного поля будут синфазны, что свидетельствует о возможности электронного управления фазой излучения в данной системе и приводит к повышению плотности потока энергии в заданной точке пространства.

При наличии ускоряющего поля между резонаторами время пролета банча t зависит от амплитуды и распределения поля. Рассмотрим два предельных идеализированных случая. Пусть в первом случае ускоряющее поле сосредоточено в области непосредственно за предшествующим выводным резонатором. Тогда электронные банчи, отдав часть кинетической энергии в предшествующий резонатор, и сразу же ускорившись на небольшом участке тракта пучка до максимально необходимого, будут в дальнейшем двигаться по инерции в сторону последующего резонатора. Во втором случае ускоряющее поле сосредоточено в области непосредственно перед последующим резонатором. Тогда электронные банчи, отдав часть своей кинетической энергии предшествующему резонатору, будут сначала двигаться по инерции, а затем перед последующим резонатором, быстро наберут недостающую энергию в поле доускорения. Очевидно, что время пролета банча от одного резонатора до другого в этих случаях будет различным. В первом случае время пролета будет минимальным, во втором случае - максимальным. Все остальные варианты распределения ускоряющего поля будут давать промежуточные значения времени пролета банча.

Считаем, что пространство ускорения формируется системой доускорения, состоящей из набора секций, позволяющих сформировать ускоряющее поле с различным пространственным распределением потенциала, в том числе с двумя идеализированными распределениями, описанными выше. В этом случае можно получить оценку на величину разности фаз между соседними выводными резонаторами

где i - номер выводного резонатора, tnp.max - максимальное время пролета банча между резонаторами (соответствует второму случаю), tnp.min - минимальное время пролета банча между резонаторами (соответствует первому случаю).

Таким образом, возможность электронного управления фазой в ФАР путем воздействия профилированным электрическим полем на электронный пучок в процессе доускорения позволит управлять параметрами излучения с увеличением плотности потока энергии в заданной точке пространства за счет обеспечения синфазности излучения в пространстве ускорения электрическим полем.

На фиг. 1 схематично изображена реализующая заявляемый способ ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа в виде линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка. На фиг. 2 графически представлен предельный диапазон перестройки фазы колебаний поля в соседних резонаторах в зависимости от потенциала доускорения для различных значений диодного напряжения.

Способ может быть реализован с помощью ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа, схема которого в виде линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка представлена на фиг. 1. Устройство, изображенное на чертеже, содержит взрывоэмиссионный катод 1, анод 2, модулирующие резонаторы 3 (условно обозначенные одним резонатором), образующие область доускорения электронного пучка, выходной резонатор 4 со средством вывода излучения, второй и последующие выходные резонаторы 5, дополнительные внешние источники питания 7, включенные в электрическую цепь между выходным резонатором 4 (5) и последующим выходным резонатором 5, коллектор электронов 6, магнитную систему 8 и высоковольтный источник питания 9.

Управление параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа (в частности, линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка) осуществляется следующим образом. Магнитная система 8 формирует продольное магнитное поле относительно оси устройства. На катод 1 от высоковольтного источника питания 9 подается импульсное высоковольтное напряжение отрицательной полярности. В электрическом поле между катодом 1 и анодом 2 вследствие взрывной эмиссии формируется электронный пучок. Электроны пучка, пройдя систему из модулирующих резонаторов 3 (условно обозначенную на рисунке одним резонатором), модулируются по плотности. Электронные сгустки поступают в выходной резонатор 4, отдавая свою кинетическую энергию в энергию СВЧ-излучения. Прошедшие выходной резонатор электронные сгустки попадают в профилированное по потенциалу в пространстве ускорения электрическое поле, формируемое внешним источником питания 7, чем обеспечивается приобретение электронным потоком дополнительной кинетической энергии (в процессе доускорения), необходимое смещение электронных сгустков в пространстве и, соответственно, электронное управление фазой излучения. Доускоренные электронные сгустки поступают в следующий выходной резонатор 5, вновь отдавая свою энергию в энергию СВЧ-излучения и т.д. Затем электронный пучок попадает на коллектор 6 и рассеивает свою оставшуюся энергию в виде тепла.

Графически представленный на фиг. 2 предельный диапазон перестройки фазы колебаний поля в соседних резонаторах в зависимости от потенциала доускорения для различных значений диодного напряжения показывает следующее. Результаты расчетов получены для фиксированного расстояния между резонаторами L=λ при резонансной частоте 1 ГГц.

Увеличение расстояния между резонаторами приводит к линейному увеличению диапазона сдвига фаз. Например, при расстоянии между резонаторами L=2λ для случая диодного напряжения 400 кВ и при использовании системы доускорения с потенциалом 180 кВ, максимальный сдвиг фаз колебаний поля в соседних резонаторах составит величину 150°.

Полученные результаты позволяют предложить концепцию линейной фазированной антенной решетки с электронным управлением фазы между излучающими элементами решетки. Эта концепция крайне нетривиальна. Существующие в настоящее время ФАР с электронным управлением фазой имеют ограничение по излучаемой пиковой мощности. Это связано с ограничением на электрическую прочность фазосдвигающих элементов и с ограничением на общее количество излучающих элементов решетки. Так, ограничение по импульсной мощности для ферромагнитных фазовращателей, обусловленное резким возрастанием вносимых потерь, находится на уровне 20-25 кВт [Сколник М. Справочник по радиолокации. - «Советское радио», Москва, 1977, т. 2, с. 217]. В предлагаемой концепции линейной ФАР сдвиг фазы осуществляется не за счет взаимодействия высокочастотного поля с фазосдвигающим элементом, а за счет взаимодействия электронного пучка с электрическим полем, что позволяет управлять фазой излучения с мощностью, в несколько раз превышающей мощность ФАР на обычных фазовращателях.

Преимущества ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа с электронным управлением фазой очевидны. Она обеспечивает высокую скорость сканирования пространства и возможность одновременной работы по нескольким пространственным направлениям

Способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа, заключающийся в обеспечении модуляции электронного пучка, отдаче модулированным пучком энергии и его последующем доускорении путем воздействия электрическим полем, отличающийся тем, что в процессе доускорения обеспечивают электронное управление фазой излучения посредством воздействия на электронный пучок профилированным в пространстве ускорения электрическим полем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным СВЧ-приборам, предназначенным для получения сверхбольших импульсных и средних мощностей.

Система импульсно-периодической зарядки (СИЗ) относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использована при разработке мощных импульсно-периодических ускорителей электронов и СВЧ-генераторов на их основе.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным СВЧ приборам, предназначенным для получения сверхбольших импульсных и средних мощностей, и может быть использовано в системах радиопротиводействия, системах функционального поражения, ускорителях заряженных частиц и других областях техники.

Способ генерации широкополосного электромагнитного излучения СВЧ диапазона может быть использован в радиотехнической и электронной промышленности, в частности в технике генерации мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

Изобретение относится к области релятивистской высокочастотной электроники и может быть использовано для генерации мощного СВЧ-излучения. Релятивистский магнетрон содержит многорезонаторный анодный блок (1), коаксиальный с ним взрывоэмиссионный катод (3), внешнюю магнитную систему (4), излучающую антенну (6), расположенную во внешнем канале связи (5) на расстоянии nλ+λ/4 от одного из резонаторов (2), и разрядник (7), расположенный на расстоянии kλ/4 от оси антенны (6), где n - целое число; λ - длина волны в волноводе; k - нечетное число.

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.

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.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для использования в магнетронах с безнакальным запуском сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

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

Изобретение относится к области техники СВЧ. .

Изобретение относится к технике генерации электромагнитных импульсов (ЭМИ) и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие импульсных полей. В генераторе электромагнитных импульсов, который включает в себя плоский фотокатод и параллельно ему плоский сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света и конвертер, преобразовывающий излучение источника света, в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, новым является то, что устройство снабжено отражателем в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения, при этом между отражателем и его фокусом размещены фотокатод и анод, а между отражателем и анодом установлен конвертер, центр излучения которого размещен на перпендикуляре к плоскости фотокатода, проведенном от фокуса отражателя, при этом расстояния от центра излучения конвертера до плоскости внешней стороны сетчатого анода и от фокуса отражателя до плоскости освещенной поверхности фотокатода одинаковы. Дополнительными отличиями является то, что плоский фотокатод и плоский сетчатый анод могут быть выполнены в форме либо прямоугольника, либо круга, либо овала, либо сектора. Конвертер может быть выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо в виде точечной мишени сферической, конической или плоской формы. Отражатель может быть выполнен целиком из металла либо путем напыления металла на несущую конструкцию необходимой формы, изготовленную из стеклопластика, углепластика либо других композиционных материалов. Технический результат - улучшение направленности и увеличение интенсивности генерируемого электромагнитного излучения, что позволит расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике генерации электромагнитных импульсов (ЭМИ) и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие импульсных полей. Устройство включает в себя фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности которых выполнены в виде поверхностей тел вращения и которые подключены к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода. Сетчатый анод расположен эквидистантно фотокатоду, а рабочая поверхность фотокатода представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения, деформированного путем сдвига его точек от вершины вдоль оси вращения и вдоль радиуса вращения к оси вращения. Дополнительными отличиями является то, что несимметричная вырезка может быть выполнена из параболоида вращения либо круговым или овальным цилиндром, либо прямоугольной призмой. А конвертер может быть выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо виде плоской мишени сферической, конической или плоской формы. Технический результат - улучшение направленности и увеличение интенсивности генерируемого электромагнитного излучения, что позволяет расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Магнетрон // 2572347
Изобретение относится к магнетронам. Катод магнетрона, содержащего радиальное удлинение для размещения клемм 6, 7 катода, опирается на значительно более короткие опорные держатели 3, 4, поскольку данные держатели закреплены в концевой стенке 18 радиального удлинения, которая расположена ближе к катодному концу радиального удлинения, чем к другому концу. Это сдвигает любые вибрации в полосу более высоких частот, где их возникновение менее вероятно в том случае, если магнетрон быстро перемещается, как в линейном ускорителе, используемом для лучевой терапии. Технический результат - снижение вибраций. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области плазменной релятивистской СВЧ-электроники и может найти применение при создании источников широкополосного электромагнитного СВЧ-излучения, используемого в импульсной СВЧ-энергетике, радиофизических исследованиях, экспериментальной физике, в технологических процессах обработки материалов. Способ основан на инжекции импульсного трубчатого релятивистского электронного пучка в трубчатую плазму, замагниченную в генераторной секции, в которой обеспечивают черенковское усиление медленной плазменной волны от уровня шумов электронного пучка до уровня насыщения, при этом длительность Т импульса тока электронного пучка задают в соответствии с условием: Т<L/u+L/V, где: L - длина генераторной секции, u - скорость электронов в пучке, V - групповая скорость отраженной плазменной волны. Технический результат - обеспечение возбуждения колебаний плазменной волны на всех частотах внутри интервала, определяемого диапазоном изменения концентрации плазмы. 6 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам клистронного типа, содержащим один двухзазорный резонатор, и предназначено для генерации большой мощности СВЧ. Первый зазор резонатора имеет протяженное пространство взаимодействия (ППВ) электронов с СВЧ полем, длина которого выбирается из условий получения отрицательной активной электронной проводимости и оптимального группирования электронов. В приборе используется ППВ с неравномерным электрическим полем и большие амплитуды СВЧ напряжений в пределах (2,6-2,8)U0. Технический результат - увеличение КПД на 20-25% по сравнению с двух- и однорезонаторными с двумя зазорами клистронными генераторами. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а конкретно к способу электропитания многолучевых клистронов горизонтального исполнения. Соединительный модуль содержит разделительный трансформатор коаксиального типа с незамкнутым магнитопроводом, на первичную обмотку (1) которого снаружи и со стороны крепления ее к корпусу СМ (3) установлены медные магнитные экраны (10), вторичную обмотку (2), закрепленную на высоковольтный разъем (4), который в свою очередь установлен на заднюю стенку корпуса СМ, трансформатор тока (5), высоковольтный делитель напряжения (7), верхнее плечо которого выполнено в виде конструктивной емкости, водяную систему охлаждения (6), расположенную в расширительном объеме корпуса СМ, блок датчиков контроля (8) и узел наполнения и слива масла (9). Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик и упрощение конструкции соединительного модуля. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 11 ил.

Изобретение относится к области электронный СВЧ техники. Электронный СВЧ прибор большой мощности пролетного типа, использующий магнитную систему для формирования и транспортировки электронного пучка, содержит вакуумный корпус, выполненный из материала с низкой электропроводностью. Снаружи вакуумного корпуса коаксиально расположен дополнительный соленоид, запитываемый переменным периодическим током. Прибор снабжен коллектором из металла или сплава с высокой электро- и теплопроводностью в виде электрически изолированной от вакуумного корпуса незамкнутой однозаходной или многозаходной спирали. Технический результат - снижение максимальной рабочей температуры поверхности коллектора электронного СВЧ прибора и повышение долговечности СВЧ прибора при заданной мощности СВЧ излучения. 6 з.п.ф-лы, 3 ил .

Изобретение относится к технологии производства электровакуумных приборов, а именно к изготовлению высокочастотного пакета замедляющих систем спирального типа для ламп бегущей волны. В способе изготовления высокочастотного пакета замедляющей системы соединение между спиралью с металлическим покрытием и опорными керамическими стержнями происходит в твердой фазе и осуществляется за счет давления на спираль и керамические стержни, которое создается за счет разницы коэффициентов термического расширения колец оправки и стержней из нержавеющей стали при нагреве узла в вакууме, при этом температура нагрева должна быть ниже температуры плавления металлического покрытия спирали. Технический результат - повышение надежности соединения спирали с опорными стержнями без образования галтелей и их травления, что позволяет обеспечить эффективный теплоотвод от спирали за счет улучшения теплового контакта спираль - опорные стержни.1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электровакуумных приборах, в частности в магнетронах непрерывного или импульсного действия, работающих в широком диапазоне длин волн. Технический результат - повышение стабильности и воспроизводимости электрических параметров магнетрона за счет использования в нем прессованного оксидно-никелевого катода, обладающего высокой равномерностью плотности тока эмиссии и устойчивостью к деградирующему воздействию ионной и электронной бомбардировок. В магнетроне, содержащем анод и концентрически размещенный внутри него оксидно-никелевый катод, изготовленный путем совместного прессования смеси порошков никеля и эмиссионно-активного вещества, спекания прессовки в среде осушенного водорода при температуре 1000÷1200°С в течение 15-30 мин, в качестве эмиссионно-активного вещества используются агломераты никеля со слоем тройного карбоната, представляющие собой частицы никелевого порошка, равномерно покрытые слоем тройного карбоната бария-кальция-стронция толщиной до 20 мкм. Составляющие исходную рабочую смесь для прессования катода порошки никеля и указанных агломератов никеля со слоем тройного карбоната имеют одинаковый гранулометрический состав. Эмиссионные, тепловые и механические свойства катода могут управляться варьированием зернового состава формообразующего металла и эмиссионно-активного вещества, а также регулированием концентрации этих компонентов в рабочей смеси. Существенно снижена трудоемкость изготовления катода, исключены операции, связанные с применением токсичных, химически активных и взрывоопасных соединений. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх