Электровакуумный прибор свч

Авторы патента:

H01J25/00 - 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 2612028:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным двухрезонаторным генераторам СВЧ клистронного типа с двухзазорным первым резонатором. Первый резонатор обеспечивает самовозбуждение генератора в режиме автогенерации на противофазном виде колебаний и достаточно эффективное группирование электронов. Основная особенность предлагаемого прибора заключается в том, что оба зазора первого резонатора имеют протяженное пространство взаимодействия (ППВ) электронов с СВЧ полем. Изобретение предназначено для генерации большой мощности СВЧ. Технический результат - увеличение КПД благодаря использованию ППВ и больших амплитуд СВЧ напряжений в пределах (1,1-1,3)U₀ в первом резонаторе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электровакуумным двухрезонаторным генераторам СВЧ клистронного типа с двухзазорным первым резонатором, в которых модуляция по скорости и плотности сформированного пушкой электронного потока происходит в первом резонаторе и трубах дрейфа, а отбор энергии - в зазоре второго резонатора.

Предлагаемое устройство предназначено для генерации большой мощности СВЧ диапазона с достаточно высоким значением КПД, превышающим КПД известных двухрезонаторных генераторов на 25-30%, то есть примерно в два раза.

Известны двухрезонаторные и двухзазорные однорезонаторные генераторы, работающие на синфазном или противофазном видах колебаний [1]. Во всех этих генераторах, как и в двухрезонаторных усилительных клистронах, КПД не превышает 15-20% [2]. В частности, известен генераторный клистрон «с буферным каскадом» [3], взятый нами за прототип, в котором первый резонатор с двумя зазорами обеспечивает самовозбуждение генератора при условии, что угол пролета электронов между узкими зазорами резонатора при работе на противофазном виде колебаний удовлетворяет равенству θ₁₂=2π(n+0,25), где n=0, 1, 2, … - номер зоны генерации. В первом зазоре первого резонатора электронный поток модулируется по скорости, а в трубе дрейфа - по плотности и приходит во второй зазор, где отдает часть энергии СВЧ полю, а затем проходит еще одно пространство дрейфа и попадает в зазор выходного резонатора. Отмечается, что КПД прибора такой же, как в двухрезонаторном усилителе, то есть не превышает 30%.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение КПД двухрезонаторных генераторов с двухзазорным первым резонатором с противофазным видом колебаний. Предлагаемый электронный прибор, как и прототип, содержит электронную пушку, два резонатора, первый из которых является двухзазорным, трубы дрейфа, коллектор, вывод энергии. Основное отличие предлагаемого прибора заключается в том, что длины зазоров первого резонатора выбираются более протяженными по сравнению с узкими зазорами традиционных клистронов, в том числе и прототипа.

Угол пролета в первом зазоре θ₁=γd₁=(1,5-1,6)π, где d₁ - длина первого зазора, ω - круговая частота, - скорость электронов на входе в пространство взаимодействия первого зазора, см/с, U₀ - ускоряющее напряжение, В, λ - рабочая длина волны, см.

Угол пролета во втором зазоре θ₂=γd₂=(1,1-1,3)π, где d₂ - длина второго зазора.

Угол пролета между центрами зазоров выбирается, во-первых, из условия самовозбуждения первого резонатора, а во-вторых, для обеспечения эффективного группирования электронов после прохождения второго зазора, то есть больше оптимального значения с точки зрения получения максимального КПД θ₁₂=2π(n+0,25), где n - номер зоны генерации. Для первой зоны в предлагаемом приборе угол пролета выбирается в пределах θ₁₂=(2,5-2,6)π в зависимости от первеанса пушки и амплитуды напряжений на зазорах первого резонатора.

Эффективное группирование электронов, которое начинается в первом резонаторе и продолжается в трубе дрейфа между резонаторами, обеспечивается при относительных амплитудах СВЧ напряжения на зазорах первого резонатора ξ₁=U_m1/U₀ в пределах от 1,1 до 1,3. Для получения указанных значений амплитуд СВЧ напряжения на зазорах первого резонатора требуется ток, величина которого выбирается из условия:

где ρ - характеристическое сопротивление, Q₀ - собственная добротность первого резонатора. Такой ток можно получить в многолучевой электронно-оптической системе.

Численные расчеты показывают, что при выполнении условия самовозбуждения первого резонатора на противофазном виде колебаний и отборе в этом резонаторе от электронного потока от 1 до 2% подводимой мощности P₀=I₀U₀ использование двух традиционных узких зазоров с относительными амплитудами СВЧ напряжения ξ₁ на них в пределах от 0,2 до 0,3 позволяет получить относительную амплитуду первой гармоники конвекционного тока I_m1/I₀ в пролетной трубе между резонаторами, равной 1,3-1,4. В предлагаемом приборе применение двух протяженных пространств взаимодействия в первом резонаторе с относительными амплитудами ξ₁ на каждом зазоре в пределах от 1,1 до 1,3 при том же значении отбора подводимой мощности от электронного потока увеличивает относительную амплитуду первой гармоники конвекционного тока в пролетной трубе между резонаторами до значений 1,55-1,65, как в многорезонаторных клистронах.

Технический результат настоящего изобретения состоит в создании нового типа двухрезонаторных генераторов СВЧ с большими углами пролета в пространствах взаимодействия первого двухзазорного резонатора, отличающихся значением КПД на 25-30% больше по сравнению с традиционными двухрезонаторными клистронными генераторами с узкими зазорами.

Эскиз предложенного двухрезонаторного генератора с протяженными пространствами взаимодействия в первом двухзазорном резонаторе показан на чертеже, где обозначено: 1 - многолучевая электронная пушка, 2 - первая пролетная труба, 3 - двухзазорный резонатор, 4 - вторая пролетная труба (первая труба дрейфа между зазорами первого резонатора), 5 и 6 - стержни, поддерживающие трубу дрейфа 4, 7 - третья пролетная труба (вторая труба дрейфа между резонаторами), 8 - второй резонатор, 9 - четвертая пролетная труба, 10 - вывод энергии, 11 - коллектор. В приборе пролетные трубы имеют пролетные каналы, расположенные в нескольких рядах на концентрических окружностях, причем оси пролетных каналов совпадают с осями соответствующих катодов многолучевой пушки.

Принцип работы прибора состоит в следующем. Электронная пушка 1 создает многолучевой электронный поток, который через пролетную трубу 2 попадает в первое пространство взаимодействия двухзазорного резонатора 3, длина которого определяется из условия:

где d₁ - расстояние от торца первой пролетной трубы, выступающей над торцевой внутренней стенкой резонатора со стороны пушки, до торца второй пролетной трубы.

В первом пространстве взаимодействия электронный поток модулируется по скорости, происходит предварительное группирование электронов и образование переменного конвекционного тока. При уменьшении размера d₁ до величины менее 1,5π/γ увеличиваются потери мощности на модуляцию электронного потока. При увеличении d₁ более 1,6π/γ группирование электронов становится менее эффективным, что может привести к снижению КПД и невыполнению условий самовозбуждения первого резонатора. При выборе длины пространства взаимодействия d₁ в указанных пределах обеспечивается эффективное группирование электронов на расстоянии, соответствующем оптимальному условию самовозбуждения первого резонатора при относительной амплитуде СВЧ напряжения ξ₁=U_m1/U₀=1,1-1,3.

Длина второго зазора резонатора выбирается также из условия эффективного группирования электронов:

где d₂ - расстояние между торцами второй и третьей пролетных труб. Выбор длины второго зазора в указанных пределах также обеспечивает эффективное группирование электронов после его прохождения.

Длина второй пролетной трубы L₁ в первом резонаторе выбирается из условий обеспечения самовозбуждения первого резонатора при отборе от электронного потока от 1 до 2% подводимой мощности и дальнейшего эффективного группирования электронов в третьей пролетной трубе:

где L₁ - расстояние между торцами второй пролетной трубы.

Длина зазора второго резонатора выбирается такой же, как в узкополосных клистронах:

где d₃ - расстояние между торцами третьей и четвертой пролетных труб.

Длину третьей пролетной трубы L₂, определяющую расстояние между вторым зазором первого резонатора и зазором второго резонатора, выбирают из условия:

где L₂ - расстояние между торцами третьей пролетной трубы.

Первая и третья пролетные трубы в первом резонаторе и третья и четвертая трубы во втором выступают над торцевыми стенками соответствующих резонаторов для получения максимального характеристического сопротивления. Величины выступов и диаметры труб выбираются равными:

Н=(0,04-0,08)λ,

D=(0,2-0,5)λ,

где Н - расстояние от торцов пролетных труб до торцевых стенок резонаторов, D - диаметр пролетных труб.

Выбор размера D в указанных пределах позволяет разместить в пролетных трубах необходимое число пролетных каналов с электронными лучами и соответственно обеспечить получение тока, необходимого для эффективной работы прибора. Меньшие значения коэффициентов при выборе размера D и большие значения при выборе размера Н соответствуют большим длинам волн.

Внешняя оболочка резонаторов может выполняться из закороченных отрезков прямоугольного или круглого волноводов.

Численные расчеты показывают возможность получения в двухрезонаторном генераторе с двухзазорным первым резонатором электронного КПД, равного 68% на частоте 2,45 ГГц, при ускоряющем напряжении 15 кВ, суммарном первеансе электронного потока из 15 лучей 4,5 мкА/В^3/2.

Таким образом, при использовании предлагаемых технических решений может быть достигнут следующий результат: в двухрезонаторных генераторах, у которых первый резонатор имеет два протяженных пространства взаимодействия, КПД увеличивается на 25-30%, то есть примерно в два раза по сравнению с известными двухрезонаторными клистронными генераторами. Простота конструкции в сочетании с большими значениями КПД делает перспективным использование предлагаемого прибора в качестве источника большой мощности.

Источники информации

1. Шевчик В.Н. Основы электроники сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1959. - С. 173.

2. Березин В.М., Буряк В.С., Гутцайт Э.М., Марин В.П. Электронные приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1985. - С. 48.

3. Warnecke R., Guenard P. Les tubes electroniques a commande par modulation de vitesse. - Paris, 1951.

1. Электровакуумный прибор СВЧ, содержащий электронную пушку, пролетные трубы, сквозь которые пропускают электронный поток, два резонатора, первый из которых двухзазорный, возбуждаемый электронным потоком на противофазном виде колебаний, вывод энергии и коллектор, отличающийся тем, что длины пространств взаимодействия первого резонатора d₁ и d₂ выбирают из условий:

d₁=(1,5-1,6)π/γ,

где d₁ - расстояние между торцами первой и второй пролетных труб, образующих первый зазор, см, , 1/см, ω - круговая частота колебаний, υ₀ - скорость электронов на входе в пространство взаимодействия первого резонатора, см/с, λ - рабочая длина волны, см, U₀ - ускоряющее напряжение, В,

d₂=(1,1-1,3)π/γ,

где d₂ - расстояние между торцами второй и третьей пролетных труб, образующих второй зазор,

при этом длину второй пролетной трубы L₁, определяющую расстояние между зазорами, выбирают из условия:

L₁=(1,1-1,3)π/γ,

где L₁ - расстояние между торцами второй пролетной трубы,

величину тока электронного потока I₀ выбирают из условия:

I₀=(55-65)U₀/ρQ₀,

где ρ - характеристическое сопротивление, Q₀ - собственная добротность первого резонатора,

причем электронная пушка является многолучевой, в пролетных трубах выполнены пролетные каналы, расположенные соосно соответствующим катодам электронной пушки, а длину зазора второго резонатора d₃ определяют из условия:

d₃=(0,2-0,4)π/γ,

где d₃ - расстояние между торцами третьей и четвертой пролетных труб,

при этом длину третьей пролетной трубы L₂, определяющую расстояние между вторым зазором первого резонатора и зазором второго, выбирают из условия:

L₂=(1,6-1,7)π/γ,

где L₂ - расстояние между торцами третьей пролетной трубы,

а расстояние от торца первой пролетной трубы до торца первого резонатора со стороны пушки, расстояние между торцами третьей пролетной трубы и соответствующими торцами первого и второго резонаторов, расстояние от торца четвертой пролетной трубы до торца второго резонатора со стороны коллектора и диаметр пролетных труб выбирают из условий:

H=(0,04-0,08)λ,

D=(0,2-0,5)λ,

где H - указанные расстояния, определяющие размеры выступов пролетных труб над торцевыми стенками резонаторов, D - диаметр пролетных труб, причем меньшие значения коэффициентов при выборе размера D и большие значения при выборе размера H соответствуют большим длинам волн.

2. Электровакуумный прибор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что резонаторы выполнены в виде отрезков, закороченных на концах прямоугольного или круглого волновода.

Способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона относится к технике СВЧ и может быть использован при разработке генераторов мощных широкополосных электромагнитных импульсов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Усилитель мощных свч сигналов // 2608544

Изобретение относится к радиотехнике и электронике сверхвысоких частот и может быть использовано в установках ускорителей заряженных частиц, в СВЧ устройствах, а именно установках СВЧ нагрева, радиолокационных станциях, СВЧ фильтрации радиосигналов, для увеличения функциональных возможностей усилителей СВЧ сигнала с электронными потоками.

Сверхвысокочастотное электровакуумное устройство для генерирования электрических импульсов напряжения // 2604833

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным приборам СВЧ, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Магнетрон с прессованным оксидно-никелевым катодом // 2579006

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.

Способ изготовления высокочастотного пакета замедляющей системы // 2578212

Изобретение относится к технологии производства электровакуумных приборов, а именно к изготовлению высокочастотного пакета замедляющих систем спирального типа для ламп бегущей волны.

Электронный свч прибор // 2576391

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.

Соединительный модуль // 2573604

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).

Электровакуумный прибор свч // 2573597

Изобретение относится к электронной технике, а именно к электровакуумным приборам клистронного типа, содержащим один двухзазорный резонатор, и предназначено для генерации большой мощности СВЧ.

Способ получения микроволновых импульсов с непрерывным спектром излучения // 2572844

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.

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.

Сверхширокополосный генератор электромагнитных импульсов // 2614986

Изобретение относится к технике генерации мощных сверхширокополосных (СШП) электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов для средств связи, радиолокации, навигации и радиоэлектронной борьбы. В генераторе в цепи питания между источником высоковольтного напряжения и высоковольтным фотодиодом установлен управляемый ключ, состоящий из импульсно-периодического источника света, фотокатода ключа и анода ключа, причем расстояние между фотокатодом ключа и анодом ключа исключает возможность электрического пробоя управляемого ключа при максимальном напряжении, приложенном к высоковольтному фотодиоду. Технический результат - повышение надежности работы за счет обеспечения работы СШП генератора ЭМИ с высокой частотой следования импульсов без катастрофического разрушения сетчатого анода при пробое высоковольтного фотодиода. 2 ил.

Усилитель-концентратор пучка электронов с электронной мембраной // 2619767

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для выделения пучков электронов из плазмы рабочей среды, создания электрических генераторов на основе энергии электронных пучков, электрореактивных двигателей, электронно-лучевых и ионно-лучевых приборов. Усилитель-концентратор пучка электронов (УКЭ) содержит корпус (1) с внутренней осевой суживающейся полостью, имеющей форму усеченного конуса, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка (2) с верхним алмазным слоем (3). В большем отверстии осевой полости установлена многослойная электронная мембрана, основой которой является динамически устойчивая высокотемпературная вольфрамовая пластина (4), имеющая сложную форму: внешняя высокотемпературная поверхность выполнена плоской, а внутренняя низкотемпературная поверхность имеет вогнутую полусферическую форму для фокусирования электронов в пучок. Пластина (4) изготовлена из сплава с пористостью до 85% и диаметром пор 10-3-10-4 мкм. На внешнюю высокотемпературную поверхность вольфрамовой пластины (4) нанесен слой из нанокомпозитного графена (5) с нанопорами (11), а на внутреннюю низкотемпературную - слой из оксида алюминия (7) с нанопорами (8). Корпус снабжен аксиальными анодами (12), (13), установленными со стороны входного и выходного отверстий и служащими для подачи ускоряющих потенциалов, обеспечивающих, соответственно, электрический вывод электронов из потока плазмы и управление энергией электронов и их концентрацией в пучке, входящем в УКЭ, и управление концентрацией, силой тока и энергией электронов пучка, выходящего из УКЭ. Технический результат - обеспечение температурной и динамической устойчивости, повышение эффективности и КПД преобразования энергии потока плазмы в электрическую мощность. 1 ил.

Оротрон // 2634304

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн. Технический результат - увеличение КПД открытого резонатора оротрона и, как следствие, увеличение КПД оротрона нагрузке. В оротроне, содержащем электронную пушку, коллектор, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое зеркало выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале и покрывающую всю его поверхность, вывод энергии электромагнитных колебаний, ввести дополнительно прямоугольную плоскопараллельную металлическую пластину, на одной из поверхностей которой выполнен продольный выступ в виде прямоугольного параллелепипеда с плоскостью симметрии, общей с пластиной, а его поверхность, параллельная поверхности пластины, выполнена полированной, и металлический швеллер, между полками которого расположен упомянутый выступ. Стенка выступа выполнена в виде периодической структуры, а полки имеют высоту, равную высоте выступа и плотно прилегают к его боковым поверхностям, а на концах переходят в плоские участки, параллельные стенке швеллера. Рассмотрены различные варианты выполнения оротрона как с однорядной периодической структурой, так и с двухрядной периодической структурой, как пример возможности использования в предложенной конструкции и многорядной периодической структуры. 3 н.п. ф-лы, 9 ил.

Полупрозрачная лампа бегущей волны // 2644419

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, в частности к лампам бегущей волны. Лампа бегущей волны с вводом и выводом энергии, содержащими передающие линии волноводного типа, с пространством взаимодействия в виде замедляющей системы, содержащей спираль, опорные диэлектрические стержни и металлический экран, с локальным поглотителем, выполненным на основе резистивной пленки, размещенной на опорных диэлектрических стержнях. Резистивная пленка поглотителя наносится так, что отсутствует на поверхности диэлектрических стержней, касающейся спирали, и на части поверхности боковых сторон и присутствует на оставшейся части боковых сторон диэлектрических стержней. Таким способом достигается то, что затухание, вносимое поглотителем на нижних частотах, больше, чем на верхних частотах. Перепад затухания определяется, прежде всего, зазором между резистивной пленкой и спиралью. Подобрав величину зазора, можно добиться того, что уменьшение КПД за счет введения поглотителя будет минимальным, а вносимое затухание - достаточным для обеспечения устойчивости к самовозбуждению. Оптимальный зазор составляет от 0,3 до 0,6 высоты диэлектрического стержня для разных конструкций ЛБВ. Технический результат - улучшение выходных характеристик ЛБВ при обеспечении устойчивости к самовозбуждению, в том числе на частоте отсечки волноводов.1 з.п. ф-лы, 7 ил.