Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство

Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно к устройствам защиты от воздействия входной мощности большого уровня в СВЧ-радиоприемных устройствах, в частности в приемниках радиолокационных станций 8-миллиметрового диапазона длин волн. Технический результат - повышение частоты ЦЗУ и расширение области применения ЦЗУ в приемниках РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн для защиты их от воздействия входной мощности большого уровня. Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит ленточный катод, фокусирующий электрод, установленный перед катодом и выполненный в форме прямоугольной пластины с краями, загнутыми под прямым углом по направлению к катоду, анод, резонаторную систему с входным и выходным объемными резонаторами, имеющими однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и осуществляющими взаимодействие с быстрой циклотронной волной электронного потока, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, коллектор электронов, магнитную систему на постоянных магнитах, продольно намагниченных вдоль направления распространения электронного потока, установленных на противоположных внутренних стенках прямоугольного магнитопровода и снабженных полюсными наконечниками. Магнитная система содержит четыре дополнительных магнита, намагниченных в направлении, перпендикулярном направлению распространения электронного потока, причем каждый магнит расположен между боковыми стенками полюсного наконечника и магнитопровода и прилегает к ним магнитным полюсом, одноименным полюсу продольно намагниченного постоянного магнита. Коллектор электронов выполнен в виде двух тонких взаимно параллельных пластин на проволочном держателе, установленном в цилиндрической полости полюсного наконечника, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению распространения ленточного электронного потока вдоль его ширины. 4 ил.

 

Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно к устройствам защиты от воздействия входной мощности большого уровня в СВЧ-радиоприемных устройствах, в частности в приемниках радиолокационных станций 8-миллиметрового диапазона длин волн.

В современных радиолокационных станциях (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны быть надежно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при предельно малом времени восстановления параметров после окончания СВЧ-импульса.

По всей совокупности указанных требований наиболее перспективными являются циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), работающие на быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока. Они обладают рядом технических преимуществ перед твердотельными и газоразрядными защитными устройствами: уникально малым (порядка наносекунд) временем срабатывания и восстановления режима работы после окончания импульса большой мощности, высоким уровнем допустимой входной мощности (до нескольких десятков киловатт в импульсе), малыми потерями сигнала, низким уровнем шума, линейностью амплитудной и фазовой характеристик.

Физический принцип работы ЦЗУ основан на взаимодействии СВЧ-поля резонаторов с протяженным емкостным зазором с полем БЦВ электронного потока, связанной с вращением электронов в продольном магнитном поле с циклотронной частотой , где η=e/m - отношение заряда электрона к его массе, В - индукция продольного магнитного поля. Взаимодействие СВЧ-полей резонаторов с БЦВ электронного потока происходит на частоте входного сигнала , совпадающей с циклотронной частотой и собственной частотой резонаторов в центре рабочей полосы частот .

В настоящее время созданы ЦЗУ см-диапазона длин волн на частоте до и соответственно индукцией поля В=0.35 Тл, которые широко применяются в приемных устройствах РЛС см-диапазона и обеспечивают их эффективную защиту от воздействия входной мощности большого уровня в условиях радиопротиводействия.

Актуальной задачей является создание ЦЗУ для защиты приемников РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн на частоте с уровнем индукции поля B=1.3 Тл [1]. Однако в настоящее время ЦЗУ для этого частотного диапазона не разработаны.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является ЦЗУ 3-сантиметрового диапазона длин волн [2, 3].

Устройство-прототип [2, 3] содержит ленточный катод, фокусирующий электрод, установленный перед катодом и выполненный в форме прямоугольной пластины с краями, загнутыми под прямым углом по направлению к катоду, анод, резонаторную систему с входным и выходным объемными резонаторами с собственной частотой, равной циклотронной частоте на частоте входного сигнала в центре рабочей полосы частот . Резонаторы взаимодействуют с БЦВ электронного потока и имеют однонаправленную связь друг с другом через электронный поток, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала. Взаимодействие СВЧ-полей резонаторов с БЦВ электронного потока происходит на частоте входного сигнала в центре рабочей полосы частот, равной циклотронной частоте в продольном магнитном поле с индукцией В=0.35 Тл. Магнитное поле создается с помощью магнитной системы на постоянных магнитах, намагниченных в продольном направлении распространения электронного потока, установленных на противоположных внутренних стенках прямоугольного магнитопровода и снабженных полюсными наконечниками. Коллектор электронов представляет собой полый цилиндр с закрытым дном и входным прямоугольным отверстием для пропускания ленточного электронного потока, установленный внутри полости полюсного наконечника для обеспечения его магнитной экранировки от магнитного поля в междуполюсном зазоре.

Недостаток ЦЗУ-прототипа связан с тем, что он работает в ограниченной области рабочих частот см-диапазона длин волн. Для работы ЦЗУ в другом частотном диапазоне и, а именно, в приемниках РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн (, B=1.3 Тл) необходимы изменения конструкции его основных узлов, включая магнитную, резонаторную и коллекторную системы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение частоты ЦЗУ и расширение области применения ЦЗУ в приемниках РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн для защиты их от воздействия входной мощности большого уровня.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит ленточный катод, фокусирующий электрод, установленный перед катодом и выполненный в форме прямоугольной пластины с краями, загнутыми под прямым углом по направлению к катоду, анод, резонаторную систему с входным и выходным объемными резонаторами, имеющими однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и осуществляющими взаимодействие с быстрой циклотронной волной электронного потока, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, коллектор электронов, магнитную систему на постоянных магнитах, продольно намагниченных вдоль направления распространения электронного потока, установленных на противоположных внутренних стенках прямоугольного магнитопровода и снабженных полюсными наконечниками. Магнитная система содержит четыре дополнительных магнита, намагниченных в направлении, перпендикулярном направлению распространения электронного потока, причем каждый магнит расположен между боковыми стенками полюсного наконечника и магнитопровода и прилегает к ним магнитным полюсом, одноименным полюсу продольно намагниченного постоянного магнита. Коллектор электронов выполнен в виде двух тонких взаимно параллельных пластин на проволочном держателе, установленном в цилиндрической полости полюсного наконечника, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению распространения ленточного электронного потока вдоль его ширины.

Применение в магнитной системе четырех дополнительных магнитов, намагниченных в направлении, перпендикулярном направлению распространения электронного потока, расположенных между боковыми стенками полюсного наконечника и магнитопровода, прилегающих к ним магнитным полюсом, одноименным полюсу продольно намагниченного постоянного магнита, позволяет сформировать однородное продольное магнитное поле, необходимое для обеспечения работы предлагаемого ЦЗУ на более высокой частоте в 8-миллиметровом диапазоне длин волн.

Выполнение коллекторного узла в виде двух тонких взаимно параллельных пластин, закрепленных на проволочном держателе, установленном внутри цилиндрической полости в коллекторном полюсном наконечнике, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению распространения электронного потока, вдоль его ширины обеспечивает эффективную магнитную экранировку коллектора от магнитного поля и тем самым улучшает шумовые параметры предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн, где:

- ленточный катод 1;

- фокусирующий электрод 2;

- анод 3;

- входной резонатор 4;

- выходной резонатор 5;

- электронный поток 6;

- тракт передачи сигнала 7;

- коллектор электронов 8;

- постоянный магнит с продольной намагниченностью 9;

- прямоугольный магнитопровод 10;

- полюсный наконечник 11;

- дополнительный магнит с поперечной намагниченностью 12.

На фиг. 2а показана магнитная система предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн (объемный фрагмент 1/4 части), где:

- постоянный магнит с продольной намагниченностью 9;

- прямоугольный магнитопровод 10;

- полюсный наконечник 11;

- дополнительный магнит с поперечной намагниченностью 12.

На фиг. 2 (б) показан график функции распределения продольной составляющей индукции поля вдоль оси магнитной системы (X=Y=0), где

- Bz - индукция магнитного поля.

На фиг. 3 показан коллектор предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн (объемный фрагмент 1/2-части) (а) и его проекция на плоскость (Y=0) (б), где:

- коллектор электронов 8;

- полюсный наконечник 11;

- коллекторные пластины 13;

- проволочный держатель коллектора 14;

- цилиндрическая полость 15.

На фиг. 4. показано распределение плотности тока по поперечному сечению ленточного электронного потока в предлагаемом ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн.

Устройство содержит последовательно расположенные друг за другом фокусирующий электрод 2, ленточный катод 1, анод 3, входной резонатор 4 и выходной резонатор 5 с трактами передачи сигнала 7, имеющие однонаправленную связь друг с другом через ленточный электронный поток 6, коллектор 8. Магнитная система бронированного типа содержит прямоугольный магнитопровод 10, два постоянных магнита 9, установленных на двух противоположных внутренних стенках магнитопровода 10, намагниченных в одинаковом направлении распространения электронного потока 6 и снабженных полюсными наконечниками 11. Между боковыми стенками полюсных наконечников 11 и внутренними стенками магнитопровода 10 установлены четыре дополнительных магнита 12, каждый из которых намагничен в направлении, перпендикулярном направлению распространению электронного потока 6, и ориентирован своими магнитными полюсами таким образом, что прилегает к стенкам полюсных наконечников 11 и внутренним стенкам магнитопровода 10 магнитными полюсами, одноименными полюсам продольно намагниченных магнитов 9. Коллектор 8 установлен внутри цилиндрической полости 15 полюсного наконечника 11. Коллектор 8 представляет собой две параллельные коллекторные пластины 13, установленные на проволочном держателе коллектора 15.

Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство 8-миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.

В режиме пропускания входной сигнал поступает из тракта передачи сигнала 7 во входной резонатор 4. Под его воздействием в электронном потоке 6 возбуждается БЦВ электронного потока, которая передает энергию сигнала в выходной резонатор 5 и далее по тракту передачи сигнала 7 во внешнюю СВЧ-линию. В зазоре между полюсными наконечниками 11 направление магнитных потоков дополнительных магнитов 12 с поперечной намагниченностью совпадает с магнитным потоком магнитов 9 с продольной намагниченностью, что позволяет повысить величину индукции поля до уровня В=1.3 Тл для эффективного взаимодействие полей резонаторов 4, 5 с БЦВ электронного потока на центральной частоте в 8-миллиметровом диапазоне длин волн. После взаимодействия с полями резонаторов 4, 5 электронный поток 6 поступает в коллектор 8. Благодаря электрической изоляции коллектора 8 и, следовательно, возможности подачи на него потенциала Uколл, многократно превышающего потенциал Uo резонаторов 4, 5 (Uколл»Uo), а также благодаря резкому спаду индукции поля в области коллектора 8 вследствие его магнитной экранировки устраняется возможность попадания в емкостной зазор выходного резонатора 5 вторично-эмиссионных электронов из облучаемой поверхности коллектора 8 (пластин 13 и держателя 14), которые вызывают шумовые «всплески» в рабочей полосе частот и ухудшают шумовые характеристики ЦЗУ.

Техническая возможность реализации предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн подтверждена методом компьютерного моделирования.

Моделирование выполнялось в декартовой системе координат XYZ на основе применения 3D-моделей магнитной и электронно-оптической систем с учетом действия собственного пространственного заряда ленточного электронного потока.

На объемном фрагменте 1/4 части магнитной система предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн, показанном на фиг. 2а, изображены части магнитопровода 10, постоянных магнитов 9 с продольной намагниченностью, полюсных наконечников 11, постоянных магнитов 12 с поперечной намагниченностью.

Плоские боковые и торцевые стенки магнитопровода 10 имеют размеры по координатам XYZ, равные соответственно 45×5×62 мм3 и 43×30×2 мм3. Магниты 9 с продольной намагниченностью имеют одинаковые размеры 40×10×15 мм3 и установлены в плоскости продольной симметрии Y=0 магнитопровода 10. Магнит 9 прилегает одной плоскостью к внутренней торцевой стенке магнитопровода 10, а противоположной плоскостью к полюсному наконечнику 11. Полюсный наконечник 11 имеет форму пирамиды с плоскими боковыми стенками, обращенными в сторону боковых внутренних стенок магнитопровода 10. Со стороны магнитного зазора полюсные наконечники 11 имеют квадратную форму сечением 10×10 мм2. Полюсные наконечники 11 обращены друг к другу своими вершинами и образуют междуполюсный зазор длиной 0<Z<Zk, где Zk=9.3 мм. В этом зазоре расположены: катод 1, фокусирующий электрод 2, анод 3, входной 4 и выходной 5 резонаторы. Между боковой стенкой магнитопровода 10 и плоской боковой стенкой полюсного наконечника 11 установлен магнит 12 с поперечной намагниченностью с размером 40×10×25 мм3. Все магниты 9 и 12 изготовлены из сплава «самарий-кобальт», магнитопровод 10 и полюсные наконечники 11 - из стали «армко».

График функции распределения продольной составляющей индукции поля вдоль оси магнитной системы (X=Y=0) (фиг. 2б) показывает, что в данной магнитной системе формируется магнитное поле с индукцией на уровне Bz=1.3 Тл, близкое к однородному в области 0<Z<9.0 и резко спадающее в области коллектора 9.0<Z.

На объемном фрагменте 1/4 части предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн изображена конструкция коллекторного узла 8 (фиг. 3а). На фиг. 3б показана его проекция на плоскость Y=0. Коллектор 8 состоит из двух тонких взаимно параллельных пластин 13 на проволочном держателе 14, установленном на оси цилиндрической полости 15 внутри полюсного наконечника 11. Ось цилиндрической полости 15 с держателем 14 направлена вдоль координаты Y, т.е. вдоль ширины ленточного электронного потока 6 перпендикулярно направлению его распространения. Пластины 13 с держателем 14 электрически изолированы от коллекторного полюсного наконечника 11.

Распределение плотности тока по поперечному сечению ленточного электронного потока в предлагаемом ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн представлено на фиг. 4. Расчет проводился на разных расстояниях от плоскости полюсного наконечника 11, включая плоскость эмиттера (Z=3.3 мм), входную (Z=4.9 мм) и выходную (Z=6.1 мм) плоскости емкостного зазора входного резонатора 4, входную (Z=7.4 мм) и выходную (Z=8.6 мм) плоскости емкостного зазора выходного резонатора 5, а также входную плоскость (Z=9.3 мм) полюсного наконечника 11 с цилиндрической коллекторной полостью 15. Поперечные размеры (по координат X и Y) эмитирующей поверхности ленточного катода 1 равны 0.022×0.75 мм2, емкостных зазоров входного 4 и выходного 5 резонаторов - 0.05×0.60 мм2. Расчет выполнен при следующих заданных потенциалах: фокусирующего электрода 2 (Uф=-30В), анода 3 (Ua=+13B) входного и выходного резонаторов 4, 5 (Uo=+16B), коллектора 8 (Uколл=+250В). Расчетная величина тока (микропервеанса) ленточного электронного потока равна 186 мкА (2.9 мкА/В3/2).

Приведенные результаты моделирования доказывают возможность качественной жесткой фокусировки сверхтонкого ленточного электронного потока с поперечными размерами, близкими к размерам эмитирующей поверхности катода без искажения его краев, что необходимо для реализации эффективного взаимодействия полей резонаторов с БЦВ электронного потока в предлагаемом ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн.

Таким образом, частота предлагаемого сверхвысокочастотного циклотронного защитного устройства повышается по сравнению с прототипом в 4 раза, что необходимо для защиты приемников РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн от воздействия входной мощности большого уровня. Создание предлагаемого изобретения позволит реализовать известные преимущества ЦЗУ в РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн, повысить устойчивость их работы в условиях радиопротиводействия.

Источники информации

1. Ю.А. Будзинский, С.В. Быковский, И.И. Голеницкий, В.Г. Калина. Становление, развитие и перспективы СВЧ-приборов на циклотронном резонансе электронного потока. // Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. Часть 1. Вып. 3 (518). 2013 г. С. 136-142.

2. Патент Российской Федерации №2530746, МПК Н02Н 7/00. Опубликовано: 10.10.2014. Бюллетень №28.

3. И.И. Голеницкий, Н.Г. Духина, Е.И. Каневский. Комплексный расчет трехмерных электронно-оптических и магнитных фокусирующих систем ЭВП СВЧ. Раздел 4. Ленточный электронный поток в ЦЗУ. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 2 (482). 2003 г. С. 60-65.

Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство, содержащее ленточный катод, фокусирующий электрод, установленный перед катодом и выполненный в форме прямоугольной пластины с краями, загнутыми под прямым углом по направлению к катоду, анод, резонаторную систему с входным и выходным объемными резонаторами, имеющими однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и осуществляющими взаимодействие с быстрой циклотронной волной электронного потока, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, коллектор электронов, магнитную систему на постоянных магнитах, продольно намагниченных вдоль направления распространения электронного потока, установленных на противоположных внутренних стенках прямоугольного магнитопровода и снабженных полюсными наконечниками, отличающееся тем, что магнитная система содержит четыре дополнительных магнита, намагниченных в направлении, перпендикулярном направлению распространения электронного потока, причем каждый магнит расположен между боковыми стенками полюсного наконечника и магнитопровода и прилегает к ним магнитным полюсом, одноименным полюсу продольно намагниченного постоянного магнита, коллектор электронов выполнен в виде двух тонких взаимно параллельных пластин на проволочном держателе, установленном в цилиндрической полости полюсного наконечника, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению распространения ленточного электронного потока вдоль его ширины.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовых преобразователях. Техническим результатом является повышение быстродействия устранения электрической дуги, возникшей в схеме вентильного преобразователя переменного тока.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к подмодулю модульного многоступенчатого преобразователя частоты с однополюсным аккумулятором энергии и с включенной параллельно аккумулятору энергии мощной полупроводниковой последовательной схемой, содержащей два последовательно включенных мощных полупроводниковых переключателя с одинаковым направлением пропускания, причем встречно-параллельно каждому включаемому и выключаемому мощному полупроводниковому переключателю включен безынерционный диод.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение надежной системы защиты при уменьшении массогабаритных характеристик.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях электрической энергии. Техническим результатом является обеспечение защиты от перегрузки электрических аппаратов, потребляющих мощность, превышающую номинальную мощность преобразователя электрической энергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях электрической энергии. Техническим результатом является обеспечение защиты от перегрузки электрических аппаратов, потребляющих мощность, превышающую номинальную мощность преобразователя электрической энергии.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в энергоустановках, содержащих обратимый преобразователь напряжения, включенный между источниками постоянного и переменного напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразователями. Технический результат - обеспечение компенсации нежелательного насыщения трансформатора преобразователя в течение короткого времени.

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а именно к реверсивным инверторам напряжения для преобразования постоянного напряжения в переменное, допускающими неисправности в виде короткого замыкания или размыкания цепи, и к способам управления такими инверторами.

Изобретение относится к области электротехники. Для того чтобы предоставить субмодуль (7) для образования инвертора (1) для области высоких напряжений с первым субблоком (5), который содержит первый накопитель (18) энергии, включенное параллельно первому накопителю (18) энергии первое последовательное соединение (11) двух мощных полупроводниковых переключающих блоков (12, 13), которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник (14, 15) с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и первую соединительную клемму (х2), которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками (12, 13) первого последовательного соединения, и вторым субблоком, который содержит второй накопитель (26) энергии, включенное параллельно второму накопителю (26) энергии второе последовательное соединение (19) двух мощных полупроводниковых переключающих блоков (20, 21), которые содержат, соответственно, подключаемый и отключаемый мощный полупроводник (22, 23) с одинаковым направлением пропускания и, соответственно, являются проводящими обратно упомянутому направлению пропускания, и вторую соединительную клемму (х1), которая соединена с точкой потенциала между мощными полупроводниковыми переключающими блоками (20, 21) второго последовательного соединения (19), который быстро, надежно и эффективно ограничивает возникающие при неисправности токи короткого замыкания, предложено, что первый субблок и второй субблок (10) соединены между собой средствами (27) соединения, которые выполнены таким образом, что в выбранном состоянии переключения всех мощных полупроводниковых переключающих блоков (12, 13, 20, 21) протекание тока между первой соединительной клеммой (х2) и второй соединительной клеммой (х1) в обоих направлениях осуществляется только через первый накопитель (18) энергии и/или второй накопитель (26) энергии.

Настоящее изобретение относится к устройству (1) для обнаружения неисправного выпрямителя в трехфазном преобразователе переменного тока в постоянный ток, имеющем свою сторону переменного тока, соединенную с трехфазным источником (90) переменного тока, и свою сторону постоянного тока, соединенную с нагрузкой (50) постоянного тока, при этом преобразователь переменного тока в постоянный ток включает в себя выпрямительную схему (30), содержащую, по меньшей мере, три ветви (31, 31′, 31″), каждая из ветвей (31, 31′, 31″) соединена с соответствующей фазой (40) переменного тока и включает в себя, по меньшей мере, один выпрямитель (32, 34, 32′, 34′, 32″, 34″), при этом устройство (1) включает в себя измерительный блок (20) для измерения и выборки переменного тока каждой из фаз и вычислительный блок (10), выполненный с возможностью оценки мгновенного постоянного тока на основе измеренных мгновенных переменных токов в течение одного периода частоты источника питания.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкции индуктивно-емкостных генераторов, и предназначено для генерации непосредственно высокочастотного электрического тока в одной из фазовых цепей источника переменного тока для потребителя.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных системах обработки СВЧ сигнала, а также для создания ЭВМ с частотным представлением информации.

Пдгея // 361482
Наверх