Оротрон



Оротрон
Оротрон
Оротрон
Оротрон
Оротрон

 


Владельцы патента RU 2634304:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU)

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.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн.

Известен оротрон, названный ГДИ [1], содержащий электронную пушку, коллектор, открытый резонатор (ОР), образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое зеркало выполнено фокусирующим в виде усеченной сферы и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале и занимающую часть его поверхности, и вывод энергии электромагнитных колебаний, выполненный в фокусирующем зеркале резонатора. При этом периодическая структура размещается в пазу, выполненном в плоском зеркале, и представляет собой отражающую гребенчатую периодическую структуру, все гребни которой выполнены на одном основании электроискровым способом, т.е. щели между выступами заготовки для периодической структуры прорезаются не на всю ее толщину, а только на высоту выступов, образуя, таким образом, отражающую поверхность между выступами. Даже после химической обработки такой поверхности потери электромагнитной энергии в материале электродинамической системы оротрона, главным образом омические потери в материале периодической структуры, возрастают по сравнению с потерями, определяемыми нормальным скин-эффектом. Это приводит к существенному уменьшению собственной добротности открытого резонатора. Поэтому для достижения максимального КПД генерации необходимо существенное улучшение поверхности между выступами.

Известен также оротрон [2], содержащий электронную пушку, коллектор, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое зеркало выполнено фокусирующим в виде усеченной сферы и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале и покрывающую всю его поверхность, и вывод энергии электромагнитных колебаний, выполненный в фокусирующем зеркале резонатора.

Однако в коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн уменьшается период до долей миллиметра и увеличивается число ламелей периодической структуры, достигая 100 и более. Поэтому она выполняется также как единое целое с плоским зеркалом, т.е. щели между выступами заготовки для периодической структуры прорезаются не на всю ее толщину, а только на высоту выступов (глубину щелей), образуя, таким образом, отражающую поверхность между выступами. В этом оротроне используется основной тип колебаний TEM00q и ситуация с омическими потерями еще хуже, чем у прибора в [1]. Так как полный КПД в нагрузке ηн равен произведению электронного КПД ηе и КПД OP ηOP, в свою очередь ηOP равен выражению 1-Qн/Q0, где Qн - нагруженная добротность OP, Q0 - собственная его добротность. Поэтому увеличение Q0 приводит к увеличению ηОР и, как следствие, к увеличению полного КПД ηн.

Техническая задача, решаемая предлагаемой конструкцией, состоит в повышении КПД и, следовательно, мощности генерации оротрона в коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн за счет увеличения собственной добротности открытого резонатора.

Для решения этой задачи оротрон, содержащий 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, вывод энергии электромагнитных колебаний, дополнительно содержит 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, причем его стенка выполнена в виде упомянутой периодической структуры, а полки имеют высоту, равную высоте упомянутого выступа, и плотно прилегают к его боковым поверхностям, а на концах переходят в плоские участки, параллельные стенке, плотно прилегающие к поверхности пластины и скрепленные с ней.

Возможен вариант выполнения оротрона, когда между плоскими участками полок швеллера и пластиной введены металлические вставки, высота z0 которых выбирается из условия z0<h=h1, где h - высота выступа, h1 - высота полки.

Возможен вариант выполнения оротрона, когда полки имеют высоту h1, большую, чем высота h упомянутого выступа, которая выбирается из условия h<h1OP, где HOP - расстояние между зеркалами ОР.

Возможен вариант выполнения оротрона, когда он дополнительно содержит n швеллеров, где n=2, 3, 4, …, (n-1) и при этом, начиная со 2-го, каждый предыдущий вложен в последующий, а расстояние n-й стенки швеллера от (n-1)-й задается толщиной z1, z2…zn-1 металлической (медной) фольги, устанавливаемой на плоских участках полок швеллеров, предназначенных для крепления их между собой, к пластине и к корпусу прибора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1а, б, схематически показан вариант конструкции предлагаемого оротрона с однорядной периодической структурой, а на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 показаны детали однорядной периодической структуры и два варианта ее выполнения (однорядной периодической структуры), на фиг. 6а, б показан вариант конструкции оротрона с двухрядной периодической структурой, а на фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9 показаны варианты ее выполнения (двухрядной периодической структуры).

Оротрон, изображенный на фиг. 1а, содержит электронную пушку 1, открытый резонатор, образованный плоским зеркалом 2 и фокусирующим зеркалом 3, периодическую структуру 4, расположенную над плоским зеркалом 2 и покрывающую всю его поверхность, выполненную в виде одного ряда взаимно параллельных выступов высотой b1, равной толщине стенки швеллера, коллектор 5 и вывод 6 энергии электромагнитных колебаний, выполненный в плоском зеркале 2 и в продольном выступе 7 и в плоскопараллельной прямоугольной металлической пластине 8.

На фиг. 1б приведено сечение по АА1 (вид сверху) однорядной периодической структуры 4 фиг. 1а. Через щели между выступами периодической структуры 4 видны полки 10 швеллера 9 и плоское зеркало 2, расположенное на поверхности продольного выступа 7. Ось симметрии OO1 - проекция плоскости симметрии М продольного выступа 7 и однорядной периодической структуры 4.

На фиг. 2 представлена плоскопараллельная прямоугольная металлическая пластина 8 с продольным выступом, имеющим высоту h, и плоскими участками 8, расположенными по обеим сторонам от него и симметрично по отношению к его плоскости симметрии М. Ширина и толщина пластины, а также высота продольного выступа h выбираются для каждого конкретного случая, исходя из размеров корпуса прибора. Длина и ширина продольного выступа определяются выбором длины и ширины плоского зеркала 2, которые, в свою очередь, определяются длиной и шириной периодической структуры 4.

На фиг. 3 представлен металлический швеллер 9, толщина b1 стенки которого выполнена как периодическая структура 4 с глубиной щели b1, при высоте h1 боковых стенок 10 внутри него и плоскими участками 11, толщина которых выбирается из конструктивных соображений.

В случае, когда h=h1OP, где HOP - расстояние между зеркалами ОР, периодическая структура 4 и полки 10 швеллера 9 плотно прилегают к поверхностям продольного выступа, т.е. структура к плоскому зеркалу 2, а полки 10 к его боковым поверхностям, и имеют с ним электрический контакт. Этот случай поясняется фиг. 4.

В случае, когда h<h1OP периодическая структура 4 не прилегает плотно к плоскому зеркалу 2, а электрический контакт имеют с продольным выступом, на котором оно выполнено, только внутренние поверхности боковых стенок полок 10 швеллера 9. При этом зазор z0 между плоским зеркалом 2 и периодической структурой 4 задается либо выполнением стенок 10 швеллера 9 высотой h1>h, либо металлическими прокладками 12 между плоскими участками 11 на металлической плоскопараллельной пластине 8 и швеллера 9. Этот случай поясняется фиг. 5

При этом в оротроне с однорядной периодической структурой 4 появляется новая возможность увеличения генерируемой высокочастотной мощности за счет использования двух электронных потоков, с двух ее сторон: между зеркалом 2 и однорядной периодической структурой 4 и, как обычно, над ней.

Таким образом, периодическая структура 4 устанавливается на полированном плоском зеркале 2 ОР, что обеспечивает увеличение его собственной добротности и, следовательно, увеличение его КПД и, следовательно, КПД оротрона в нагрузке. В случае, когда периодическая структура 4 устанавливается над полированным плоским зеркалом 2, кроме того, возможно еще и увеличение генерируемой мощности при использовании дополнительного электронного потока.

На фиг. 6а, б схематично изображен вариант оротрона с двухрядной периодической структурой 4, 13 и две проекции ее установки на плоском зеркале, а на фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9 показаны варианты выполнения двухрядной периодической структурой 4, 13.

Оротрон, изображенный на фиг. 6а, содержит электронную пушку 1, открытый резонатор, образованный плоским зеркалом 2 и фокусирующим зеркалом 3, периодическую структуру 4, 13, выполненную в виде двух рядов взаимно параллельных выступов высотой b1 и b2, равной толщинам стенок 4, 13 двух швеллеров 9 и 14 с расстоянием между ними z1, которое задается толщиной металлических прокладок, устанавливаемых на плоских участках 11 полок 10 швеллера 9 первого ряда, коллектор 5 и вывод 6 энергии электромагнитных колебаний, выполненный в плоском зеркале 2, в продольном выступе 7 и в плоскопараллельной прямоугольной металлической пластине 8.

На фиг. 6б приведено сечение по AA1 (вид сверху) двухрядной периодической структуры 4, 13, фиг. 6а. Также видны плоские участки 15 полок второго ряда швеллера 14 двухрядной периодической структуры, а в щели между выступами второго ряда 13 двухрядной периодической структуры 4, 13 видны полки 10 первого ряда 4 швеллера 9, полки 15 второго ряда и плоское зеркало 2, расположенное на поверхности продольного выступа 7. Ось симметрии OO1 - проекция плоскости симметрии М продольного выступа 7 и двухрядной периодической структуры 4, 13.

Для случая двухрядной периодической структуры, когда h=hi, это иллюстрирует фиг. 7.

В случае оротрона с двухрядной периодической структурой, когда h<h1, первый ряд 4 также может не прилегать к металлической плоскопараллельной пластине 8. При этом зазор высотой z0 между плоским зеркалом 2 и первым рядом 4 двухрядной периодической структуры 4, 13 задается либо выполнением стенок 10 швеллера 9 высотой h1>h, либо металлическими прокладкам 12 высотой z0 между плоскими участками на металлической плоскопараллельной пластине 8 и швеллера 9. Этот случай поясняется фиг. 8 и фиг. 9.

Таким образом, периодическая структура устанавливается на полированном плоском зеркале 2 ОР, что обеспечивает увеличение его собственной добротности и, следовательно, увеличение его КПД и КПД оротрона в нагрузке.

Предложенный оротрон работает следующим образом.

При включении питания электронный пучок 17, формируемый электронной пушкой 1 и магнитной фокусирующей системой (на фиг. 1а и фиг. 6а не показана), оседает на коллектор 5. На своем пути пучок 17 взаимодействует с высокочастотным полем синхронной пространственной гармоники, которая образуется, как и во всех аналогичных приборах, вблизи однорядной периодической структуры 4 или в пролетном канале между рядами 4 и 13 двухрядной периодической структуры (4, 13) в результате дифракции на ней квазиплоской электромагнитной волны основного TEM00q типа колебания открытого резонатора. При выполнении известных условий пространственного синхронизма, как и во всех приборах с длительным взаимодействием, происходит передача энергии электронов потока электромагнитному полю, в результате чего увеличивается амплитуда колебаний, заключенных в объеме между зеркалами 2 и 3. Пространственное распределение указанных колебаний определяется геометрией открытого резонатора и рабочей частотой. Электромагнитная волна, распространяющаяся между соседними выступами периодической структуры, проходит через отверстие 6 вывода энергии в плоском зеркале 2, в продольном выступе 7 и в плоскопараллельной прямоугольной металлической пластине 8 в волновод и далее - в нагрузку (на фиг. 1а и фиг. 6а не показаны). При значении тока I0 электронного потока выше некоторого пускового значении I0>Iп система самовозбуждается и работает как автогенератор.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.П. Шестопалов. Дифракционная электроника. Xарьков: Высща школа. Изд-во при Харьковском университете. 1976. С. 146, 149, 160.

2. Ф.С. Русин, Г.Д. Богомолов. Оротрон как генератор миллиметрового диапазона. В сб. Электроника больших мощностей. М.: Наука, 1968. Вып. 5. С. 45.

1. Оротрон, содержащий 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, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 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, причем его стенка выполнена в виде упомянутой периодической структуры, а полки имеют высоту, равную высоте упомянутого выступа, и плотно прилегают к его боковым поверхностям, а на концах переходят в плоские участки, параллельные стенке, плотно прилегающие к поверхности пластины и скрепленные с ней.

2. Оротрон по п. 1, отличающийся тем, что между плоскими участками полок швеллера и пластиной введены металлические вставки, высота z0 которых выбирается из условия z0<h=h1, где h - высота выступа, h1 - высота полки.

3. Оротрон по п. 1, отличающийся тем, что полки имеют высоту h1, большую, чем высота h упомянутого выступа, которая выбирается из условия h<h1OP, где НOP - расстояние между зеркалами ОР.

4. Оротрон по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит n швеллеров, где n=2.3.4, …, (n-1) и при этом, начиная со 2-го, каждый предыдущий вложен в последующий, а расстояние n-й стенки швеллера от (n-1)-й задается толщиной z1, z2…zn-1 металлической (медной) фольги, устанавливаемой на плоских участках полок швеллеров, предназначенных для крепления их между собой, к пластине и к корпусу прибора.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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).
Наверх