Патент на изобретение №2330346

(54) ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной аппаратуре. Лампа бегущей волны содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов с диэлектрическими герметизирующими перегородками, отделяющими замедляющую систему от СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор. Входной и выходной резонаторы замедляющей системы экранированы от электронного пучка с помощью пролетной трубки и преобразованы в закороченные отрезки волновода. Согласование с передающими СВЧ-трактами проводится за счет введения между этими отрезками и герметизирующими диэлектрическими перегородками двух (или более) разнесенных между собой индуктивных диафрагм. Количество диафрагм, их расположение и размеры отверстий в диафрагмах зависят от полосы согласования (пропускания) замедляющей системы и подбираются расчетным или экспериментальным путем. Технический результат – повышение согласования замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе пропускания замедляющей системы. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

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.

Уровень техники

Развитие многоцелевой радиолокации дальней тропосферной и космической связи современных средств радиоэлектронного подавления (РЭП) информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ-колебаний большой мощности свыше 100 Вт.

Наиболее перспективными электровакуумными приборами, позволяющими создать такие усилители, являются лампы бегущей волны О-типа с продольными электрическим и магнитным полями. Благодаря распределенному по длине взаимодействию электронного потока с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе пучка. Коэффициенты усиления при необходимости могут достигать 60 дБ и более. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивает усиление в широкой полосе частот, достигающей двух и более октав. Мощные ЛБВ непрерывного и импульсного режимов относятся к наиболее быстро развивающейся группе приборов СВЧ. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. При переходе к средним мощностям порядка киловатт и более приходится переходить к резонаторным замедляющим системам, которые при использовании в ЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот (обычно не более 10%). В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяют замедляющие системы в виде цепочек резонаторов с индуктивной связью, выполненных в виде диафрагмированного круглого волновода. Соседние резонаторы связаны между собой через щели, прорезанные в диафрагмах. Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки, состоящие из предварительного усилителя (ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной “прозрачной” ЛБВ без поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-15 дБ). В «прозрачной» ЛБВ также наиболее часто используют резонаторные замедляющие системы.

Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов с индуктивной связью. Электронный поток создается электронной пушкой. В замедляющей системе кинетическая энергия электронов преобразуется в СВЧ-энергию. Пройдя через замедляющую систему, “отработанный” электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы служат для ввода передаваемого СВЧ-сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с волноводными СВЧ-трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ-трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов.

Для ЛБВ с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов задача согласования последней с передающими линиями является одной из самых актуальных. Чрезвычайно сложно получить хорошее согласование замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе ее пропускания, особенно на ее границах. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах полосы пропускания. При этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители (например, из керамики марок КТ-30, АН-35Ж, ПМК, АН-МКХ), которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера).

Мощная ЛБВ описана в книге Кацмана Ю.А. “Приборы СВЧ. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов”: Учебник для вузов по спец. “Электронные приборы”. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1983. – 368 с. Эта ЛБВ может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде соленоида и коллектор, охлаждаемый водой. Входной резонатор замедляющей системы с винтами для подстройки согласования и выходной резонатор с согласующей диафрагмой образуют так называемые устройства согласования. В средней части замедляющей системы установлены поглотители с согласующими кольцами. Подстройка согласования с помощью винтов может работать только в очень узкой полосе частот, так как винты перестраивают частоту входного резонатора в небольших пределах. Поэтому с помощью винтов можно улучшить характеристику согласования только в очень узкой полосе частот. Введение одной согласующей диафрагмы между выходным резонатором и герметизирующей диэлектрической перегородкой позволяет получить приемлемое значение коэффициента стоячей волны в полосе частот, не превышающей единиц процентов, что для мощной широкополосной ЛБВ с полосой пропускания замедляющей системы 10% явно недостаточно. Все это и является одной из основных причин использования поглотителей внутри замедляющей системы.

Сущность изобретения

Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10% (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны КСВн 1.5).

Указанная проблема решается следующим образом. Мощная ЛБВ содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, магнитную систему, коллектор, входной и выходной закороченные отрезки волновода (экранированные от электронного пучка) с двумя индуктивными диафрагмами и герметизирующие диэлектрические перегородки.

Электронный поток создается электронной пушкой. Проходя через замедляющую систему, пучок тормозится и передает часть энергии электромагнитному полю, а неиспользованная часть пучка попадает в коллектор. Входной и выходной отрезки волновода, экранированные от электронного пучка с двумя индуктивными диафрагмами, связанные с замедляющей системой через щель и отделенные от СВЧ-трактов герметизирующими диэлектрическими перегородками, служат для ввода передаваемого СВЧ-сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов.

Если входной и выходной резонаторы отделить (экранировать) от электронного пучка (пролетная трубка закрывает канал), преобразовав их в закороченные отрезки волновода, оставив щели связи с замедляющей системой, то согласование можно проводить за счет введения до герметизирующих диэлектрических перегородок двух (или более) разнесенных между собой индуктивных диафрагм. Количество диафрагм, их расположение и размеры отверстий в диафрагмах зависят от полосы согласования (пропускания) замедляющей системы и подбираются расчетным или экспериментальным путем. В этом случае согласование с передающими линиями производится индуктивными диафрагмами, расположенными вне замедляющей системы, и значительно упрощается задача получения хорошего согласования (КСВн 1,5) во всей полосе пропускания замедляющей системы превышающей 10%.

Перечень чертежей

Фиг.1. Лампа бегущей волны, в которой входной и выходной резонаторы преобразованы в закороченные отрезки волновода и в них установлены индуктивные согласующие диафрагмы.

Фиг.2. Входной (выходной) отрезки волновода с согласующими диафрагмами, связанные через щель с замедляющей системой.

Фиг.3. Расчетная и экспериментальная характеристики зависимости величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы односекционной лампы бегущей волны.

Фиг.4. Лампа бегущей волны, в которой в первой и последней щелях связи замедляющей системы устанавливаются диэлектрические герметизирующие перегородки в виде пластины, повторяющей форму щели связи.

Фиг.5. Лампа бегущей волны, в которой в замедляющей системе со стороны закороченных отрезков волновода щели связи закрываются диэлектрическими герметизирующими перегородками.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

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

– электронную пушку 1;

– замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов 2;

– магнитную систему 3;

– коллектор 4;

– входной закороченный отрезок волновода 5;

– выходной закороченный отрезок волновода 6;

– входные согласующие индуктивные диафрагмы 7

– выходные согласующие индуктивные диафрагмы 8;

– входное герметизирующее окно 9;

– выходное герметизирующее окно 10.

Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1), распространяется вдоль замедляющей системы (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым электрическими или постоянными магнитами (поз.3). Электроны в процессе взаимодействия модулируются по скорости, что приводит к модуляции потока по плотности. Благодаря взаимной связи между полем и потоком при его движении от входа замедляющей системы к выходу этот процесс нарастает, а кинетическая энергия электронов при их торможении передается полю. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ-сигнала, подаваемого со стороны входного закороченного отрезка волновода (поз.5). Вывод СВЧ усиленного сигнала осуществляется через выходной закороченный отрезок волновода (поз.6). Согласование замедляющей системы с СВЧ-трактами осуществляются за счет выбора размеров и мест расположения индуктивных согласующих диафрагм (поз.7, 8). Замедляющая система, включая закороченные отрезки волновода и индуктивные согласующие диафрагмы, отделяется от СВЧ-трактов с помощью герметизирующих диэлектрических перегородок (поз.9, 10). “Отработанный” электронный поток попадает в коллектор, где кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию.

На фиг.4 показана лампа бегущей волны, в которой в первую и последнюю щели связи замедляющей системы установлены герметизирующие диэлектрические перегородки (поз.9, 10) в виде пластины, повторяющей форму щели связи. Это изменение конструкции замедляющей системы позволяет отказаться от герметизирующих диэлектрических перегородок, которые отделяли замедляющую систему с закороченными отрезками волновода и индуктивными согласующими диафрагмами от СВЧ-трактов. В этой конструкции индуктивные согласующие диафрагмы располагаются вне герметизированной области лампы бегущей волны.

На фиг.5 показана лампа бегущей волны, в которой со стороны закороченных отрезков волновода первая и последняя щели связи замедляющей системы закрываются герметизирующими диэлектрическими перегородками (поз.9, 10).

На фиг.2 показан входной (выходной) отрезок волновода (поз.5) замедляющей структуры (поз.2) с двумя индуктивными согласующими диафрагмами (поз.7).

На фиг.3 показаны расчетная и экспериментальная зависимости величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы односекционной лампы бегущей волны, в которой входной и выходной резонаторы преобразованы в закороченные отрезки волновода. Замедляющая система состоит из двадцати резонаторов. Согласование замедляющей системы с СВЧ-трактами проводилось только с помощью двух индуктивных согласующих диафрагм на входе и двух диафрагм на выходе. Полоса пропускания замедляющей системы составляет величину порядка 14,6%. Результаты согласования (экспериментальные величины КСВн в полосе пропускания 1.6) подтверждают работоспособность предложенной конструкции.

Формула изобретения

1. Лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде электрических или постоянных магнитов и коллектор, отличающаяся тем, что на входе и выходе замедляющей системы установлены закороченные отрезки волноводов, в которых установлены согласующие индуктивные диафрагмы.

2. Лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что герметизирующие диэлектрические перегородки в виде пластин, повторяющих форму щелей связи замедляющей системы с закороченными отрезками волновода, устанавливаются в щелях связи.

3. Лампа бегущей волны по п.2, отличающаяся тем, что диэлектрические герметизирующие перегородки расположены со стороны закороченных отрезков волновода.

РИСУНКИ