Электровакуумный прибор СВЧ

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.