Оротрон

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 TEM_00q и ситуация с омическими потерями еще хуже, чем у прибора в [1]. Так как полный КПД в нагрузке η_н равен произведению электронного КПД η_е и КПД OP η_OP, в свою очередь η_OP равен выражению 1-Q_н/Q₀, где Q_н - нагруженная добротность OP, Q₀ - собственная его добротность. Поэтому увеличение Q₀ приводит к увеличению η_ОР и, как следствие, к увеличению полного КПД η_н.

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<h₁<Н_OP, где H_OP - 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…z_n-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=h₁<Н_OP, где H_OP - 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<h₁<Н_OP 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 TEM_00q 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>I_п 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.