Результат интеллектуальной деятельности: ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к электровакуумным приборам O-типа, и может быть использовано в лампах бегущей волны (ЛБВ) непрерывного и импульсного действия миллиметрового диапазона длин волн.

Важным направлением развития ЛБВ является создание малогабаритных ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн с увеличенной средней и импульсной выходной мощностью, высоким КПД, низкими питающими напряжениями и широкой полосой рабочих частот, обладающими высокой технологичностью, повторяемостью параметров, надежностью и высоким процентом выхода годных изделий.

При разработке современных мощных ЛБВ широкое применение находят конструкции с замедляющей системой типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР). Замедляющие системы типа ЦСР имеют высокое сопротивление связи, большую механическую прочность и термостойкость, а также просты в подборе необходимой дисперсионной характеристики. Магнитная фокусировка электронных пучков в таких системах обеспечивается, как правило, магнитными периодическими системами (МПФС).

Известна мощная секционированная лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн с замедляющей системой типа ЦСР [1]. Замедляющая система ЛБВ содержит проводящий корпус, внутри которого перпендикулярно продольной оси ЛБВ установлены диафрагмы, снабженные трубками дрейфа. Проводящий корпус и диафрагмы образуют ряд объемных резонаторов, размещенных вдоль оси ЛБВ и связанных друг с другом через щели связи в диафрагмах. Стенки проводящего корпуса являются боковыми стенками резонаторов и вакуумной оболочкой ЛБВ. Для обеспечения фокусировки электронного пучка замедляющую систему размещают внутри МПФС.

Однако работа ЛБВ в коротковолновом диапазоне длин волн приводит к резкому уменьшению геометрических размеров всех элементов замедляющей системы и МПФС. Так, переход в диапазон длин волн ˜ 3 мм и меньше приводит к уменьшению размеров резонатора замедляющей системы. Они становятся на порядок меньше, чем в сантиметровом диапазоне длин волн, при этом внутренний диаметр резонатора, величина которого определяется требуемой дисперсионной характеристикой, составляет единицы миллиметров. Поэтому при создании и изготовлении малогабаритных ЛБВ миллиметрового диапазона возникают значительные технологические трудности, связанные с изготовлением отдельных элементов замедляющей системы, их сборкой и последующей пайкой, а также с обеспечением механической прочности, теплоотвода и герметичности конструкции. Кроме того, для обеспечения повторяемости и воспроизводимости параметров ЛБВ требуется высокая чистота обработки внутренней поверхности резонаторов и соблюдение жестких допусков на геометрические размеры. Изготовление таких замедляющих систем и их отдельных элементов требует применения дорогостоящего высокоточного оборудования и специальных инструментов, что увеличивает стоимость ЛБВ.

В малогабаритной ЛБВ масса и габариты магнитов магнитной системы тоже должны быть небольшими. Но для того чтобы обеспечить в ЛБВ миллиметрового диапазона высокий КПД, требуются электронные пучки с достаточно малыми диаметрами. Для эффективной фокусировки таких электронных пучков необходимо создавать на оси замедляющей системы магнитные поля очень высокого уровня (значительно превышающие уровень магнитных полей, необходимый для фокусировки электронных пучков с теми же токами в ЛБВ более низкочастотного, например, сантиметрового диапазона). Получить требуемые высокие уровни магнитных полей на оси замедляющей системы без увеличения массы и габаритов магнитов МПФС можно путем приближения к этой оси элементов МПФС (полюсных наконечников, магнитов). При этом, прежде всего, необходимо максимально приблизить к оси замедляющей системы полюсные наконечники МПФС, то есть внутренний диаметр полюсных наконечников должен иметь как можно меньшую величину. Выполнить это требование в известной ЛБВ можно только путем уменьшения толщины боковых стенок резонаторов, так как в этой конструкции ЛБВ может быть уменьшен только внешний диаметр резонаторов при сохранении заданной величины их внутреннего диаметра. Уменьшение толщины боковых стенок резонаторов, а следовательно, толщины вакуумной оболочки ЛБВ, усложняет их изготовление, уменьшает жесткость и механическую прочность конструкции, ухудшает теплоотвод, а также может привести к нарушению герметичности ЛБВ.

Поиски менее сложных и более дешевых в изготовлении конструкций замедляющих систем ЛБВ привели к созданию замедляющих систем типа ЦСР с диафрагмами без трубок дрейфа.

Известна конструкция (прототип изобретения) лампы бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн с замедляющей системой типа ЦСР, содержащей диафрагмы без трубок дрейфа [2]. Каждая диафрагма замедляющей системы выполнена как единое целое с кольцом, отделяющим ее от соседней диафрагмы аналогичной конструкции. В диафрагмах выполнены центральные пролетные отверстия для прохождения электронного пучка и щели связи для электромагнитной связи соседних резонаторов замедляющей системы. Замедляющая система размещена в центрирующей тонкостенной оболочке из немагнитного материала, которая является одновременно вакуумной оболочкой ЛБВ. Она окружена МПФС «шашлычного» типа, которая содержит ряд последовательно расположенных вдоль оси замедляющей системы кольцевых магнитов, между которыми расположены кольцевые полюсные наконечники из магнитомягкого материала, соединенные кольцевыми втулками из немагнитного материала.

По сравнению с замедляющими системами, имеющими диафрагмы с трубками дрейфа, замедляющие системы без трубок дрейфа более просты в изготовлении, имеют меньший разброс геометрических размеров и, следовательно, лучшую повторяемость и воспроизводимость параметров ЛБВ, меньшую стоимость изготовления. Введение в известную конструкцию ЛБВ (прототип изобретения) центрирующей оболочки обеспечивает возможность прецизионной сборки и пайки в ней ВЧ пакета диафрагм замедляющей системы. При этом отпадает необходимость выполнения вакуумно-плотных спаев между диафрагмами, так как функцию вакуумной оболочки выполняет центрирующая оболочка. Конструкция имеет достаточную жесткость, механическую прочность и теплоотвод.

Однако для того чтобы провести электронный пучок через пролетный канал ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн, необходимо в пролетном канале создать магнитное поле очень высокого уровня (порядка 500 мТл). Замедляющая система ЛБВ, выбранной в качестве прототипа, размещена в вакуумной оболочке, отделяющей ее от МПФС. Внутренний диаметр полюсных наконечников МПФС такой ЛБВ увеличен на толщину вакуумной оболочки и магниты МПФС также удалены от замедляющей системы, что значительно ослабляет магнитное поле на оси замедляющей системы (при удалении полюсного наконечника от оси замедляющей системы магнитное поле на оси уменьшается по квадратичному закону) и оно становится недостаточным для эффективной фокусировки электронного пучка в ЛБВ. Для компенсации уменьшения магнитного поля на оси замедляющей системы необходимо значительно увеличить массу магнитов (нарастание массы происходит по кубическому закону), при этом будут расти внешние габариты магнитов, а это приведет к увеличению массы и габаритов ЛБВ в целом, что нежелательно.

Предлагаемое изобретение позволяет получить высокие уровни магнитного поля на оси и в пролетном канале малого диаметра мощной ЛБВ миллиметрового диапазона, что обеспечивает получение в ней высокого КПД, при одновременном сохранении малых поперечных размеров резонаторов, замедляющей системы и всей ЛБВ в целом. Изобретение позволяет создать малогабаритную, простую в изготовлении, технологичную и надежную в эксплуатации конструкцию мощной ЛБВ миллиметрового диапазона.

Предлагается лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн, содержащая электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор, замедляющую систему типа цепочки связанных резонаторов, в диафрагмах которых выполнены центральные пролетные отверстия и щели связи, и магнитную периодическую фокусирующую систему, содержащую ряд последовательно расположенных вдоль оси замедляющей системы кольцевых магнитов, между которыми расположены кольцевые полюсные наконечники из магнитомягкого материала, соединенные кольцевыми втулками из немагнитного материала, при этом замедляющая система выполнена в виде многослойной конструкции из соединенных друг с другом чередующихся диафрагм, имеющих форму диска, и проводящих колец, кольцевые полюсные наконечники и кольцевые втулки магнитной периодической фокусирующей системы вакуумно-плотно соединены друг с другом и образуют вакуумную оболочку, внутренние диаметры кольцевых втулок и кольцевых полюсных наконечников равны друг другу и внешним диаметрам диафрагм и проводящих колец замедляющей системы, при этом выполняются следующие соотношения:

1.6d_з.c≤D≤2.3d_з.c,

2.25d≤d_з.c≤2.5d,

где d_з.c - внешний диаметр диафрагмы и проводящего кольца замедляющей системы [м],

D - внешний диаметр кольцевой втулки [м],

d - внутренний диаметр проводящего кольца замедляющей системы [м].

В предлагаемом изобретении кольцевые полюсные наконечники могут быть снабжены ступицами, расположенными в области центральных отверстий полюсных наконечников.

В предлагаемом изобретении кольцевые полюсные наконечники и кольцевые втулки вакуумно-плотно соединены между собой посредством пайки.

В предлагаемом изобретении диски диафрагм и проводящие кольца соединены между собой посредством диффузионной пайки.

Выполнение замедляющей системы в виде многослойной конструкции из соединенных друг с другом чередующихся диафрагм (без втулок), выполненных в виде тонких проводящих дисков, и проводящих колец, которые образуют ряд резонаторов, последовательно расположенных вдоль оси замедляющей системы и связанных между собой через щели связи в диафрагмах, упрощает и удешевляет процесс изготовления замедляющей системы, обеспечивает повторяемость и воспроизводимость параметров ЛБВ. Конструкция замедляющей системы проста, технологична, имеет достаточную жесткость и не требует выполнения вакуумно-плотных спаев между диафрагмами и проводящими кольцами.

Вакуумная оболочка ЛБВ выполнена не в виде отдельного элемента, а образована расположенными вдоль оси замедляющей системы и максимально приближенными к ней и к пролетному каналу чередующимися кольцевыми полюсными наконечниками и кольцевыми втулками, которые вакуумно-плотно соединены друг с другом. Такая вакуумная оболочка обладает достаточной прочностью и обеспечивает требуемый теплоотвод от замедляющей системы.

В результате максимального приближения к оси замедляющей системы и к пролетному каналу кольцевых полюсных наконечников (а также магнитов) МПФС на этой оси и во всем пролетном канале, образованном центральными пролетными отверстиями в диафрагмах, создается фокусирующее магнитное поле высокого уровня, обеспечивающее прохождение электронного пучка через пролетный канал заданного диаметра, величина которого определяется в соответствии с требуемым КПД.

Расчетные и экспериментальные данные показали, что для достижения указанного результата в предлагаемой конструкции ЛБВ размеры замедляющей системы и МПФС должны находиться в следующих соотношениях:

1.6d_з.c≤D≤2.3d_з.c,

2.25d≤d_з.c≤2.5d,

при этом внутренние диаметры кольцевых втулок и кольцевых полюсных наконечников равны между собой и равны внешним диаметрам диафрагм и проводящих колец.

При выборе внешнего диаметра диафрагмы и проводящего кольца замедляющей системы (то есть внешнего диаметра замедляющей системы) d_з.c менее 2.25 внутреннего диаметра проводящего кольца замедляющей системы d ухудшается механическая прочность этих элементов и всей замедляющей системы в целом. Кроме того, при изготовлении замедляющей системы из диафрагм и проводящих колец с малыми внешними диаметрами d_з.c возникают технологические трудности при прецизионной сборке этих элементов в пакет и последующей их пайке. Причем, чем выше диапазон рабочих частот ЛБВ, тем меньше будет внутренний диаметр проводящего кольца d, который является внутренним диаметром резонатора замедляющей системы.

При выборе внешнего диаметра диафрагмы и проводящего кольца замедляющей системы d_з.с более 2.5 внутреннего диаметра проводящего кольца замедляющей системы d происходит удаление кольцевого полюсного наконечника от оси замедляющей системы и от пролетного канала, в результате чего магнитное поле на оси резко убывает и может стать недостаточным для эффективной фокусировки и прохождения электронного пучка через пролетный канал, в результате чего снизится выходная мощность и КПД.

При выборе внешнего диаметра кольцевой втулки D менее 1.6 внешнего диаметра диафрагмы и проводящего кольца замедляющей системы d_з.с происходит уменьшение толщины кольцевой втулки, что может привести к разгерметизации ЛБВ вследствие проникновения газов из атмосферы в прибор через материал этой втулки. Кроме того, трудно обеспечить механически прочный и вакуумно-плотный спай кольцевой втулки с кольцевым полюсным наконечником МПФС из-за малой площади спая, в результате чего может быть нарушена вакуумная плотность вакуумной оболочки, состоящей из этих элементов.

При выборе внешнего диаметра кольцевой втулки D более 2.3 внешнего диаметра диафрагмы и проводящего кольца замедляющей системы d_з.с также происходит ослабление магнитного поля на оси замедляющей системы из-за удаленности магнитов от оси и от пролетного канала. Магнитное поле на оси замедляющей системы становится недостаточным для эффективной работы ЛБВ в миллиметровом диапазоне.

Для дополнительного увеличения амплитуды магнитного поля МПФС кольцевые полюсные наконечники могут быть снабжены ступицами, расположенными в области центральных отверстий полюсных наконечников.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена ЛБВ миллиметрового диапазона.

На фиг.2 изображено поперечное сечение фрагмента замедляющей система ЛБВ.

ЛБВ, изображенная на фиг.1 и фиг.2, содержит электронную пушку 1, коллектор 2, ввод энергии 3, вывод энергии 4 и замедляющую систему 5, включающую последовательно расположенные вдоль оси замедляющей системы 5 резонаторы 6, образованные чередующимися диафрагмами 7, которые выполнены в виде тонких проводящих дисков, и проводящими кольцами 8. Диафрагмы 7 и проводящие кольца 8 соединены между собой посредством диффузионной пайки.

В диафрагмах 7 выполнены центральные пролетные отверстия 9, образующие пролетный канал, и щели связи 10, обеспечивающие электромагнитную связь между соседними резонаторами 6. Замедляющая система 5 окружена МПФС 11, которая содержит последовательно расположенные вдоль оси замедляющей системы 5 кольцевые магниты 12. В зазорах между магнитами 12 расположены кольцевые полюсные наконечники 13 из магнитомягкого материала, например из стали «Армко». Кольцевые полюсные наконечники 13 снабжены ступицами 14, расположенными в области центральных отверстий полюсных наконечников 13. Кольцевые полюсные наконечники 13 чередуются с кольцевыми втулками 15 из немагнитного материала, например из меди или мельхиора. Кольцевые полюсные наконечники 13 и расположенные между ними кольцевые втулки 15 соединены друг с другом припоем, обеспечивающим после пайки вакуумно-плотный спай 16, и образуют вакуумную оболочку 17.

Предлагаемая лампа бегущей волны работает следующим образом. Сформированный электронной пушкой 1 электронный поток поступает в пролетный канал замедляющей системы 5, который образован центральными пролетными отверстиями 9 диафрагм 7, и проходит вдоль оси замедляющей системы по направлению к коллектору 2. Для предотвращения расхождения электронов под действием объемного заряда ЛБВ снабжена МПФС, выполненной на основе магнитов из самарий-кобальтового сплава. Входной СВЧ сигнал через ввод энергии 3 поступает в первый из резонаторов 6 замедляющей системы 5 и возбуждает электромагнитную волну, которая распространяется по замедляющей системе 5 в том же направлении, что и электронный поток. При взаимодействии электромагнитной волны с электронным потоком происходит модуляция электронов по скоростям и группирование электронов в сгустки. Сгруппированный электронный поток, в свою очередь, увеличивает амплитуду бегущей электромагнитной волны, отдавая ей часть своей кинетической энергии, которая в виде усиленного СВЧ сигнала выводится из последнего резонатора замедляющей системы 5 через вывод энергии 4 и поступает в нагрузку. Электронный поток, пройдя вдоль замедляющей системы, попадает в коллектор 2.

Предлагаемая конструкция применена в разработке двухсекционной ЛБВ верхней части миллиметрового диапазона с полосой частот 600 МГц, коэффициентом усиления более 30 дБ. При этом обеспечен уровень выходной мощности 20 Вт, а технический КПД составил около 5%, при этом поперечные размеры замедляющей системы с МПФС не превысили величину 30 мм.

Источники информации:

1. Патент США №4147956, H01J 25/34, публ. 03.04.1979.

2. Обзор по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ, вып.5 (1082), «Зарубежные ЛБВ мм диапазона. Выходные характеристики. Конструктивно-технологические решения», с.21, рис.6.