Результат интеллектуальной деятельности: СЕКЦИОНИРОВАННАЯ ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ШТЫРЕВОГО ТИПА ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к конструкции электровакуумных приборов О-типа, и может быть использовано для разработки мощных ЛБВ непрерывного и импульсного действия.

При разработке ЛБВ часто применяется секционирование замедляющей системы (ЗС). Это делается для обеспечения устойчивой работы прибора при больших коэффициентах усиления, уменьшения перепада усиления в рабочем диапазоне частот, повышения КПД ЛБВ [1]. При этом ЗС ЛБВ формируется из двух или нескольких отдельных секций, а в местах их сопряжения размещается разрыв по СВЧ-полю с элементами поглощения СВЧ-энергии. Конструкция должна обеспечивать низкий уровень коэффициента отражения СВЧ-энергии и высокий уровень ее ослабления в местах разрыва ЗС по СВЧ-полю, эффективное рассеивание поглощенной энергии, а также возможность максимального прохождения электронного пучка через ЗС для ее максимальной тепловой разгрузки и предотвращения потерь КПД. Также важным и практически постоянным условием при проектировании прибора является соблюдение низких габаритов и массы.

Вышеизложенные задачи в большей мере решены для ЗС типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР). Большинство мощных секционированных ЛБВ разрабатывались с использованием ЗС типа ЦСР, поскольку данная система была изучена ранее на возможность ее применения в широкополосных СВЧ-усилителях.

Предложена [2] конструкция секционированной ЗС типа ЦСР, в которой для поглощения СВЧ-энергии в местах разрыва ЗС использован малогабаритный поглотитель. Конструкция в местах разрыва обеспечивает достаточное ослабление (до 15-18 дБ). Рассеяние поглощенной СВЧ-энергии в виде тепла происходит через боковую поверхность поглотителя. Недостатком это конструкции является ограниченность теплоотвода: тепло отводится от периферийных областей поглотителя, поэтому при определенных уровнях средних мощностей (уровень максимальной средней СВЧ-мощности зависит от диапазона) возможен перегрев средней части поглотителя из-за невысокой теплопроводности его материала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является конструкция [3] замедляющей системы типа "встречные штыри". Эта замедляющая система состоит из последовательности штырей, размещенных на определенном расстоянии друг от друга в полости корпуса под углом 180 градусов, перпендикулярно оси корпуса. На каждом штыре концентрично корпусу установлена пролетная трубка в виде полого цилиндра. Такая конструкция обладает не только сравнимой с ЦСР теплоустойчивостью, но и меньшими (почти в 2 раза) поперечными габаритами. В литературных источниках не были обнаружены конструкции секционированных штыревых замедляющих систем.

Целью изобретения является создание конструкции секционированной ЗС штыревого типа для мощной ЛБВ, имеющей низкие габариты и массу. Конструкция ЗС не должна вносить в магнитную систему нарушения однородности магнитного поля на ее оси, при этом должны обеспечиваться достаточно высокое ослабление СВЧ-энергии между секциями и условия для рассеяния этой энергии.

Предложена секционированная замедляющая система штыревого типа лампы бегущей волны, состоящая из секций, каждая из которых представляет собой последовательность штырей, размещенных на определенном расстоянии друг от друга в полости корпуса перпендикулярно его оси, на каждом штыре концентрично оси замедляющей системы установлена пролетная трубка в виде полого цилиндра, при этом штыри размещены под углом от 0<α≤180° друг к другу, на смежных концах секций установлены металлические разделительные стенки, имеющие форму диска с концентричным корпусу пролетным отверстием для электронного пучка, в котором концентрично корпусу установлена дополнительная пролетная трубка, в конструкцию введены поглотители СВЧ-энергии, имеющие форму полого цилиндра, которые присоединены торцами к противоположным сторонам разделительной стенки концентрично пролетному отверстию посредством теплопроводящего слоя, при этом размеры разделительной стенки должны удовлетворять следующим соотношениям:

D_к≤D_p≤1.2D_к,

где D_p - диаметр разделительной стенки [м],

D_к - внутренний диаметр корпуса замедляющей системы [м];

3×10^-4[м]≤h_p≤7×10^-4 [м],

где h_p - толщина разделительной стенки [м];

размеры дополнительной пролетной трубки должны удовлетворять следующим соотношениям:

d_зс≤d_т≤d_зс+0.01×λ₀,

где d_т - внутренний диаметр дополнительной пролетной трубки поглотителя [м],

d_зс - внутренний диаметр пролетной трубки, установленной на штырях замедляющей системы [м],

λ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона ЛБВ [м];

d_т+0.8×10^-3[м]≤D_т≤d_т+2×10^-3 [м],

где D_т - внешний диаметр пролетной трубки [м],

h_п≤h_т≤0.75t₃,

где h_п - высота поглотителя [м],

h_т - высота дополнительной пролетной трубки [м],

t₃ - зазор между торцами пролетных трубок в замедляющей системе [м];

размеры поглотителя должны удовлетворять следующим соотношениям:

d_п=D_т(1+Т×α₁)/(1+Т×α₂),

где d_п - внутренний диаметр поглотителя [м],

Т - температура плавления теплопроводящего слоя [град],

α₁ - коэффициент линейного расширения материала пролетной трубки [град^-1],

α₂ - коэффициент линейного расширения материала поглотителя [град^-1];

0.8D_к≤D_п≤D_к,

где D_п - внешний диаметр поглотителя [м],

D_к - внутренний диаметр корпуса замедляющей системы [м];

0.25λ_з≤h_п≤λ_з,

где h_п - высота поглотителя [м],

λ_з - длина замедленной волны низкочастотной границы полосы прозрачности ЗС [м].

Для увеличения эффекта согласования поглотителя с секциями замедляющей системы (достижения малого уровня коэффициента отражения СВЧ-энергии в месте соединения ЗС и поглотителя) вблизи низкочастотной границы рабочего диапазона предложено выполнить следующие условия:

расстояние от поглотителя до штыря, расположенного первым от поглотителя, должно удовлетворять следующему соотношению:

t₃≤t₁≤t₂,

где t₃ - расстояние между торцами пролетных трубок, установленных на соседних штырях секции замедляющей системы [м],

t₁ - расстояние от поглотителя до штыря, расположенного первым от поглотителя [м],

t₂ - расстояние между штырями в замедляющей системе [м].

Дополнительное улучшение согласования поглотителя и замедляющей системы вблизи низкочастотной границы рабочего диапазона можно получить, выполняя следующие условия:

расстояние t₄ [м] между торцом пролетной трубки, установленной на штыре, расположенном первым от поглотителя, и торцом пролетной трубки, установленной на штыре, расположенном вторым от поглотителя, находится в пределах

0.75t₃≤t₄≤1.25t₃,

где t₃ - расстояние между торцами пролетных трубок, установленных на соседних штырях секции замедляющей системы [м].

Ширина штыря l₂, расположенного первым от поглотителя, находится в пределах l₁≤l₂≤1.25l₁,

где l₁ - ширина штырей в замедляющей системе.

Предложенная конструкция секционированной ЗС штыревого типа обеспечивает низкий коэффициент отражения СВЧ-энергии на входе ее в поглотитель и достаточно высокий уровень ослабления СВЧ-энергии в местах разрыва по СВЧ-полю, что в совокупности важно для устойчивости ЛБВ к возбужениям и для повышения ее коэффициента усиления. В предложенной конструкции обеспечивается также эффективное рассеивание поглощенной СВЧ-энергии для мощных ЛБВ (мощностью до 2.5 кВт) и их низкие габариты и масса.

Предложенная конструкция хорошо совместима с магнитной периодической фокусирующей системой (не требуется нарушения конструкции полюсных наконечников и магнитов), при этом достигается лучшее прохождение электронного пучка через ЗС, что важно для ее тепловой разгрузки, а также для улучшения выходных параметров ЛБВ и повышения их стабильности.

Предложенная конструкция решает не только вышеуказанные задачи, но и обеспечивает сбалансированность сборочного узла ЗС прибора по механическим напряжениям, возникающим как во время многократных нагревов при пайках, так и во время его работы.

Этот эффект достигается симметричностью конструкции при присоединении поглотителей к противоположным сторонам металлической разделительной стенки посредством теплопроводящего слоя, когда обеспечивается компенсация разницы тепловых коэффициентов термического расширения материалов разделительной стенки и поглотителя. При этом в ЛБВ не возникает разрушающих механических напряжений.

В предложенную конструкцию введена дополнительная пролетная трубка в пролетное отверстие, выполненное в разделительной стенке. Эта пролетная трубка выполняет роль настроечного элемента при согласовании поглотителя с замедляющей системой, с ее помощью обеспечивается необходимый уровень КСВН в рабочем диапазоне ЛБВ. Для получения необходимого согласования дополнительная пролетная трубка должна иметь определенные размеры.

Нижний предел внутреннего диаметра дополнительной пролетной трубки должен быть не менее внутреннего диаметра пролетной трубки, установленной на штырях замедляющей системы, это наиболее оптимальный вариант для согласования поглотителя с секцией ЗС. Верхний предел внутреннего диаметра дополнительной пролетной трубки выбран из условия хорошего согласования поглотителя с секцией ЗС при одновременном предотвращении токооседания на пролетную трубку для избежания перегрева поглотителя.

Внешний диаметр дополнительной пролетной трубки связан с ее внутренним диаметром соотношениями, при которых обеспечивается наилучшее согласование поглотителя с секцией ЗС.

Высота дополнительной пролетной трубки - величина, изменение которой необходимо для получения хорошего КСВН, при выходе за ее пределы ее изменения происходит превышение уровня КСВН над допустимым для данной конструкции.

Внутренний диаметр поглотителя связан с внешним диаметром пролетной трубки соотношением, в котором учитывается разность коэффициента линейного расширения материала трубки и материала поглотителя при нагревании до рабочих температур и температуры пайки. При соблюдении этого соотношения выполняются условия, исключающие разрушение поглотителя.

Высота поглотителя в несколько раз меньше, чем диаметр торца поглотителя, по которому происходит теплоотвод. Это обеспечивает эффективный и равномерный отбор тепла из объема поглотителя.

В предложенной конструкции диаметр поглотителя близок по размеру к внутреннему диаметру корпуса ЗС. В продольном направлении два поглотителя, закрепленные на разделительной стенке, могут занимать от половины периода до двух периодов ЗС, что свидетельствует о компактности ЛБВ и в продольном направлении.

С точки зрения физической модели поглотитель с окружающим его корпусом ЗС и стенкой на его торце можно считать цилиндрическим резонатором, заполненным диэлектриком (материалом поглотителя), если ЗС не нагружена электронным пучком. В том случае, если ЗС нагружена электронным пучком, то поглотитель можно считать коаксиальным резонатором с диэлектриком.

При указанных выше размерах резонатора (внутренний диаметр корпуса, диаметр разделительной стенки; высота, внешний и внутренний диаметры поглотителя) спектр его собственных колебаний попадает в основную полосу прозрачности ЗС ЛБВ.

Таким образом, смежные концы секционированной ЗС оказываются нагруженными на низкодобротный резонатор с СВЧ-потерями R_п, в котором могут возбуждаться и затухать частоты рабочей полосы ЛБВ и примыкающие к ней частоты в пределах полосы прозрачности ЗС. СВЧ-энергия, поступающая в этот резонатор из секции ЗС, будет попадать в него без отражений в случае равенства волновых сопротивлений в любом сечении переходной области "секция ЗС - поглотитель" (в пространстве между штырем ЗС, расположенным первым от поглотителя, и торцом поглотителя). Уровень ослабления при этом будет максимальным, поскольку он будет зависеть только от поглощающей способности материала поглотителя и его объема.

В реальной конструкции при подсоединении вышеописанного резонатора к секции ЗС возникает отражение СВЧ-энергии от места подсоединения, так как существует разница волновых сопротивлений в плоскости сочленения ЗС и резонатора. Минимальной эта разница будет при расстоянии t между торцом поглотителя и штырем ЗС, стоящим первым от поглотителя, равным расстоянию между соседними штырями внутри секции ЗС.

Диаметр разделительной стенки D_p, находящийся в пределах D_к≤D_p≤1.2D_к, к противоположным сторонам которой припаиваются поглотители, обусловлен частотным рабочим диапазоном прибора и диаметром корпуса ЗС. Превышение диаметра стенки в 1.2 раза над диаметром корпуса может быть необходимо для размещения поглотителя и для уменьшения коэффициента отражения от него.

При толщине разделительной стенки h_p в пределах 3×10^-4 [м] ≤h_p≤7×10^-4 [м] два спая между торцами поглотителей и разделительной стенкой будут взаимно скомпенсированными по разнице ТКР металла стенки и материала поглотителя. При h_p меньше 3×10^-4 метра стенка подвержена деформации, поэтому таковой ее делать нежелательно, чтобы не иметь дополнительных технологических трудностей. При h_p больше 7×10^-4 метра эффект взаимной компенсации по разнице ТКР материалов стенки и поглотителя утрачивается. Нижний предел внутреннего диаметра поглотителя обусловлен внутренним диаметром пролетной трубки, а верхний обусловлен уровнем коэффициента отражения СВЧ-энергии от поглотителя.

Внешний диаметр поглотителя определяется частотным диапазоном прибора, диаметром корпуса ЗС и условием наименьшего уровня коэффициента отражения от поглотителя. Именно этим обусловлены пределы для внешнего диаметра поглотителя: 0.8D_к≤D_п≤1.2D_к.

Нижний предел высоты поглотителя равен 0.25λ_з, что соответствует минимальной длине коаксиального резонатора с диэлектриком, собственная резонансная частота которого совпадает с резонансной частотой, равной нижней границе полосы пропускания ЗС.

Верхний предел высоты поглотителя ограничен значением λ_з - длиной замедленной волны в ЗС. Превышение этого значения нецелесообразно, так как при этом увеличивается участок ЗС с отсутствием взаимодействия СВЧ-поля с электронным пучком, что приводит к ухудшению выходных параметров ЛБВ. Также ухудшаются условия для теплоотвода, так как материал поглотителя имеет низкую теплопроводность.

Предложенная конструкция, содержащая все вышеуказанные признаки, с добавлением признака по расстоянию между торцом поглотителя и торцом пролетной трубки, установленной на штыре, стоящим первым от поглотителя, сохраняет весь положительный эффект и дополнительно позволяет снизить уровень коэффициента отражения от поглотителя, особенно в части рабочего диапазона прибора, примыкающей к низкочастотной границе полосы прозрачности ЗС.

Это важно потому, что вблизи низкочастотной границы полосы прозрачности ЗС необходимо иметь минимально возможные уровни коэффициента отражения от поглотителя из-за высокого в этой части диапазона сопротивления связи (параметра, характеризующего степень взаимодействия электронного пучка с электрической компонентой СВЧ-поля в процессе усиления) и, соответственно, высокого коэффициента усиления в указанной части рабочего диапазона. При недостаточно низком уровне коэффициента отражения от поглотителя возможно самовозбуждение прибора на отраженной волне. Таким образом, за счет усиления положительного эффекта по уровню коэффициента отражения достигается эффект повышения устойчивости ЛБВ к самовозбуждению.

Предложенная конструкция поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена предложенная конструкция в поперечном сечении.

На фиг.2 изображено поперечное сечение А-А фиг.1.

На фиг.3 изображено поперечное сечение Б-Б фиг.1.

Конструкция включает в себя следующие элементы:

1 - корпус, 2 - штырь замедляющей системы, 3 - пролетная трубка, 4 - разделительная стенка, разделяющая две смежные секции, 5 - отверстие в разделительной стенке, 6 - поглотитель, 7 - теплопроводящий слой, 8 - дополнительная пролетная трубка. Секционированная ЗС может состоять как из двух, так и из нескольких секций.

Устройство работает следующим образом. Бегущая волна распространяется вдоль импедансной поверхности, образованной штырями 2 ЗС, установленными в корпусе 1, а электронный пучок со скоростью, приблизительно равной фазовой скорости волны, проходит внутри канала, образованного пролетными трубками 3. Электрическое поле СВЧ-волны взаимодействует с электронным пучком между торцами пролетных трубок. В процессе взаимодействия в первой (входной) секции ЗС происходит в основном группировка электронного пучка (модуляция пучка по плотности вдоль оси ЗС). В последующих секциях происходит усиление СВЧ-волны за счет кинетической энергии электронных сгустков. Отработанная в первой или промежуточных секциях ЗС СВЧ-волна попадает в низкодобротный резонатор R_п, образованный корпусом 1, разделительной стенкой 4 с пролетным трубкой 8 и поглотителем 6, закрепленном на разделительной стенке с помощью теплопроводящего слоя 7, и поглощается в нем. Связь секций ЗС между собой осуществляется посредством электронного пучка. В последней (выходной) секции осуществляется финишный процесс усиления, и усиленная СВЧ-волна через устройство вывода энергии попадает в полезную нагрузку.

Все вышеуказанные признаки предлагаемой конструкции секционированной ЗС штыревого типа позволяют использовать данную систему для разработки ЛБВ с выходной непрерывной мощностью до 2.5 кВт с коэффициентом усиления до 55 дБ. При этом обеспечиваются низкие габариты и масса ЛБВ за счет конструктивной организации теплоотвода от поглотителя и согласования его с ЗС (обеспечивается уровень ослабления сигнала до 18 дБ при коэффициенте отражения от поглотителя в пределах 0.01-0.07 в полосе частот до 15%).

Источники информации

1. А.М.Кац, В.П.Кудряшов, Д.И.Трубецков. "Сигнал в лампах с бегущей волной", часть 1, "Лампа с бегущей волной О-типа", издательство Саратовского университета, 1984, стр.61.

2. В.Н.Батыгин, Н.В.Ефимова, А.В.Иноземцева, Л.Г.Мазурова. "Объемные поглотители для мощных ЛБВ". Журнал "Электронная техника", Сер.1, "Электроника СВЧ", 1970, №11, стр.95.

3. З.И.Тараненко, Я.К.Трохименко. "Замедляющие системы". Киев, изд. "Техника", 1965, стр.86.