Замедляющая система для ЛБВ
DELAY SYSTEM FOR A TWT

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к замедляющим системам для мощных широкополосных приборов О-типа.
Известна замедляющая система типа цепочки связанных резонаторов для ЛБВ сантиметрового диапазона, содержащая волновод, периодически перегороженный одинаковыми диафрагмами, содержащими щели связи и каналы для пролета электронов. Она обеспечивает работу ЛБВ в полосе частот 20-30% при почти постоянном замедлении волны [Накрап И.А., Савин А.Н., Шараевский Ю.П. Моделирование широкополосных замедляющих систем типа цепочки связанных резонаторов с использованием планируемого эксперимента// Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51, №3. С. 333-340].
В известной замедляющей системе недостатком является настолько малое сопротивление связи, так что она практически не используется в ЛБВ.
Известна также замедляющая система, выполненная из двух гребенок, которые соединяются по их зубьям пайкой. В свободных концах зубьев, в боковых стенках гребенок и у их основания предварительно вырезаются пазы. При соединении гребенок пазы в свободных концах гребенок создают пролетный канал для электронного пучка, а пазы в боковых сторонах гребенок и у их основания - прорези связи между резонатора. Резонаторы и щели связи образуются после припаивания к гребенкам металлических крышек, которые служат вакуумной оболочкой.
Эта конструкция требует установки гребенок в оправки и их пайки, что приводит к большим погрешностям при изготовлении. Кроме того, из-за наличия спаев между гребенками и между гребенками и металлическими крышками вакуумной оболочки в ней высоки высокочастотные потери [Авторское свидетельство №1426332, МПК H01J 23/24].
Наиболее близкой к предлагаемой замедляющей системе является двухступенчатая лестничная схема с повторным входом (прототип) [B.G. James. US Pat. 4866343, Sep. 12, 1989, US C1, 315/3.5.].
В замедляющей системе вдоль оси периодически размещены пластины с пролетным каналом, у которых на противоположных концах выполнены прорези, причем в соседних пластинах эти прорези повернуты на 90°. Параллельно прорезям с каждой стороны пластины на все длине выполнен выступ, так что в пространстве между двумя соседними пластинами выступы оказываются повернутыми на 90°. Установленные вдоль оси ЗС пластины припаяны к боковым крышкам, служащим вакуумной оболочкой. В результате образуется цепочка связанных щелями резонаторов с перекрывающимися выступами внутри них.
Недостатком такой системы является наличие длинных выступов на пластинах, которые увеличивают емкость резонаторов, что приводит к уменьшению поперечных размеров ЗС. Несоосность установки пластин вызывает нарушение периодичности ЗС, что приводит к ухудшению взаимодействия электронного пучка с электромагнитной волной и также снижает выходные характеристики лампы. Для уменьшения крутизны дисперсионной характеристики, при сохранении шага системы неизменным, резко уменьшается площадь поперечного сечения пластины, что приводит к ухудшению условий для охлаждения, при этом механические и теплоотводящие свойства пластин оказываются неудовлетворительными. Данную ЗС предпочтительно применять в ЛБВ-длинноволнового диапазона длин волн со средним уровнем мощности.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение средней и импульсной выходных мощностей прибора с полосой усиления не менее 16% и обеспечение хорошего отвода тепла от элементов замедляющей системы.
Технический результат достигается тем, что замедляющая система для ЛБВ содержит прямоугольный волновод с периодической структурой вдоль центральной оси из проводящих поперечных общей оси элементов. В каждом поперечном элементе выполнен пролетный канал, два выступа и две щели связи, и в периоде элементы повернуты относительно друг друга на 90°. Каждый поперечный элемент имеет N пролетных каналов с гексагональной упаковкой, где N от 7, а каждый выступ, выполненный шестигранным, охватывает только пролетные каналы. На стенке волновода напротив шестигранного выступа выполнены дополнительные выступы в направлении общей оси системы и проточки на краях этой стенки.
Технический эффект достигается тем, что пролетные каналы максимально плотно упакованы относительно оси системы, это увеличивает сопротивления связи в широкой полосе частот (не менее 16%). Наиболее плотной упаковкой одинаковых неперекрывающихся пролетных каналов является гексагональная упаковка с коэффициентом однородного заполнения 74.05%, что позволяет существенно минимизировать площадь рабочего зазора. В конструкцию ЗС также введены выступы в форме шестиугольника, которые расположены в пространстве электронного-волнового взаимодействия и выполняют функцию трубки дрейфа. Это обеспечивает более высокую концентрацию электрического поля и позволяет электронному пучку взаимодействовать с полем бегущей волны более эффективно. Уменьшение крутизны дисперсионной характеристики достигается за счет уменьшения емкости между соседними проводящими элементами, что в свою очередь определяет эффективную площадь рабочего зазора, на котором можно расположить от 7 и более пролетных каналов.
В каждом проводящем элементе имеются два диаметрально расположенных окна связи. Окна связи выполнены в виде двух симметрично расположенных щелей. Дополнительные выступы и проточки на краях узкой стенки волновода вносят изменение в участок щели связи, влияющий преимущественно на длинноволновую границу полосы. За счет дополнительного выступа и проточек площадь поперечного сечения щели вязи уменьшается и соответственно, снижается ее эквивалентная индуктивность, но средняя часть щели, влияющая на емкость, не изменяется. Таким образом можно смещать дисперсионную кривую вдоль частотного диапазона, подбирая высоту дополнительного выступа, при этом дисперсионная характеристика будет с мало изменяющимся замедлением в широкой полосе частот (не менее 16%), что обеспечит эффективное взаимодействие электронного пучка с электромагнитной волной и высокий уровень выходной импульсной мощности.
Взаимодействие электронного пучка осуществляется на пространственной гармонике 2 моды. Использование второй моды позволило увеличить период и выполнить поперечные элементы в виде толстых пластин, которые обеспечивают хороший теплоотвод, что в свою очередь позволяет работать ЛБВ с высокой средней мощностью.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой замедляющей системы для ЛБВ, где:
- прямоугольный волновод 1,
- поперечный элемент 2,
- пролетный канал 3,
- шестигранный выступ 4,
- щель связи 5,
- стенка волновода 6,
- дополнительный выступ 7,
- проточка 8.
ф
На фиг. 2 показана дисперсионная характеристика замедляющей системы для ЛБВ, где: U/U - коэффициент замедления волны,
допустимая область рассинхронизма выделена.
Пример
Замедляющая система содержит прямоугольный волновод 1, выполненный из меди, размером 12.2×15 мм. Вдоль центральной оси волновода 1 периодически расположены проводящие элементы 2, выполненные из меди, толщиной 2 мм. Четырнадцать пролетных каналов 3 диаметром 1.5 мм расположены с гексагональной упаковкой на каждом проводящем элементе 2. С двух сторон проводящего элемента 2 выполнен медный выступ 4 шестиугольной формы толщиной 1.5 мм. В каждом проводящем элементе 2 имеются две диаметрально расположенные щели связи 5. На стенке волновода 6 выполнен дополнительный медный выступ 7 в направлении общей оси системы размером 6.2×1 мм и на краях стенки 6 выполнены проточки 8 размером 3×1 мм. Период замедляющей системы равен 14 мм.
Предлагаемая замедляющая система работает следующим образом.
В ЛБВ через ввод энергии в замедляющую систему подается входная СВЧ-мощность. В замедляющей системе распространяется бегущая волна по периодическому волноводу 1 вдоль проводящих элементов 2. Электронные пучки проходят каждый через свой пролетный канал 3, расположенный в выступе 4 каждого проводящего элемента 2. Электрическое поле СВЧ-волны взаимодействует с проходящим вдоль замедляющей системы электронным потоком, усиливается за счет кинетической энергии электронного потока. Усиленная СВЧ-волна через вывод энергии поступает в полезную нагрузку. Эффект взаимодействия СВЧ-волны с электронным потоком осуществляется в определенной части полосы прозрачности замедляющей системы (рабочем диапазоне), который определяется щелями связи 5, дополнительными выступами 7 и проточками 8 на стенке волновода 6. В рабочем диапазоне ЛБВ скорость электронного потока приблизительно равна фазовой скорости СВЧ-волны, то есть выполняется условие синхронизма.
Предлагаемая конструкция замедляющей системы позволяет обеспечить необходимые условия теплового режима и увеличить выходную мощность до 24 кВт при скважности 8 для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн, усилением 17 дБ и КПД 28%, работающей в интервале рабочих напряжений 20-24 кВ в рабочей полосе частот 18%, что подтверждает дисперсионная характеристика замедляющей системы, показанная на фиг. 2.