Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство
SUPER-HIGH-FREQUENCY CYCLOTRON PROTECTIVE DEVICE

Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно к устройствам защиты входных каскадов СВЧ радиоприемных устройств, в частности, приемников радиолокационных станций, от воздействия входной мощности высокого уровня в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.
В современных радиолокационных станциях (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны быть надежно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при предельно малом времени восстановления параметров после окончания СВЧ-импульса.
Всем этим требованиям в значительной степени удовлетворяют циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), работающие на быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока.
Известно ЦЗУ в основу работы которого положено взаимодействие электродинамической структуры с БЦВ электронного потока. Это устройство обеспечивает надежную защиту от СВЧ мощности высокого уровня при малом времени восстановления. [Патент РФ №2167480, МПК Н02Н 7/12]
Недостатком является невозможность обеспечить жесткие требования по уровню токопрохождения (выше 99%) при токах луча приблизительно 200…300 мкА и напряжениях резонатора 15…20 В.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является ЦЗУ 3-см диапазона длин волн [Патент РФ №2530746, МПК Н02Н 7/00].
ЦЗУ содержит электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием, образующим пролетный канал, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля соосного с электронным потоком, уровень индукции которого обеспечивает вращение электронов с циклотронной частотой, равной средней частоте рабочей полосы частот устройства, при этом каждый резонатор соединен с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала. Плоскость симметрии зазора выходного резонатора образует с плоскостью симметрии зазора входного резонатора угол α, при этом 3°≤α≤5°.
Расположение выходного резонатора с поворотом плоскости симметрии его зазора относительно плоскости симметрии зазора входного резонатора на угол α в диапазоне от 3° до 5° позволяет улучшить токопрохождение в зазорах резонаторов и повысить электронную нагрузку резонаторов, следовательно, расширить полосу рабочих частот ЦЗУ.
Недостаток ЦЗУ - прототипа связан с тем, что между входным и выходным резонаторами плоскости симметрии зазоров расположены под углом а друг к другу. Это не позволяет приблизить поверхности зазоров к электронному потоку, увеличить электронную нагрузку резонаторов и расширить рабочую полосу частот ЦЗУ.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение электрических параметров ЦЗУ, снижение коэффициента шума и расширение полосы рабочих частот, путем приближения поверхностей зазоров резонаторов к электронному потоку.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит электронную пушку, формирующую ленточный электронный поток, резонаторный блок, состоящий из входного и выходного объемных резонаторов, каждый из которых имеет тракт передачи сигнала во внешнюю сверхвысокочастотную линию и емкостной зазор для прохождения ленточного электронного потока имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока. Параллельные поверхности зазоров равномерно и непрерывно на длине резонаторного блока в направлении к коллектору повернуты вокруг продольной оси зазора на угол, соответствующий углу поворота поперечного сечения ленточного электронного потока.
Зазоры входного и выходного резонаторов могут быть выполнены так, что каждое поперечное сечение зазора на длине резонаторного блока повторяет поперечное сечение ленточного электронного потока, при этом размер сечения зазора минимально больше размера сечения электронного потока.
Поворот параллельных поверхностей зазоров равномерно и непрерывно на длине резонаторного блока в направлении к коллектору на угол, соответствующий углу поворота поперечного сечения ленточного электронного потока, позволяет без оседания на них электронов потока увеличить электронную нагрузку резонаторов и, следовательно, улучшить электрические параметры ЦЗУ, а именно: снизить коэффициент шума и расширить полосу рабочих частот.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого ЦЗУ, где:
- электронная пушка 1;
- электронный поток 2;
- входной резонатор 3;
- емкостной зазор входного резонатора 4;
- тракт передачи сигнала входного резонатора 5;
- разделяющая резонаторы диафрагма с отверстием для электронного потока 6;
- емкостной зазор выходного резонатора 7;
- выходной резонатор 8;
- тракт передачи сигнала выходного резонатора 9;
- коллектор электронов 10
0
- средство (магнитная система) для создания однородного магнитного поля с требуемым уровнем индукции В 11.
На фиг. 2 показана предлагаемая конфигурация электронного емкостного зазора в резонаторном блоке, (разделение резонаторного блока на отдельные входной и выходной резонаторы не показано), где:
L - длина резонаторного блока, включая входной 3 и выходной 8 резонаторы;
S - ширина ламели резонатора (соответствует ширине ленты электронного потока вдоль оси у);
d - величина электронного емкостного зазора 4 и 7,
z - продольная ось резонаторного блока и зазора,
у - ось параллельная поверхностям зазора в начале резонаторного блока;
1
y - ось параллельная оси у в конце резонаторного блока,
t - ось параллельная поверхностям зазора в конце резонаторного блока,
х, у - оси, образующие плоскость хОу (О - точка пересечения осей x, у, z),
перпендикулярную к направлению продольного движения электронного потока в зазоре.
1
1
1
1
1
y, t - оси, образующие плоскость yOt (О - точка пересечения осей y, t, z), параллельную плоскости хОу,
1
1
1
1
α - угол между осями y и t в плоскости yOt., на этот угол повернута плоскость симметрии зазора в конце резонаторного блока (плоскость tOz) по отношению к плоскости симметрии зазора в начале резонаторного блока (плоскость yOz).
На фиг. 3 представлены результаты математического моделирования поперечного сечения электронного потока в зазорах резонаторов ЦЗУ: а) и б) -на входе и выходе входного резонатора соответственно, в) и г) -соответственно на входе и выходе выходного резонатора, при этом учтен локальный разворот между резонаторами.
На фиг. 4 показано взаимное расположение электронного потока и стенок зазора в разных поперечных сечениях на длине резонаторного блока по предлагаемому изобретению. Локальный разворот резонаторов отсутствует, имеет место постепенный и непрерывный поворот зазора на длине резонаторного блока.
0
Устройство содержит последовательно расположенные друг за другом электронную пушку 1, формирующую ленточный электронный поток 2, резонаторный блок, состоящий из входного резонатора 3 и выходного резонатора 8, разделенных диафрагмой 6 с отверстием для прохождения электронного потока 2, коллектор 10, средство (магнитная система) для создания однородного магнитного поля 11. Каждый резонатор 3 и 8 имеет тракт передачи сигнала 5 и 9 соответственно, а также емкостные зазоры 4 и 7 соответственно, в которых размещается электронный поток 2. При этом электронный поток 2 не должен касаться поверхностей зазоров 4 и 7. Резонаторы 3 и 8 имеют однонаправленную связь друг с другом через ленточный электронный поток 2. Магнитная система 11 создает однородное магнитное поле с уровнем индукции В, обеспечивающим циклотронный резонанс на частоте резонаторов. Параллельные одна другой поверхности каждого из зазоров 4 и 7 (плоскости симметрии зазоров в начале и в конце резонаторного блока) равномерно и непрерывно на длине резонаторного блока (3, 4, 6, 7 и 8) в направлении к коллектору 10 повернуты на угол α, соответствующий углу поворота поперечного сечения ленточного электронного потока 2 вокруг продольной оси зазора (ось z).
Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.
В режиме пропускания входной сигнал поступает по тракту передачи сигнала 5 во входной резонатор 3. Под его воздействием в электронном потоке 2 возбуждается БЦВ электронного потока, которая передает энергию сигнала в выходной резонатор 8 (через зазор 4, диафрагму 6 и зазор 7). Далее по тракту передачи 9 сигнал поступает во внешнюю СВЧ - линию. Электронный поток 2 после взаимодействия с полями резонаторов 3 и 8 поступает в коллектор 10. Магнитная система 11 создает однородное магнитное поле.
Техническая возможность реализации предлагаемого ЦЗУ подтверждена методом компьютерного моделирования. [И.И. Голеницкий, Н.Г. Духина, Е.И. Каневский. Комплексный расчет трехмерных электронно-оптических и магнитных фокусирующих систем ЭВП СВЧ. Раздел 4. Ленточный электронный поток в ЦЗУ. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Материалы Юбилейной научно-технической конференции по СВЧ-технике (ФГУП НПП ИСТОК, 29-30 мая 2003 г. Часть 2 Вып. 2 (482). 2003 г. С. 55-65].
Моделирование выполнялось на основе применения 3D-моделей магнитной и электронно-оптической систем с учетом действия собственного пространственного заряда ленточного электронного потока.
Вследствие локального разворота между входным и выходным резонаторами 3 и 8 при увеличении электронной нагрузки резонаторов края электронного потока 2 начинают касаться параллельных поверхностей зазоров 4 и 7 (фиг. 3-б и фиг. 3-г).
При отсутствии локального разворота резонаторов 3 и 8 имеет место постепенный и непрерывный поворот поверхностей зазоров 4 и 7 на длине резонаторного блока (фиг. 4).
Результаты моделирования электронного потока в резонаторах предлагаемого устройства в зазоре на входе и выходе входного резонатора(фиг. 4 а и б) и соответственно на входе и выходе выходного резонатора(фиг. 4 в и г) показывают, что при постепенном и непрерывном повороте зазоров на длине резонаторного блока в соответствии с поворотом ленточного электронного потока вокруг продольной оси зазоров (оси z) может быть увеличена электронная нагрузка резонаторов (увеличен ток электронного потока и уменьшена величина зазора d). Это позволяет расширить рабочую полосу частот ЦЗУ и снизить его коэффициент шума.
Приведенные результаты моделирования подтверждают возможность повышения эффективности взаимодействия полей резонаторов с БЦВ электронного потока в предлагаемом ЦЗУ.
Таким образом, предлагаемая конструкция циклотронного защитного устройства позволяет снизить коэффициент шума и расширить полосу рабочих частот.