СВЧ-ПРИБОР
MICROWAVE DEVICE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к генераторам СВЧ-колебаний для длинноволнового и средневолнового диапазона.
Известен перестраиваемый генераторный клистрон, содержащий полые входной и выходной резонаторы (патент Франции №2399731, кл. H01J 25/10). Они соединены между собой цепью обратной связи и имеют различные резонансные частоты. Перестройка генератора осуществляется с помощью согласующего устройства, которое изменяет только характеристики выходного резонатора. Недостатком аналога является однолучевая конструкция, что приводит к невозможности получения высокого уровня выходной мощности.
Известен также прибор СВЧ-диапазона, в котором достигается повышение выходной мощности и КПД в генераторном режиме за счет повторного взаимодействия с входным резонатором (SU №408392, кл. H01J 25/00). Прибор содержит электронную пушку, входной и выходной резонаторы и расположенную между ними систему разделения быстрых и медленных электронов, имеющую потенциал, близкий к потенциалу катода. Недостатками прибора являются большое количество источников питания, требуемое для работы устройства, и низкая выходная мощность.
Известны также триодные генераторы с мелкоструктурной сеткой и однозазорными входным и выходным резонаторами, связанными между собой с помощью индуктивной или емкостной связи (SU №211678, кл. H01J 21g, 13/17). Недостатками прибора являются большое количество источников питания, требуемое для работы устройства, и низкая выходная мощность. Предельная мощность, достигнутая в современных сеточных генераторах в диапазоне длин волн 10 см, составляет 500 кВт. Основным фактором, ограничивающим увеличение выходной мощности в существующих сеточных генераторах, является наличие керамических изоляторов внутри резонаторной системы триода. В процессе работы на электроды триода подается напряжение смещения относительно катода и изоляторы необходимы для обеспечения режима по постоянному току. При увеличении мощности на изоляторе выделяется значительная тепловая энергия, которая может приводить к выводу его из строя. Кроме того, изоляция по постоянному току находится в месте резонатора с высокой амплитудой переменного напряжения, поэтому с повышением выходной мощности растет также уровень излучения в окружающее пространство. Конструкция выходного резонатора с разрывами по постоянному току является, таким образом, существенным препятствием для увеличения выходной мощности генератора.
Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является СВЧ-прибор, содержащий размещенные в корпусе входной двухзазорный резонатор, включающий два боковых и один средний электроды, и выходной резонатор, включающий два боковых электрода, в которых выполнены отверстия, катодный узел, на поверхности которого размещен ряд катодов, помещенных напротив пролетных отверстий ближайшего электрода входного резонатора (SU №1738017, кл. H01J 25/00). Этот прибор содержит коаксиальную систему электродов, включающую катодный узел, входной и выходной двухзазорные резонаторы, в электродах которых выполнены отверстия для пролета электронов, расположенные в радиальном направлении так, что их размеры увеличиваются пропорционально расстоянию от соответствующего катода до отверстия. Средний электрод входного резонатора соединен с внутренним, изолированным от корпуса проводником, а все электроды снабжены клеммами для подключения к источнику питания.
Недостатками этого прибора являются:
1) Наличие разрывов между электродами входного двухзазорного резонатора, которые необходимы для подачи на эти электроды статических потенциалов с целью обеспечения рабочего режима по току. Разрывы по постоянному току приводят к излучению СВЧ-полей входного резонатора в окружающее пространство, которое существенно возрастает с увеличением энергии поля внутри резонатора при развитии генерации.
2) Наличие керамических изоляторов внутри входного резонатора. При высоком уровне СВЧ-полей в резонаторе происходит нагрев изоляторов с последующим выходом их из строя, что также ограничивает мощность, накапливаемую внутри входного резонатора.
3) Сложная система высоковольтного питания, включающая источники напряжения смещения на сетках и источник анодного напряжения.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в увеличении выходной мощности и уменьшении количества высоковольтных источников питания СВЧ-прибора.
Достигаемый изобретением технический результат заключается в устранении излучения из входного резонатора, удалении керамических изоляторов и развязок по переменному полю из области сильных СВЧ-полей.
Сущность изобретения заключается в том, что в СВЧ-приборе, содержащем размещенные в корпусе входной двухзазорный резонатор, включающий два боковых и один средний электроды, и выходной резонатор, включающий два боковых электрода, в которых выполнены отверстия, катодный узел, на поверхности которого размещен ряд катодов, помещенных напротив пролетных отверстий ближайшего электрода входного резонатора, в обращенных друг к другу боковых электродах обоих резонаторов выполнены отверстия прямоугольной формы для пролета многолучевого электронного потока с одинаковым количеством N, в среднем электроде входного резонатора выполнены отверстия прямоугольной формы более мелкой структуры, количество которых превышает N в целое число раз, и все электроды входного резонатора замкнуты между собой электрически.
На чертеже представлен СВЧ-прибор в соответствии с изобретением.
СВЧ-прибор содержит катодный узел 1, являющийся частью входного двухзазорного резонатора 2, выходной резонатор 3 и коллектор 4. В боковых крышках (электродах) 5 и 6 входного 2 и выходного 3 резонаторов, обращенных друг к другу, выполнены сетки 7 и 8 с прямоугольными отверстиями для пролета многолучевого электронного потока, количество каналов N в крышках совпадает. В среднем электроде 9 входного резонатора 2 выполнена первая сетка 10 с прямоугольными отверстиями более мелкой структуры, количество которых превышает N в целое число раз. Вывод энергии 11 установлен на выходном резонаторе 3. Все электроды входного двухзазорного резонатора 2 замкнуты между собой электрически и находятся под одним потенциалом. Между резонаторами включен источник постоянного напряжения 12, положительный потенциал которого подведен к выходному резонатору 3.
Входной резонатор генератора - двухзазорный, основной вид колебаний которого противофазный. Емкостные зазоры резонатора расположены между катодом 1, первой сеткой 10, являющейся частью среднего электрода 9, и второй сеткой 7 - частью боковой стенки 5. Оба зазора являются активными, в них происходит взаимодействие электронов с СВЧ-полями резонатора.
СВЧ-прибор работает следующим образом:
После подачи рабочих напряжений катод 1 эмитирует электроны. Так как вторая сетка 7 имеет более крупную структуру прямоугольных каналов, чем первая 10, электрическое поле от высоковольтного источника 12 проникает на катод 1 и обеспечивает пусковой ток, необходимый для возникновения генерации. Электронные потоки, проходящие через отверстия в сетке 10, объединяются в более крупных отверстиях сетки 7, затем ускоряются в пространстве между входным 2 и выходным 3 резонаторами. Потенциалы катода 1, первой 10 и второй 7 сеток равны нулю
Во входном резонаторе 2 происходит образование электронных сгустков, которые затем попадают в ускоряющий промежуток между входным 2 и выходным 3 резонатором, к которому приложено поле высоковольтного источника анодного напряжения 12. Частота выходного резонатора 3 настроена на частоту следования сгустков, что приводит к наиболее эффективному торможению сгустка в ВЧ-поле резонатора. Выходной резонатор 3, как и входной 2, замкнут по постоянному току.
Так как электроды, образующие емкостные зазоры входного резонатора, - катод 1, первая 10 и вторая 7 сетки, электрически соединяются друг с другом по постоянному току, образуя при этом единую электродинамическую систему, отпадает необходимость использования керамических изоляторов внутри входного резонатора 2 в области сильных СВЧ-полей и источники напряжения смещения на сетках в отличие от прототипа не требуются.
В отличие от прототипа также не требуется использование развязок по переменному току, которые сильно усложняются с увеличением амплитуды ВЧ-полей в резонаторе. В систему питания генератора входит только один высоковольтный источник питания - источник анодного напряжения 12.
Возможность достижения заявленного технического результата подтверждается основным отличительным признаком СВЧ-прибора - замкнутой по постоянному току электродинамической системой входного резонатора. За счет устранения излучения из входного резонатора в окружающее пространство и ликвидации высоковольтных изоляторов внутри входного резонатора значительно увеличивается амплитуда переменного напряжения во входном двухзазорном резонаторе, как следствие возрастет амплитуда переменного конвекционного тока электронов на выходе из этого резонатора. Все это в совокупности приводит к увеличению выходной мощности СВЧ-прибора. Одновременно использование замкнутой по постоянному току электродинамической системы входного резонатора приводит к уменьшению количества высоковольтных источников питания, необходимых для работы СВЧ-прибора, до одного.
Возможность вытянуть электронный пучок полем выходного резонатора при отсутствии смещения на сетках входного резонатора подтверждена электронно-оптическим расчетом.
Таким образом, в результате использования изобретения:
- полностью устраняется излучение из входного резонатора,
- отпадает необходимость использования керамических изоляторов внутри входного резонатора, в области сильных СВЧ-полей,
- не требуется развязок по переменному току во входном резонаторе, которые существенно увеличиваются в габаритах при увеличении сеточных напряжений,
- высоковольтные источники напряжения смещения на сетках, используемые в прототипе, не требуются, так как катод, первая и вторая сетка, образующие высоковольтные зазоры генератора, находятся под одинаковым статическим потенциалом и количество высоковольтных источников питания, необходимых для работы прибора, уменьшается до одного - источника анодного напряжения.
Внедрение результатов изобретения позволит создать источники мощных СВЧ-импульсов для радиоэлектронного подавления систем связи и навигации, электронных систем транспортных средств, роботов с электронной начинкой.