МАЛОШУМЯЩИЙ МУЛЬТИПОЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СВЧ
LOW-NOISE MULTIPOLE MICROWAVE AMPLIFIER

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ приборам с поперечно-протяженным взаимодействием и может быть использовано также в радиолокационной технике и аппаратуре связи.
Известен параметрический усилитель (лампа) Р.Адлера, в котором в качестве входной и выходной секций применены резонаторы, через которые движется поток электронов, фокусируемый однородным магнитным полем. Напряженность поля выбрана так, что циклотронная частота равна частоте сигнала. Параметрическое усиление происходит в квадрупольной системе электродов, создающей поперечное поле, к которой приложен сигнал накачки, изменяющийся с удвоенной циклотронной частотой. В таком усилителе периодически меняющимся параметром является кинетическая энергия электронов, движущихся по спиральной траектории [Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по СВЧ электронике для физиков. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004, т.2, с.112-114]. Недостатком такого усилителя является невозможность осуществления одновременного и протяженного взаимодействия электронного пучка с полем квадрупольной секции, что в итоге не обеспечивает длительного взаимодействия.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция параметрического усилителя, выполненного в виде лампы бегущей волны (ЛБВ) с двумя спиральными замедляющими системами. Первая спираль служит для модуляции электронного пучка на частоте накачки, вторая спираль - для ввода и съема сигнала основной и комбинационных частот. Такой усилитель, в отличие от обычной ЛБВ, может работать как на медленных, так и на быстрых волнах пространственного заряда, используемых в качестве накачки [Лопухин В.М., Магалинский В.Б., Мартынов В.П., Рошаль А.С. Шумы и параметрические явления в электронных приборах СВЧ. М.: Наука, 1966, с.163-187]. К недостаткам такого усилителя следует отнести повышенный уровень шумов, вызванный продольным взаимодействием электронного пучка с полем замедляющих систем, вследствие преобразования быстрых волн высших комбинационных частот в волну частоты сигнала. Кроме того, параметрическая ЛБВ работает лишь с узким параксиальным пучком электронов и является лампой малой или средней мощности.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание малошумящего мультипольного усилителя СВЧ с длительным взаимодействием широкого пучка заряженных частиц с поперечно-протяженным электромагнитным полем и непрерывным отбором энергии.
Решение технической задачи достигается тем, что в малошумящем мультипольном усилителе СВЧ, содержащем экранированную от магнитного поля электронную пушку, входной резонатор, соединенный с поглощающей нагрузкой, резонатор накачки, соединенный с источником накачки, резонатор усиления, соединенный через циркулятор с источником сигнала и нагрузкой, и коллектор, согласно предложенному изобретению каждый резонатор представляет собой сверхвысокочастотную мультипольную линзу с, по меньшей мере, четырьмя электродами, каждый из которых выполнен в виде резонансного отрезка замедляющей системы, причем резонатор накачки содержит больше электродов, чем содержит резонатор усиления, а также включает дополнительную дипольную секцию, электроды которой соединены с поглощающей нагрузкой. Кроме того, электроды резонаторной системы выполнены в виде резонансных отрезков круглых металлических стержней с, по меньшей мере, шестью симметрично расположенными продольными канавками, ширина которых равна их глубине и равна четверти замедленной длины волны.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является обеспечение длительного взаимодействия широкого пучка заряженных частиц с поперечно-протяженным электромагнитным полем и непрерывного отбора энергии, что позволяет создать малошумящий мультипольный СВЧ усилитель.
Предлагаемый малошумящий мультипольный СВЧ усилитель иллюстрируется блок-схемой (фиг.1), а также чертежами поперечных сечений резонатора накачки (фиг.2), выполненного в виде октуполя, и квадрупольного резонатора усиления (фиг.3).
Конструкция малошумящего мультипольного СВЧ усилителя (фиг.1) содержит экранированную от магнитного поля электронную пушку 1, входной резонатор 2, соединенный с поглощающей нагрузкой 3, резонатор накачки 4, соединенный с источником накачки 5 и содержащий дипольную секцию, электроды которой соединены с поглощающей нагрузкой 6, резонатор усиления 7, соединенный через циркулятор 8 с источником сигнала 9 и нагрузкой 10, коллектор 11.
0
r
i
s
н
s
Работа малошумящего мультипольного СВЧ усилителя осуществляется следующим образом. Экранированная от магнитного поля электронная пушка 1 создает пучок электронов, который попадая в магнитное поле с индукцией В, начинает вращаться с частотой ω, равной половине циклотронной частоты , где  - отношение заряда к массе электрона. Во входном резонаторе 2 шум быстрой циклотронной волны на частоте ω удаляется из электронного пучка и поглощается нагрузкой 3. Далее на частоте сигнала ω в эту волну переходит шум медленной синхронной волны, вследствие параметрической связи указанных волн в резонаторе накачки 4. Резонатор накачки 4, содержащий большее число электродов, а значит, имеющий больший коэффициент замедления, запитывается от источника 5 с частотой ω. Дипольная секция, входящая в состав резонатора накачки 4, соединенная с поглощающей нагрузкой 6, позволяет устранить неточности соосности усилителя, допущенные при технологической сборке, которые приводят к появлению холостой быстрой циклотронной волны и насыщению коэффициента усиления. Далее в резонатор усиления 7 через циркулятор 8 в электронный поток на очищенной от шума медленной синхронной волне вводится сигнал с частотой ωот источника 9. Процесс усиления в резонаторе 7 не является параметрическим - он основан на фазовом синхронизме электронного потока с полем структуры и аналогичен усилению в обычной ЛБВ. Усиленный сигнал через циркулятор 7 поступает в нагрузку 10.
н
н
н
r
0
Возможность достижения поставленной цели подтверждается теоретическим анализом усиления. Усиление сигнала происходит в резонаторе накачки при выполнении условия активной связи быстрой и медленной синхронных волн, когда ω=0; β=0, где β - постоянная распространения волны накачки. При этом постоянные распространения поперечных волн электронного потока, вращающегося с частотой ω, определяются формулой , где i=1, 2, 3, 4 - номера нормальных поперечных волн электронного пучка, ξ - число пар электродов мультипольной линзы, u - средняя скорость электронного потока. Кроме этого, наряду с поперечным параметрическим усилением возрастание амплитуды сигнала происходит за счет продольного взаимодействия, основанного на замедлении электронов, сходного с процессом усиления в ЛБВ.
Достоинством предложенного изобретения является возможность обеспечения длительного взаимодействия широкого пучка заряженных частиц с поперечно-протяженным электромагнитным полем и непрерывного отбора энергии, что позволяет создать малошумящий мультипольный СВЧ усилитель.