ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА СВЧ-ПРИБОРА О-ТИПА
SLOW-WAVE STRUCTURE OF UHF DEVICE OF O-TYPE

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к замедляющим системам (ЗС) усилительных и генераторных СВЧ-приборов О-типа, в частности, к замедляющим системам ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ).
Продвижение в область субтерагерцового (суб-ТГц) и терагерцового (ТГц) частотных диапазонов является одной из важнейших проблем современной вакуумной СВЧ-электроники. В связи с этим разрабатываются миниатюрные варианты известных приборов вакуумной электроники, в частности, ЛОВ и ЛБВ. Для повышения КПД данных приборов разрабатываются замедляющие системы с повышенным сопротивлением связи, которое, как известно, является мерой эффективности взаимодействия электронного потока с продольным полем ЗС [Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. - Киев: Изд-во Техника, 1965].
Уменьшение размера пролетного канала в замедляющей системе приводит к необходимости значительного увеличения плотности тока электронного потока, что осложняет его фокусировку и транспортировку внутри пролетного канала ЗС. Для получения приемлемых значений плотности тока используются электронные пучки с большой площадью поперечного сечения, например ленточный поток.
В патенте RU 183912 предложена замедляющая система для лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, представляющая собой проводник, выполненный в форме прямоугольного меандра, образованный параллельно расположенными металлическими пластинами, связанными между собой перемычками. Каждая из пластин снабжена сквозным прямоугольным отверстием для пролета плоского (ленточного) потока электронов, при этом отверстия в пластинах расположены с образованием прямоугольного канала для пролета плоского потока электронов через замедляющую систему. Недостатком использования ленточного электронного потока является трудность его фокусировки вследствие закручивания краев потока из-за диокотронной неустойчивости [A.A. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, I.A. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhadzhi, and K.V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett., vol. 42, no. 5, pp 543-545, 2016], что, в совокупности с динамической расфокусировкой в рабочем режиме прибора, приводит к повышенному токооседанию на элементы ЗС.
Другим решением является увеличение числа электронных потоков, что позволяет снизить удельную плотность тока, транспортируемого через ЗС, а также использование многолучевых электронно-оптических систем на основе эллиптических или цилиндрических электронных потоков. Такие потоки показывают существенно меньшую диокотронную нестабильность [I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, Т.A. Karetnikova, N.М. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, P. 8068467].
Наибольшее распространение для приборов суб-ТГц и ТГц частотных диапазонов получила ЗС типа гребенки [Силин Р.А. Периодические волноводы. М: Фазис, 2002] в силу своей относительной простоты и технологичности.
В авторском свидетельстве СССР №714540 описана конструкция гребенчатой замедляющей системы, в которой для расширения рабочей полосы частот соседние гребни сдвинуты в поперечной плоскости относительно друг друга в разные стороны, а параллельно их боковым поверхностям добавлены металлические пластины. Недостатком данной конструкции являются возможные проблемы с теплоотводом вследствие токооседания и увеличенных ВЧ-потерь в суб-ТГц диапазоне.
В авторском свидетельстве СССР №612313 уменьшение дисперсии в гребенке достигается тем, что каждый гребень соединен с основанием в области расположения смежных гребней с помощью перемычек, которые создают дополнительную магнитную связь между соседними резонаторами. Применение подобной конструкции ЗС в приборах суб-ТГц и ТГц диапазонов весьма осложнено низкой технологичностью изготовления предложенной ЗС вследствие очень малых размеров ее элементов, к тому же недостатком такой замедляющей системы является относительно низкое сопротивление связи.
Известны также замедляющие системы типа гребенка и сдвоенная гребенка ЛБВ миллиметрового диапазона с ленточным электронным потоком [Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Каретникова Т.А., Торгашов Г.В., Синицын Н.И., Шалаев П.Д., Бурцев А.А. Исследование характеристик замедляющей системы лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточным электронным пучком // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №8. С. 601], [Karetnikova Т.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.М., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55]. Расширение полосы пропускания в случае сдвоенной гребенки происходит при сдвиге гребенок относительно друг друга на полпериода, что приводит к слиянию двух низших собственных мод и уменьшению дисперсии. Недостатком рассмотренных замедляющих систем является относительно низкое сопротивление связи.
Прототипом предлагаемого изобретения является ЛБВ с замедляющей системой сдвоенная гребенка и электронным потоком, состоящим из трех лучей эллиптической формы [Плоских А.Э., Рыскин Н.М. Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком// Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып. 2. С. 113-121]. Использование многолучевого эллиптического электронного потока оказывается более предпочтительным, так как позволяет избежать сложностей, возникающих при фокусировке ленточного потока. Недостатком замедляющей системы этой ЛБВ, как и указанных выше технических решений, является относительно низкое сопротивление связи.
Заявляемое техническое решение направлено на увеличение сопротивления связи замедляющей системы генераторных и усилительных приборов СВЧ О-типа (ЛОВ и ЛБВ).
Техническим результатом изобретения является повышение КПД СВЧ-приборов О-типа.
Указанный технический результат достигается увеличением значений сопротивления связи в рабочей полосе частот в несколько раз при сохранении прочих электродинамических характеристик замедляющей системы. Увеличение сопротивления связи ЗС достигается добавлением вырезов, контуры которых совпадают по форме с поперечным сечением электронных потоков, в гребни замедляющей системы, таким образом, что оси электронных потоков совпадают с центрами вырезов в плоскости поперечного сечения. Из известных форм электронных потоков, находящих практическое применение, наиболее подходящими являются эллиптические электронные потоки или цилиндрические электронные потоки, как их частный случай. Глубина выреза изменяется в пределах
потока
где R - малая полуось (или радиус) сечения электронного потока,
выреза
R - глубина выреза под электронный поток, D - расстояние между внешним контуром электронного потока и поверхностью гребенки. Электрическое поле в сечении потока для такой замедляющей системы спадает медленнее по мере удаления от поверхности выреза, что приводит к увеличению сопротивления связи.
Заявленный технический результат был подтвержден серией расчетов электродинамических характеристик многолучевой ЗС в программе электродинамического моделирования ANSYS HFSS [11]. Расчет проводился для ЗС типа односторонней гребенки, помещенной в прямоугольный волновод, с пятью полукруглыми вырезами под пять цилиндрических электронных потоков.
Для пояснения технического решения представлены фиг. 1 - фиг. 3, на которых обозначены: (1) - вырез под электронный поток, (2) - траектории электронов в цилиндрическом потоке, (3) - гребень замедляющей системы, (4) - волновод.
На фиг. 1 представлен расчетный вариант одного периода замедляющей системы с пятью полукруглыми вырезами под пять электронных потоков.
На фиг. 2а схематично изображено поперечное сечение замедляющей системы с вырезами под электронный поток. Здесь радиус выреза под пролетный канал обозначен R, расстояние от верхней кромки гребней до внутренней поверхности крышки - В, расстояние между электронным потоком и поверхностью гребенки - D. На фиг. 2б представлено поперечное сечение аналогичной замедляющей системы, но без вырезов и с расстоянием от поверхности гребней до внутренней поверхности крышки В'=В+R.
На фиг. 3 представлены рассчитанные с помощью HFSS электродинамические характеристики (сопротивление связи, дисперсионная характеристика) замедляющей системы с вырезами под электронный поток в виде полуокружностей (фиг. 2а) и замедляющей системы без вырезов и с увеличенным расстоянием от верхней кромки гребней до внутренней поверхности крышки (фиг. 2б).
Дисперсионная характеристика замедляющей системы с полукруглыми вырезами практически не изменилась по сравнению с замедляющей системой без вырезов, а сопротивление связи увеличилось более чем в два раза.
Таким образом, применение вырезов под электронный поток в гребнях замедляющей системы приводит к увеличению сопротивления связи и, следовательно, к более эффективному взаимодействию электронов с полем бегущей волны, росту выходной мощности и КПД ЛБВ или ЛОВ при прочих равных условиях.
Источники информации:
1. Тараненко З.И., Трохименко Я.К. Замедляющие системы. - Киев: Изд-во Техника, 1965.
2. Патент RU 183912. Опубл. 09.10.2018. Замедляющая система для лампы бегущей волны / Г.В. Торгашов, Н.М. Рыскин, П.Д. Шалаев.
3. А.А. Burtsev, Yu.A. Grigor'ev, LA. Navrotsky, V.I. Rogovin, G.V. Sakhadzhi, and K. V. Shumikhin. Experimental investigation of electron guns for THz microwave vacuum amplifiers // Tech. Phys. Lett, vol. 42, no. 5, pp 543-545, 2016.
4. I.A. Navrotsky, A.A. Burtsev, A.Y. Kivokurtsev, K.V. Shumikhin, P.D. Shalaev, T.A. Karetnikova, N. M. Ryskin Development of electron-optical system with three elliptic electron beams for a THz-band vacuum-tube device // 10th UK-Europe-China Workshop on Millimetre Waves and Terahertz Technologies (UCMMT). Liverpool, UK, 2017, P. 8068467.
5. Силин P.А. Периодические волноводы. M.: Фазис, 2002.
6. Авторское свидетельство СССР №714540. Опубликовано 05.02.1980. Замедляющая система типа «гребенка» / Ю.Н. Пчельников, В.К. Дзугаев, Л.Н. Лошаков.
7. Авторское свидетельство СССР №612313. Опубликовано 25.08.1978. Замедляющая система гребенчатого типа / Ю.Н. Пчельников, В.К. Дзугаев.
8. Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Каретникова Т.А., Торгашов Г.В., Синицын Н.И., Шалаев П.Д., Бурцев А.А. Исследование характеристик замедляющей системы лампы бегущей волны миллиметрового диапазона с ленточным электронным пучком // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №8. С. 601.
9. Karetnikova Т.A., Rozhnev A.G., Ryskin N.М., Torgashov G.V., Sinitsyn N.I., Grigoriev Y.A., Burtsev A.A., Shalaev P.D. Modeling a subterahertz traveling-wave tube with a slow-wave structure of the double grating type and a sheet electron beam // Journal of Communications Technology and Electronics, 2016, vol. 61, no. 1, pp. 50-55.
10. Плоских А.Э., Рыскин H.M. Моделирование лампы бегущей волны суб-ТГц диапазона с многолучевым ленточным электронным пучком// Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып.2. С. 113-121.
11. www.ansys.com