СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ГЕНЕРАТОРА КЛИСТРОННОГО ТИПА
METHOD OF CONTROL OF PARAMETERS OF RADIATION OF PHASED ANTENNA ARRAY ON BASIS OF KLYSTRON MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, может быть использовано при разработке мощных источников СВЧ излучения с высоким электронным КПД для целей радиолокации, навигации и передачи информации.
Существующие в настоящее время фазированные антенные решетки (ФАР) с электронным управлением фазой имеют ограничение по излучаемой пиковой мощности. Это связано с ограничением на электрическую прочность фазосдвигающих элементов и с ограничением на общее количество излучающих элементов решетки.
В качестве фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа может рассматриваться многоканальный клистронный генератор (патент RU 2343584, 10.01.2009). СВЧ-генератор клистронного типа состоит из высоковольтного источника питания, окруженных магнитной системой и последовательно расположенных вдоль ее оси взрывоэмиссионного катода, анода, разделенной трубами дрейфа системы, по меньшей мере, из двух моделирующих резонаторов, выходного резонатора и коллектора электронов, а также средства вывода излучения. Особенность клистронного генератора по сравнению с предшествующими заключается в том, что в его составе между выходным резонатором и коллектором вдоль оси магнитной системы размещен, по крайней мере, один дополнительный выходной резонатор, идентичный выходному резонатору. В электрическую цепь между последующим и предыдущим выходными резонаторами включен дополнительный источник питания, обеспечивающий компенсацию энергетических потерь электронного пучка после прохождения им предыдущего выходного резонатора. В данном устройстве реализован способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа, состоящий в обеспечении модуляции электронного пучка, отдаче модулированным пучком энергии и его последующем доускорении путем воздействия электрическим полем.
i
i
Недостатком прототипа является то, что фазы колебаний поля в первом, втором и последующих выводных резонаторах (θ1…θ4 на фиг. 1) не одинаковы. Сдвиг фаз между соседними резонаторами будет зависеть от двух факторов - скорости электронных банчей ν, и расстояния между резонаторами L, где i - номер выводного резонатора. Различие фаз колебаний поля в резонаторах приводит к низкой плотности потока энергии в заданной точке пространства. При обеспечении работоспособности ФАР на основе такого многоканального клистронного генератора для управления параметрами излучения необходимо организовать управление фазой излучения, что требует изменения конструкции клистронного генератора.
Техническим результатом является увеличение плотности потока энергии в заданной точке пространства за счет обеспечения синфазности излучения.
Этот технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа, заключающегося в обеспечении модуляции электронного пучка, отдаче модулированном пучком энергии и его последующем доускорении путем воздействия электрическим полем, в предлагаемом способе в процессе доускорения обеспечивают электронное управление фазой излучения посредством воздействия на электронный пучок профилированным в пространстве ускорения электрическим полем.
Достижимость технического результата может быть обоснована следующим образом. Ниже приведенные данные свидетельствуют о возможности электронного управления фазой с целью управления параметрами излучения.
i
Для простоты последующих оценок предположим, что в реализующей способ схеме ФАР на основе СВЧ -генератора клистронного типа, аналогичной прототипу, все расстояния между соседними выводными резонаторами равны между собой, и более того, что они кратны длине волны генерируемого излучения L=L=nλ, где n - целое число.
i
Скорость электронных банчей ν - величина не постоянная и зависит от пространственного распределения потенциала электрического поля доускоряющей системы (профилированное в пространстве ускорения электрическое поле).
Только в тривиальном случае движения банчей в отсутствии ускоряющего поля их скорость v была бы константой. Тогда разность фаз определялась бы зависимостью
np
0
где Т - период высокочастотных колебаний, t - время пролета банча между резонаторами, с - скорость света. Видим, что разность фаз между соседними резонаторами величина постоянная. Если отказаться от условия целочисленности n, то можно подобрать такое необходимое значение n=n, при котором сдвиг фаз будет кратен 2π, следовательно, на выходе всех выводных резонаторов колебания высокочастотного поля будут синфазны, что свидетельствует о возможности электронного управления фазой излучения в данной системе и приводит к повышению плотности потока энергии в заданной точке пространства.
nр
При наличии ускоряющего поля между резонаторами время пролета банча t зависит от амплитуды и распределения поля. Рассмотрим два предельных идеализированных случая. Пусть в первом случае ускоряющее поле сосредоточено в области непосредственно за предшествующим выводным резонатором. Тогда электронные банчи, отдав часть кинетической энергии в предшествующий резонатор, и сразу же ускорившись на небольшом участке тракта пучка до максимально необходимого, будут в дальнейшем двигаться по инерции в сторону последующего резонатора. Во втором случае ускоряющее поле сосредоточено в области непосредственно перед последующим резонатором. Тогда электронные банчи, отдав часть своей кинетической энергии предшествующему резонатору, будут сначала двигаться по инерции, а затем перед последующим резонатором, быстро наберут недостающую энергию в поле доускорения. Очевидно, что время пролета банча от одного резонатора до другого в этих случаях будет различным. В первом случае время пролета будет минимальным, во втором случае - максимальным. Все остальные варианты распределения ускоряющего поля будут давать промежуточные значения времени пролета банча.
Считаем, что пространство ускорения формируется системой доускорения, состоящей из набора секций, позволяющих сформировать ускоряющее поле с различным пространственным распределением потенциала, в том числе с двумя идеализированными распределениями, описанными выше. В этом случае можно получить оценку на величину разности фаз между соседними выводными резонаторами
np.max
np.min
где i - номер выводного резонатора, t - максимальное время пролета банча между резонаторами (соответствует второму случаю), t - минимальное время пролета банча между резонаторами (соответствует первому случаю).
Таким образом, возможность электронного управления фазой в ФАР путем воздействия профилированным электрическим полем на электронный пучок в процессе доускорения позволит управлять параметрами излучения с увеличением плотности потока энергии в заданной точке пространства за счет обеспечения синфазности излучения в пространстве ускорения электрическим полем.
На фиг. 1 схематично изображена реализующая заявляемый способ ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа в виде линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка. На фиг. 2 графически представлен предельный диапазон перестройки фазы колебаний поля в соседних резонаторах в зависимости от потенциала доускорения для различных значений диодного напряжения.
Способ может быть реализован с помощью ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа, схема которого в виде линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка представлена на фиг. 1. Устройство, изображенное на чертеже, содержит взрывоэмиссионный катод 1, анод 2, модулирующие резонаторы 3 (условно обозначенные одним резонатором), образующие область доускорения электронного пучка, выходной резонатор 4 со средством вывода излучения, второй и последующие выходные резонаторы 5, дополнительные внешние источники питания 7, включенные в электрическую цепь между выходным резонатором 4 (5) и последующим выходным резонатором 5, коллектор электронов 6, магнитную систему 8 и высоковольтный источник питания 9.
Управление параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа (в частности, линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка) осуществляется следующим образом. Магнитная система 8 формирует продольное магнитное поле относительно оси устройства. На катод 1 от высоковольтного источника питания 9 подается импульсное высоковольтное напряжение отрицательной полярности. В электрическом поле между катодом 1 и анодом 2 вследствие взрывной эмиссии формируется электронный пучок. Электроны пучка, пройдя систему из модулирующих резонаторов 3 (условно обозначенную на рисунке одним резонатором), модулируются по плотности. Электронные сгустки поступают в выходной резонатор 4, отдавая свою кинетическую энергию в энергию СВЧ-излучения. Прошедшие выходной резонатор электронные сгустки попадают в профилированное по потенциалу в пространстве ускорения электрическое поле, формируемое внешним источником питания 7, чем обеспечивается приобретение электронным потоком дополнительной кинетической энергии (в процессе доускорения), необходимое смещение электронных сгустков в пространстве и, соответственно, электронное управление фазой излучения. Доускоренные электронные сгустки поступают в следующий выходной резонатор 5, вновь отдавая свою энергию в энергию СВЧ-излучения и т.д. Затем электронный пучок попадает на коллектор 6 и рассеивает свою оставшуюся энергию в виде тепла.
Графически представленный на фиг. 2 предельный диапазон перестройки фазы колебаний поля в соседних резонаторах в зависимости от потенциала доускорения для различных значений диодного напряжения показывает следующее. Результаты расчетов получены для фиксированного расстояния между резонаторами L=λ при резонансной частоте 1 ГГц.
Увеличение расстояния между резонаторами приводит к линейному увеличению диапазона сдвига фаз. Например, при расстоянии между резонаторами L=2λ для случая диодного напряжения 400 кВ и при использовании системы доускорения с потенциалом 180 кВ, максимальный сдвиг фаз колебаний поля в соседних резонаторах составит величину 150°.
Полученные результаты позволяют предложить концепцию линейной фазированной антенной решетки с электронным управлением фазы между излучающими элементами решетки. Эта концепция крайне нетривиальна. Существующие в настоящее время ФАР с электронным управлением фазой имеют ограничение по излучаемой пиковой мощности. Это связано с ограничением на электрическую прочность фазосдвигающих элементов и с ограничением на общее количество излучающих элементов решетки. Так, ограничение по импульсной мощности для ферромагнитных фазовращателей, обусловленное резким возрастанием вносимых потерь, находится на уровне 20-25 кВт [Сколник М. Справочник по радиолокации. - «Советское радио», Москва, 1977, т. 2, с. 217]. В предлагаемой концепции линейной ФАР сдвиг фазы осуществляется не за счет взаимодействия высокочастотного поля с фазосдвигающим элементом, а за счет взаимодействия электронного пучка с электрическим полем, что позволяет управлять фазой излучения с мощностью, в несколько раз превышающей мощность ФАР на обычных фазовращателях.
Преимущества ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа с электронным управлением фазой очевидны. Она обеспечивает высокую скорость сканирования пространства и возможность одновременной работы по нескольким пространственным направлениям