ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ ЛИНЕАРИЗОВАННОГО УСИЛИТЕЛЯ СВЧ-МОЩНОСТИ
TRAVELING-WAVE TUBE OF LINEARIZED MICROWAVE POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ, в частности к лампам бегущей волны (ЛБВ).
Известна ЛБВ, содержащая электронную пушку, замедляющую систему, магнитную фокусирующую систему и коллектор для рекуперации кинетической энергии электронов, поступающих из замедляющей системы. [А.С. Гилмор-мл. Лампы с бегущей волной. // Перевод с английского А.Г. Кудряшова под редакцией Н.А. Бушуева. - Москва, Техносфера, 2013 г. С.14-21, 356-359, 391 - 413].
Такая ЛБВ имеет высокий коэффициент полезного действия (КПД), 50-70%, в режиме насыщения выходной мощности при усилении одного синусоидального сигнала. Однако такую ЛБВ в усилителях систем связи эксплуатируют в существенно линейном режиме работы при КПД ЛБВ 15-20% для обеспечения соответствия ее параметров требованиям по линейности. В этом режиме работы требуемая выходная мощность ЛБВ достигается за счет увеличения тока электронного потока, что ведет к увеличению амплитуды индукции магнитного поля магнитной фокусирующей системы для фокусировки такого электронного потока, увеличению плотности тока, отбираемого с поверхности катода, и соответствующему снижению надежности ЛБВ.
Известна также ЛБВ, содержащая между замедляющей системой и коллектором для рекуперации кинетической энергии электронов пассивное устройство, повышающее ламинарность электронного потока, для улучшения условий рекуперации кинетической энергии электронов. [Патент США№3764850 от 09.10.1973 г., МПК: Н01J 23/02].
В этом устройстве за счет уменьшения индукции фокусирующего магнитного поля увеличивается радиус электронного потока и повышается его ламинарность, что способствует увеличению эффективности рекуперации энергии электронов.
Недостатки этой ЛБВ состоят в том, что соответствие характеристик такой ЛБВ необходимым требованиям по линейности достигается также в существенно линейном режиме работы - с выходной мощностью на 7-10 дБ меньше мощности насыщения. В этой ЛБВ требуемая выходная мощность в режиме эксплуатации также достигается за счет увеличения тока электронного потока, что ведет к увеличению амплитуды индукции магнитного поля магнитной фокусирующей системы для фокусировки такого электронного потока, увеличению плотности тока отбираемого с поверхности катода и соответствующему снижению надежности ЛБВ.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является ЛБВ для линейных усилителей СВЧ-мощности спутников связи, содержащая электронную пушку, магнитную фокусирующую систему, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, электронный СВЧ-ускоритель (устройство преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов в диапазоне рабочих частот устройства) и расположенный за ним коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов. Такая ЛБВ может работать как в односигнальном, так и в многосигнальном режимах с высоким электронным КПД и высокой линейностью характеристик при подаче на вход дополнительного сигнала. Дополнительный сигнал позволяет существенно улучшить линейность характеристик ЛБВ при незначительном снижении электронного КПД. Дополнительный сигнал подают с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот. Усиленный дополнительный сигнал выделяется в выходном тракте из спектра выходных сигналов и подается в ЛБВ на вход электронного СВЧ-ускорителя. В электронном СВЧ-ускорителе ЛБВ энергия дополнительного СВЧ-сигнала преобразуется в кинетическую энергию электронов электронного потока и далее возвращается в источник питания в результате рекуперации их энергии в постоянном тормозящем электрическом поле коллектора-рекуператора.
При этом электронный СВЧ-ускоритель выполнен в виде замедляющей системы, работающей в режиме ускорения в ускоряющей фазе дополнительного СВЧ-сигнала сгустков электронов промодулированного по плотности электронного потока. [Патент РФ №2706644 от 19.11.2019 г., МПК: H01J 25/34.]
Недостатком этой ЛБВ является то, что замедляющая система электронного СВЧ-ускорителя имеет длину больше, а КПД преобразования меньше, чем резонаторная система. Резонаторная система при меньшей длине позволяет достичь большей эффективности преобразования энергии дополнительного СВЧ-сигнала в кинетическую энергию электронов электронного потока при управлении фазой дополнительного сигнала на входе резонаторной системы для обеспечения необходимого фазового положения сгустков электронов электронного потока в резонаторной системе.
Задача настоящего изобретения заключается в уменьшении длины электронного СВЧ-ускорителя и увеличении эффективности рекуперации СВЧ-энергии выходного СВЧ-сигнала на частоте дополнительного сигнала за счет резонансного повышения амплитуды электрического поля дополнительного сигнала и введения настройки фазы этого поля на максимум торможения электронных сгустков электронного потока в электронном СВЧ-ускорителе.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение длины и увеличение КПД лампы бегущей волны линеаризованного усилителя СВЧ-мощности в режиме работы с высокой линейностью характеристик при высоком электронном КПД и наличии в спектре ее входных сигналов дополнительного сигнала с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот.
Технический результат достигается тем, что лампа бегущей волны линеаризованного усилителя СВЧ-мощности содержит электронную пушку, магнитную фокусирующую систему, замедляющую систему с вводом и выводом СВЧ-энергии, коллектор для рекуперации кинетической энергии электронов и расположенный между замедляющей системой и коллектором СВЧ-ускоритель электронов с диапазоном рабочих частот, включающих частоту дополнительного сигнала в ЛБВ за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот. При этом СВЧ-ускоритель электронов преобразует энергию СВЧ-сигналов в диапазоне его рабочих частот в кинетическую энергию электронов электронного потока в ЛБВ и состоит из магнитной фокусирующей системы, резонаторной системы с вводом СВЧ-энергии и фазовращателя, соединенного с вводом СВЧ-энергии резонаторной системы.
Применение в СВЧ-ускорителе электронов резонаторной системы вместо замедляющей системы, использованной в прототипе, позволяет сократить длину СВЧ-ускорителя электронов и, соответственно, ЛБВ по сравнению с прототипом, а совместное применение резонаторной системы и фазовращателя, соединенного с ее вводом СВЧ-энергии, позволяет увеличить КПД ЛБВ за счет выбора в резонаторной системе оптимального фазового положения сгустков электронов в электрическом СВЧ-поле дополнительного сигнала.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На Фиг. 1 представлена ЛБВ - прототип линеаризованного усилителя, где:
1 - электронная пушка;
2 - магнитная фокусирующая система;
3 - замедляющая система с вводом и выводом СВЧ-энергии;
4 - коллектор для рекуперации кинетической энергии электронов;
5 - электронный СВЧ-ускоритель;
6 - магнитная система электронного СВЧ-ускорителя;
7 - замедляющая система электронного СВЧ-ускорителя с вводом СВЧ-энергии.
На Фиг. 2 представлена соответствующая предлагаемому изобретению ЛБВ линеаризованного усилителя с СВЧ-ускорителем электронов, содержащим резонаторную систему и фазовращатель, где:
1 - электронная пушка;
2 - магнитная фокусирующая система;
3 - замедляющая система с вводом и выводом СВЧ-энергии;
4 - коллектор для рекуперации кинетической энергии электронов;
5 - электронный СВЧ-ускоритель;
6 - магнитная система электронного СВЧ-ускорителя;
8 - резонаторная система электронного СВЧ-ускорителя с вводом СВЧ-энергии;
9 - фазовращатель.
ЛБВ линеаризованного усилителя, соответствующая предлагаемому изобретению, содержит электронную пушку (1), магнитную фокусирующую систему (2), замедляющую систему с вводом и выводом СВЧ-энергии (3), коллектор для рекуперации кинетической энергии электронов (4), электронный СВЧ-ускоритель (5), расположенный между замедляющей системой и коллектором и состоящий из магнитной фокусирующей системы (6), резонаторной системы (8) с вводом СВЧ-энергии и фазовращателя (9), соединенного с вводом СВЧ-энергии резонаторной системы (8).
ЭП
ЭЗС
свч
эзс
ЛБВ линеаризованного усилителя работает следующим образом. Электронная пушка (1) создает электронный поток, электроны которого имеют скорости V на выходе из электронной пушки; электроны электронного потока из электронной пушки входят в замедляющую систему (3) и двигаются в ее пролетном канале к коллектору для рекуперации кинетической энергии электронов (4) со скоростью V, соответствующей потенциалу замедляющей системы относительно катода электронной пушки; магнитная фокусирующая система (2) создает магнитное поле, которое удерживает электронный поток в пролетном канале замедляющей системы (3); из внешнего СВЧ-тракта, через ввод замедляющей системы (3) в нее подаются входные сигналы ЛБВ, включая дополнительный сигнал для улучшения линейности ее характеристик; электромагнитные волны входных СВЧ-сигналов распространяются вдоль замедляющей системы (3) в направлении движения электронов электронного потока со скоростью V<V, близкой к скорости движения электронов электронного потока. Происходит модуляция электронного потока по плотности в переменном электрическом поле электромагнитных волн и торможение электронов на участках с большей плотностью в тормозящих фазах электромагнитных волн. В результате торможения электронов их кинетическая энергия преобразуется в энергию электромагнитных волн - происходит увеличение СВЧ-энергии электромагнитных волн входных СВЧ-сигналов (усиление). Усиленные СВЧ-сигналы, включая дополнительный сигнал, через вывод замедляющей системы (3) передаются в выходной СВЧ-тракт. Кинетическая энергия электронов электронного потока, не использованная в процессе передачи части кинетической энергии усиливаемым СВЧ-сигналам, включая дополнительный сигнал, возвращается в источник питания в коллекторе для рекуперации кинетической энергии электронов (4) при торможении электронов в постоянном электрическом поле электродов коллектора (4), с потенциалами ниже потенциала замедляющей системы (3). Часть СВЧ-энергии на выходе ЛБВ линеаризованного усилителя приходится на выходной сигнал с частотой дополнительного сигнала за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот. СВЧ-сигнал на частоте дополнительного сигнала не используется для работы канала связи, выделяется в выходном тракте из спектра выходных сигналов и подается в СВЧ-ускоритель. При использовании предлагаемой в изобретении ЛБВ линеаризованного усилителя выделенный в выходном тракте из спектра выходных сигналов выходной СВЧ-сигнал на частоте дополнительного сигнала подается на вход фазовращателя (8) электронного СВЧ-ускорителя (5) и передается через выход фазовращателя (9) и вход СВЧ-энергии резонаторной системы (8) электронного СВЧ-ускорителя (5) в резонаторную систему (8). Фазовращатель (9) изменяет фазу поступающего на его вход СВЧ-сигнала до значения, при котором фаза выходного сигнала на частоте дополнительного сигнала в электронном СВЧ-ускорителе (5) соответствует режиму максимального преобразования СВЧ-энергии проходящих в электронном СВЧ-ускорителе (5) СВЧ-сигналов с частотой в полосе его рабочих частот в кинетическую энергию электронов электронного потока, поступающего в электронный СВЧ-ускоритель (5) из замедляющей системы (3). Электроны модулированного по плотности и скорости электронного потока из пролетного канала замедляющей системы (3) входят в пролетный канал резонаторной системы (8) электронного СВЧ-ускорителя (5). Магнитная фокусирующая система (6) электронного СВЧ-ускорителя (5) создает магнитное поле, которое удерживает электронный поток в пролетном канале резонаторной системы (8) электронного СВЧ-ускорителя (5). При рабочем напряжении резонаторной системы (8) и выбранном режиме работы фазовращателя (9) сгустки электронов электронного потока попадают в ускоряющую фазу электрического СВЧ-поля дополнительного сигнала в резонаторной системе (8) и ускоряются. Так в электронном СВЧ-ускорителе (5) энергия СВЧ электромагнитной волны дополнительного сигнала преобразуется в кинетическую энергию электронов электронного потока. Изменением соотношения фазы выходного сигнала на частоте дополнительного сигнала на вводе и выводе фазовращателя (9) достигается максимальная эффективность преобразования СВЧ-энергии дополнительного сигнала в кинетическую энергию электронов электронного потока в электронном СВЧ-ускорителе (5). В коллектор для рекуперации кинетической энергии электронов (4) из электронного СВЧ-ускорителя (5) поступает электронный поток с возросшей кинетической энергией электронов за счет использования СВЧ-энергии дополнительного сигнала. СВЧ-энергия дополнительного сигнала в виде дополнительной кинетической энергии электронов в процессе рекуперации кинетической энергии электронов в коллекторе (4) возвращается в источник питания. Так происходит рекуперация СВЧ-энергии дополнительного сигнала, состоящая из преобразования СВЧ-энергии в кинетическую энергию электронов и преобразования кинетической энергии электронов в энергию постоянного тока источника электропитания ЛБВ.
Такая рекуперация СВЧ-энергии выходного СВЧ-сигнала на частоте дополнительного сигнала позволяет увеличить КПД лампы бегущей волны линеаризованного усилителя, соответствующей предлагаемому изобретению, на 15-20% в относительных единицах в многосигнальном режиме работы с высоким электронным КПД и высокой линейностью характеристик при подаче на вход дополнительного сигнала.
ЛБВ, соответствующая предлагаемому изобретению, допускает также рекуперировать СВЧ-энергию сигналов от других источников СВЧ-сигналов в полосе рабочих частот электронного СВЧ-ускорителя (5).
Источники информации:
1. А.С. Гилмор-мл. Лампы с бегущей волной. // Перевод с английского А.Г. Кудряшова под редакцией Н.А. Бушуева. - Москва, Техносфера, 2013 г., 616 с.
2. Патент США №3764850 от 09.10.1973 г., МПК: Н01J 23/02. H.G. Kosmahl (NASA) / Electron beam controller.
3. Патент РФ №2706644 от 19.11.2019 г., МПК: H01J 25/34. Шалаев П.Д. / Лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи.