ВАКУУМНЫЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ СВЧ-ПРИБОР С ДЛИТЕЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ
VACUUM AMPLIFYING SHF UNIT WITH LONG-TERM FEEDBACK

Изобретение относится к области электронных приборов, в частности к вакуумным усилительным СВЧ-приборам, и может быть использовано, например, в лампах бегущей волны (ЛБВ).
у
у
у
у
Коэффициент усиления (К) СВЧ-приборов с длительным взаимодействием, например ЛБВ-усилитель, как правило, имеет заметный перепад в рабочей полосе частот. Обычно характеристика К в рабочей полосе частот имеет колоколообразную форму с максимальным значением в районе центра рабочего диапазона, так как взаимодействие между электронным пучком и электромагнитным сигналом (СВЧ-волной) именно в этой области для данных приборов наиболее оптимально. Такие параметры, например, как шумы напрямую зависят от величины К, поэтому снижение максимального усиления способствует снижению шумов. Часто рабочий диапазон частот ограничивается перепадом К, поэтому снижение его перепада в ряде случаев может вести к расширению рабочего диапазона частот.
Известны технические решения, направленные на уменьшение перепада коэффициента усиления (выравнивание) СВЧ-приборов в рабочей полосе частот.
у
Например, СВЧ-усилитель с применением на входе внешнего устройства (амплитудного корректора) [1], имеющего частотно-зависимую характеристику ослабления. Параметры корректора подбираются таким образом, чтобы характеристика корректора компенсировала неравномерность К усилительного прибора.
Достоинством данного решения является возможность уменьшения перепада практически любой частотной зависимости коэффициента усиления при выборе соответствующей конструкции корректора.
Недостатком является необходимость применения дополнительного устройства, а также повышение уровня собственных шумов за счет необходимости применения прибора с запасом по усилению, так как корректор уменьшает коэффициент усиления.
Известны устройства с замедляющей системой (ЗС), в которых выбор параметров ЗС, в том числе подбор оптимальной дисперсионной характеристики и изменения фазовой скорости электромагнитной волны вдоль длины прибора, обеспечивают уменьшение перепада коэффициента усиления (патент US 5162697, 1992.11.10; патент RU 2046442, 1995.10.20).
Достоинством данных методов является отсутствие наружных устройств, понижение уровня собственных шумов.
у
Недостатком является то, что в широкой рабочей полосе частот выровнять (уменьшить перепад) характеристику К невозможно.
Известно техническое решение (патент US 4358704, 1982.11.09), которое позволяет уменьшить перепад коэффициента усиления путем введения в ЗС спиральной ЛБВ секции с частотно-селективным поглощением в виде меандровой линии с большими потерями (частотно-селективный поглотитель).
Достоинством данного решения является практически полное выравнивание частотной характеристики коэффициента усиления.
Недостатком является сложность изготовления прибора такой конструкции, работающего в сантиметровом диапазоне частот.
Заявляемое техническое решение направлено на уменьшение перепада частотной характеристики коэффициента усиления СВЧ-прибора в рабочей полосе частот, расширение рабочей полосы частот, уменьшение собственных шумов прибора.
Технический результат достигается тем, что
1
2
вакуумный усилительный СВЧ-прибор с длительным взаимодействием и рабочим диапазоном частот от нижней частоты F до верхней F содержит электронно-оптическую систему, ввод и вывод СВЧ-энергии, замедляющую систему, разделенную на секции;
1
2
1
2
1
2
замедляющая система имеет, по крайней мере, одну секцию типа А, у которой в рабочем диапазоне частот прибора F-F=ΔF отсутствует разрыв в дисперсионной характеристике, и, по крайней мере, одну секцию типа Б, у которой в рабочем диапазоне частот ΔF присутствует разрыв в дисперсионной характеристике с полосой непропускания F′-F′=ΔF и центральной частотой непропускания Fц′=(F′+F′)/2,
1
1
2
2
причем F′>F и F′<F.
При этом замедляющая система может быть выполнена многоступенчатой, разделена на секции локальными поглотителями СВЧ-энергии, а секции частично или полностью совмещены с расположением локального поглотителя;
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
замедляющая система может быть типа спиральной, при этом вдоль продольной оси лампы в секции типа Б спираль выполнена в виде чередования участков длиной L с углом навивки φ и/или шагом h и длиной L с углом навивки φ и/или шагом h, причем φ≠φ и h≠h,
ц
первая и последняя секции могут быть выполнены вида А, а каждая секция вида Б может иметь свою полосу непропускания ΔF′ с центральной частотой непропускания F′.
Замедляющие системы СВЧ усилительных приборов представляют собой периодические структуры. У каждой ЗС существуют частотные полосы, в которых электромагнитные волны распространяются, и существуют полосы частот, в которых электромагнитные не распространяются. Таким образом, у дисперсионной характеристики зависимости замедления от частоты (или длины волны) существуют разрывы.
Известно, что на частотах, для которых в период системы укладывается целое количество полуволн, возможно появление разрывов в дисперсионных характеристиках. При этом в окрестностях частоты разрыва появляется полоса непропускания, ширина которой зависит от типа ЗС, а также от геометрических размеров секций ЗС и параметров материалов вдоль длины прибора.
у
1
2
у
На частотах, расположенных в полосе непропускания, не происходит взаимодействия электромагнитной волны и электронного пучка, так как СВЧ-волна здесь не распространяется. Если электронный пучок предварительно промодулирован по скорости, происходит дрейф сгустков электронов без усиления СВЧ-волны. Таким образом в районе максимального значения К можно получить уменьшение его значения в районе разрыва в дисперсионной характеристике с полосой непропускания F′-F′=ΔF, в то время как на краях рабочего диапазона частот значение К не изменится.
1
2
1
2
ц
1
2
1
1
2
2
Замедляющая система заявляемого СВЧ-прибора содержит, по крайней мере, одну секцию типа А, у которой в рабочем диапазоне частот прибора F-F=ΔF отсутствует разрыв в дисперсионной характеристике, и, по крайней мере, одну секцию типа Б, у которой ее геометрические размеры и/или параметры материалов вдоль длины обеспечивают в рабочем диапазоне частот ΔF разрыв в дисперсионной характеристике с полосой непропускания F′-F′=ΔF′ и центральной частотой непропускания F′=(F′+F′)/2, причем F′>F и F′<F.
Так как наличие полосы непропускания сопровождается полным отражением сигнала, то в случае необходимости вдоль ЗС располагают локальные поглотители, причем секции ЗС могут быть частично или полностью совмещены с расположением локального поглотителя.
у
у
у
Однако изменение К с частотой у усилительных приборов носит достаточно плавный характер. Полоса непропускания же носит резко очерченный характер. Поэтому для плавной компенсации изменения К необходимо применение нескольких (отдельных) секций типа Б с различной шириной полосы непропускания и возможно сдвига центральной частоты полосы непропускания относительно максимального значения К.
ц
Для модуляции скоростей электронного потока первую секцию прибора целесообразно выполнять без разрыва в дисперсионной характеристике. Для эффективного процесса передачи от электронного потока обратно в ЗС последнюю выходную секцию также целесообразно выполнять без разрыва в дисперсионной характеристике в рабочем диапазоне частот. Таким образом, для получения заданной характеристики коэффициента усиления СВЧ-прибора первая и последняя секции могут быть выполнены вида А, при этом каждая секция вида Б могут иметь свою полосу непропускания ΔF′ с центральной частотой непропускания F′.
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
В ЗС типа спиральной для получения разрыва в дисперсионной характеристике в рабочем диапазоне частот спираль можно выполнить в виде чередования участков длиной L с углом навивки φ и/или шагом h и длиной L с углом навивки φ и/или шагом h, причем φ≠φ и h≠h. Тогда на частотах, близких к частоте, для которой справедливо выражение: λ/2=nL+nL (где λ - длина волны в свободном пространстве, n и n - замедления для ЗС с шагом спирали соответственно h и h и/или углами навивки спирали φ и φ) появляется полоса непропускания, ширина которой определяется конкретными геометрическими размерами элементов ЗС, а также величинами и соотношениями между L, L, h, h φ, φ.
Для ЗС типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР) или ее модификаций характерно наличие полос пропускания и непропускания. Обычно, для работы используют одну из полос пропускания и работают в ней. По заявляемому техническому решению возможно применение естественного разрыва в дисперсионной характеристике таких ЗС с выбором конкретной конструкции соответственно для секций типа А и Б.
В более общем случае, получение полосы пропускания и непропускания в необходимом промежутке частот можно получить, используя, например, многоступенчатые ЗС [5, 6].
Для проверки технической реализуемости заявляемого решения были собраны макеты ЛБВ спирального типа, отличавшиеся от серийно-выпускаемого прототипа наличием в конструкции одной (для первого макета) и нескольких (для второго макета) участков типа Б.
На фиг.1 (а) показаны дисперсионные характеристики замедления (n) для спиральной ЗС, типа А (без полосы пропускания) и типа Б (с полосой непропускания). На фиг.1 (б) и (в) показаны различные варианты расположения полосы непропускания в рабочем диапазоне частот.
у
На фиг.2 приведены характеристики коэффициента усиления (К) и выходной мощности (Рвых) для СВЧ-прибора типа спиральной ЛБВ для экспериментальных образцов с использованием секции типа Б, с использованием нескольких секций типа Б и без использования таких секций.
у
у
у
Испытания экспериментальных образцов (фиг.2) показывают, что реализация заявляемого технического решения позволяет добиться значительного уменьшения перепада (выравнивания) частотной характеристики коэффициента усиления К в рабочем диапазоне частот. Полного выравнивания перепада К в рабочем диапазоне частот на данных макетах достичь не удалось. Такой результат возможен при дальнейшей более точной оптимизации параметров секций с разрывом в дисперсионной характеристике. На данных макетах было подтверждена возможность существенной корректировки величины К на необходимых участках рабочего диапазона частот при сохранении работоспособности прибора и сохранении других основных параметров.
Информация
1. Малютин Н.Д., Копылов А.Ф., Мухин С.В., Попов А.Р. Ризуненко В.И, Солнцев В.А., Сорокин Б.Г., Степанчук В.В. Корректоры амплитудных и частотных характеристик СВЧ электровакуумных приборов. Обзоры по электронной технике. Серия 1. «Электроника СВЧ», М., ЦНИИ «Электроника», 1990, вып.8 (1549).
2. Патент US 5162697, 1992.11.10.
3. Патент RU 2046442, 1995.10.20.
4. Патент US 4358704, 1982.11.09,
5. Замедляющие системы. Р.А.Силин, В.П.Сазонов, «Советское радио», 1966 г.
6. Периодические волноводы. Р.А.Силин, - М.: Фазис, 2002 г.