ГЕНЕРАТОР СВЧ КВАНТОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ
SHF QUANTUM GENERATOR BASED ON ELECTRON BEAMS

Изобретение основано на использовании энергии заряженной плазмы (электронных пучков) и может быть применено в системе электропитания, связи, управления, телеметрии и других системах мобильных аппаратов, а также в различных стационарных установках электроснабжения, связи, информационно-измерительных комплексах.
Известен генератор СВЧ колебаний (квантов) [см. «СВЧ генератор хаотических колебаний на основе электронных пучков», - «Успехи современной радиоэлектроники», №9, 2008. с.53…55], принятый в качестве прототипа.
Известный генератор содержит электронную пушку, создающую электронный пучок, часть энергии которого с помощью виртуального катода превращают в СВЧ кванты, коллектор и источник питания. В состав генератора входит также электродинамическая структура с электромагнитными датчиками, дающими информацию о генерируемых СВЧ квантах.
Недостатком прототипа являются то, что генератор позволяет получать СВЧ колебания сложной формы, занимающие широкую полосу частот. Это снижает отношение сигнал/шум и качество передаваемой информации по СВЧ-графику. Кроме того, при СВЧ-генерации методом виртуального катода используется незначительная часть (порядка 20%) энергии электронного пучка, т.к. увеличение отбора энергии из пучка вызывает прекращение СВЧ-генерации. Остальная часть энергии пучка поглощается коллектором за счет энергии источника питания, и на это непроизводительно расходуется электроэнергия, что существенно снижает КПД системы электропитания.
Задачей заявляемого изобретения является повышение качества информации, передаваемой по СВЧ-трафику, за счет повышения отношения сигнал/шум, а также устранение непроизводительных затрат электроэнергии и увеличение КПД системы электропитания.
Поставленная задача решается тем, что известный генератор СВЧ квантов на основе электронного пучка, создаваемого электронной пушкой, и электромагнитного датчика, дающего информацию о генерируемых СВЧ квантах, согласно техническому решению, дополнительно содержит электродуговой плазматрон с анодом и катодом, заполненный рабочей средой в виде разряженного газа и работающий на две электронные пушки, установленные по ходу электронных пучков; рабочие полости, имеющие двойной электрический слой, удерживающий электронный пучок в сжатом состоянии; электроды корректирующего напряжения, изолированные от рабочей полости; барьеры электронов с диэлектрическим и электропроводящим слоем, имеющим электрический контакт с соответствующим электродом корректирующего напряжения; каналы СВЧ квантов; приемо-передающую аппаратуру СВЧ-трафика; систему автоматического регулирования параметров генерируемых СВЧ квантов, которая включает в себя аналого-цифровой преобразователь, компаратор, программатор кодов СВЧ квантов, цифроаналоговый преобразователь; два параллельных резонансных контура рабочей частоты системы электропитания первичной цепи силового трансформатора-преобразователя, средняя точка которой соединена с катодом электродугового плазматрона и заземлена, причем анод плазматрона соединен с плюсовой клеммой электрической дуги системы электропитания, минусовая клемма электрической дуги заземлена, вторичная цепь силового трансформатора соединена с клеммами переменного напряжения рабочей частоты системы электропитания, клеммы электропитания цифровых блоков которой соединены с соответствующими клеммами электропитания цифровых блоков системы автоматического регулирования параметров СВЧ квантов, а электромагнитные датчики СВЧ квантов соединены с аналоговыми входами АЦП, цифровой выход которого соединен с соответствующим входом компаратора, другой цифровой вход которого соединен с выходом программатора кодов СВЧ квантов, выход компаратора соединен с цифровым входом ЦАП, аналоговые входы которого соединены с соответствующими резонансными контурами и выходными анодами электронных пушек, а выходы ЦАП соединены с соответствующими электродами корректирующего напряжения.
На чертеже представлена функциональная схема генератора СВЧ квантов на основе электронных пучков.
ЭП
p
К
Генератор СВЧ квантов на основе электронных пучков содержит электродуговой плазматрон 1 с анодом «А» и катодом «К», две электронные пушки 2, установленные по ходу электронных пучков 3, с выходным анодом А, которые формируют и модулируют рабочей частотой ω электронные пучки. Генератор СВЧ квантов также содержит две рабочие полости 5, на внутренней рабочей поверхности которых имеется двойной электрический слой, изолированные от рабочей полости 5 электроды 4 корректирующего напряжения U, барьеры электронов 6 с диэлектрическим слоем 6дс и электропроводящим слоем 6эс, имеющим электрический контакт с соответствующим электродом 4 корректирующего напряжения, каналы СВЧ квантов 7, в которых размещены электромагнитные датчики 8 СВЧ квантов, с помощью которых получают аналоговую информацию о генерируемых СВЧ квантах и приемо-передающую аппаратуру 9 СВЧ-трафика. В состав генератора СВЧ квантов входят система автоматического регулирования параметров СВЧ квантов, включающая аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 10, компаратор 11, программатор кодов (ПК) 12 СВЧ квантов, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 13; два резонансных контура тока 14, с которых аналоговое напряжение подается на ЦАП 13, силовой трансформатор-преобразователь (СТП) 16, средняя точка 15 первичной цепи которого соединена с катодом «К» электродугового плазматрона 1 и заземлена (соединена с корпусом) и система электропитания (СЭП) 17 мобильного аппарата.
р
ЭП
Анод «А» электродугового плазматрона 1 соединен с клеммой «+» электрической дуги ЭД системы электропитания 17, клемма «-» ЭД заземлена, электропитание блоков 10, 11, 12 и 13 подключено к соответствующим клеммам цифровых блоков «ЦБ» СЭП 17, а силовые клеммы переменного напряжения рабочей частоты ω соединены с вторичной цепью СТП 16. Резонансные контуры 14 соединены с выходными анодами А электронных пушек 2 и аналоговыми входами ЦАП 13. Электромагнитные датчики 8 соединены с аналоговыми входами АЦП 10. Цифровые выходы АЦП 10 и ПК 12 соединены с соответствующими цифровыми входами компаратора 11, выход которого соединен с цифровым входом ЦАП 13, а его выходы соединены с соответствующими электродами 4 корректирующего напряжения.
ЭП
а
р
ЭП
p
p
еП
r
o
еП
К
СВЧ
k
Работает данный генератор СВЧ квантов следующим образом. Подается необходимое напряжение на анод «А» и катод «К» электродугового плазматрона 1, герметичный объем которого заполнен рабочей средой - разряженным газом. Происходит ионизация рабочей среды электрической дугой между электродами «А» и «К» в ортогонально направленном полю электрической дуги (скрещенном с полем дуги) электрическом анодном поле А электронной пушки 2, создаваемым напряжением U, подаваемым с резонансного контура 14, настроенного в резонанс на циклическую рабочую частоту ω системы электропитания 17 мобильного аппарата. Под действием положительной полуволны анодного поля А электроны выходят из области электрической дуги, ускоряются, группируются в электронный пучок 3, модулированный рабочей частотой f=ω/2π. В рабочей полости 5 электронный пучок 3 удерживается в сжатом состоянии с помощью электрического поля двойного электрического слоя, имеющегося на рабочей поверхности, при этом сохраняется создаваемая силами Кулона и Лоренца энергия электронного взаимодействия, за счет которой в электронном пучке образуется дополнительный потенциал , где q - электрический заряд электронного пучка 3, ε, и ε - относительная и абсолютная диэлектрическая проницаемость пучка 3, r - среднее расстояние между электронами в пучке 3. Через электрод 4 воздействуют на пучок полем корректирующего напряжения U, которое необходимо для генерации СВЧ квантов с заданными параметрами, например, частотой (f=e·U/h, где - заряд электрона, h - постоянная Планка).
С помощью барьера электронов 6, содержащего диэлектрический слой 6дс, на поверхность которого нанесен электропроводящий слой 6эс, останавливают электроны пучка 3, и пропускают СВЧ кванты, которые распространяются в канале 7 СВЧ квантов и через приемо-передающую аппаратуру 9 используются в СВЧ-трафике. Остановленные электроны активируют электропроводящий слой 6эс и превращаются в ток электропроводимости и в соответствующее количество мощности системы электропитания 17.
К
К
a
еП
k
ЭЦ
a
еП
k
ЭЦ
ЭЦ
p
p
a
ЭП
К
СВЧ
ЭЦ
p
2
С помощью электромагнитных датчиков 8 отбирают из канала 7 аналоговую информацию о параметрах, например, о частоте генерируемых СВЧ квантов, преобразуют аналоговую информацию в цифровой код с помощью АЦП 10, сравнивают в компараторе 11 код генерируемых квантов с заданным в ПК 12 программным кодом и по результату сравнения кодов с помощью ЦАП 13 получают необходимое корректирующее напряжение U, подаваемое на электрод 4, образующий корректирующее поле для генерации электронами с энергией eU соответствующих СВЧ квантов с заданными в ПК 12 кодами. Остальная часть энергии e(U+U-U) пучка 3 каждым электроном отдается тормозящему полю электрода 4 и возвращается в электрическую цепь СЭП 17 в виде мощности S=(U+U-U)/Z, где - Z сопротивление электрической цепи СЭП 17, трансформированное СТП 16 в резонансные параллельные контуры 14, образованные первичными обмотками L СТП 16 и конденсаторами С, работающие в режиме резонанса токов на частоте ω, с которых подается напряжение U на аноды А электронных пушек 2 и создается с помощью ЦАП 13 напряжение U для электрода 4. Электроны пучка 3, создав электромагнитные колебания с частотой f для СВЧ-трафика и электрическую мощность S в СЭП 17 на циклической рабочей частоте ω, через среднюю точку 15 приходят на заряженный положительно катионами ионизированной рабочей среды катод «К» электродугового плазматрона 1 и рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой между анодом «А» и катодом «К» для очередного цикла генерации СВЧ квантов и создания электрической мощности в системе электропитания 17.
a
ЭП
p
СВЧ
p
СВЧ
При смене полярности полуволны напряжения U на анодах А электронных пушек 2, под действием положительной полуволны напряжения образуется электронный модулированный ω пучок 3, генерируются СВЧ кванты заданной частоты f и получают электрическую мощность циклической рабочей частоты ω в соответствующем плече симметричной электрической цепи генератора СВЧ квантов. Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока и энергии электронного пучка 3 в энергию СВЧ квантов (hf) для СВЧ-трафика и в электрическую мощность рабочей частоты системы электропитания 17.
ЭЦ
Таким образом, предлагаемый генератор СВЧ квантов на основе электронных пучков дает возможность создавать СВЧ кванты заданной частоты, что позволяет сузить полосу пропускания канала, повышая отношение сигнал/шум, а значит количество и качество передаваемой информации по СВЧ-трафику. Не использованную на генерацию СВЧ квантов энергию пучка 3, путем двухполупериодного преобразования в режиме резонанса токов превращают в соответствующую мощность электрической цепи S, повышая КПД системы электропитания 17.
еП
Кроме того, удержание электронного пучка 3 в сжатом состоянии электрическим полем двойного электрического слоя в рабочей полости 5 создает дополнительный потенциал U и соответствующее увеличение энергии электронного взаимодействия в пучке 3, которую также преобразуют в соответствующее количество электрической мощности СЭП 17, увеличивая КПД системы электропитания. Не использованную на генерацию СВЧ квантов полученную в СЭП 17 мощность можно использовать для электропитания других устройств и систем мобильного аппарата (МА), что в целом повышает КПД системы электропитания мобильного аппарата.