МОНОТРОННЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ ГЕНЕРАТОР С МАТРИЧНЫМ АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ
MONOTRON MICROWAVE GENERATOR WITH MATRIX FIELD EMITTER CATHODE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к миниатюрным вакуумным генераторам электромагнитных колебаний коротковолновой части СВЧ диапазона, например к монотронам.
Уровень техники в данной области характеризуется публикациями в общедоступной литературе, в том числе и сведениями, приведенными ниже.
m
0
0
Актуальной проблемой является разработка генераторов, работающих в коротковолновой части СВЧ диапазона. При этом необходимо, чтобы такие устройства имели малые габариты и массу и достаточную выходную мощность. Одним из простейших устройств для генерации колебаний является монотронный генератор, однако обычные монотронные генераторы имеют низкий КПД, при этом они имеют очень большой угол пролета, при котором коэффициент взаимодействия , где , E - максимальное значение амплитуды напряженности поля в области взаимодействия; γ=ω/ν - постоянная распространения; ν - скорость электронного потока; d - длина зазора взаимодействия), мал и эффективность работы прибора, определяемая величиной КПД мала. Например, известна конструкция однолучевого монотрона [Müller J.J. Un générateur à temps de transit utilisant un seul résonateur de volume / J.J. Müller, E. Rostas // Helv. Phys. Acta. 1940. Vol. 13. №3. P. 435-450], пространство взаимодействия которого представляет собой плоский сеточный зазор с однородным распределением электрического поля по направлению движения электронного потока от пушки до коллектора. Генератор имеет один полый однозазорный резонатор с плоским двухсеточным зазором. Однако такое устройство, несмотря на простоту конструкции, не нашло применения в виду низкого значения электронного КПД (1-2%) и малой выходной мощности.
Известна конструкция однолучевого СВЧ генератора - монотрона [Patent №2,269,456 US. Electron beam oscillator / W.W. Hansen. R.H. Variant. Prior. 22.01.1938. Publ. 13.01.1942], состоящая из электронной пушки, однозазорного резонатора, зазор которого образован двумя сетками, коллектора электронов, коаксиального вывода энергии. Резонатор такого прибора выполнен с переменным поперечным сечением, увеличивающимся по направлению к коллектору. Это обеспечивает неравномерное распределение электрического поля в пространстве взаимодействия резонатора монотрона и улучшает эффективность взаимодействия электронного потока с СВЧ полем резонатора. Однако и в этом случае распределение поля в резонаторе остается неоптимальным, что также не позволяет значительно повысить КПД.
Известна конструкция электровакуумного генератора с отражением электронного потока, например отражательного клистрона [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот / И.В. Лебедев. М.: Высшая школа, 1972. Т. 2. С. 172].
Этот прибор состоит из источника первичных электронов - термокатода, ускоряющего электрода - анода, объемного резонатора с сеточным зазором и отражателя, на который первичные электроны не попадают. Причем влияние вторичных электронов, выбиваемых первичными электронами из сетки, на общий ток пучка электронов невелико. Подобные устройства могут генерировать колебания дециметрового и сантиметрового диапазонов и позволяют получить мощность порядка долей ватта при электронном КПД до 2-3%.
Однако при работе в коротковолновой части микроволнового диапазона выходная мощность таких устройств уменьшается пропорционально квадрату рабочей частоты, а электронный КПД обычно не превышает одного процента.
При таком низком электронном КПД мощность накала термокатода становится сравнимой с выходной мощностью. Поэтому такие конструкции не нашли широкого применения в коротковолновой части микроволнового диапазона.
Известен диодный генератор монотронного типа с автоэмиссионным катодом [Yokoo К. Field Emission Monotron for THz Emission / K. Yokoo, T. lshihara // Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1997. Vol. 18. №6. P. 1151-1159]. Генератор состоит из матричного автоэмиссионного катода, анода, резонансной системы. Такой генератор имеет преимущества перед приборами с термонакальным катодом, так как не требует дополнительного источника питания. Однако подобный генератор также имеет достаточно низкий КПД и малую выходную мощность в коротковолновой части микроволнового диапазона.
Известен отражательный клистрон, включающий систему матричных автоэмиссионных катодов, ускоряющий электрод с отверстиями для пролета первичного электронного потока, однозазорный объемный резонатор, первый сеточный электрод, второй сеточный электрод, отражатель, на внутренней поверхности которого нанесено вторично-эмиссионное покрытие [Patent WO 2007/142419 A1. Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method / Jeon Seok Gy [et al.]. Prior. 02.06.2006. Publ. 13.12.2007]. В такой конструкции прибора первичный электронный поток получают посредством полевой эмиссии с матричного автоэмиссионного катода. При этом часть электронов, прошедших через ВЧ зазор однозазорного резонатора в положительный момент времени, имеют большую кинетическую энергию, поэтому они могут преодолевать тормозящее действие отражателя и попадать на его поверхность, на которую нанесено покрытие, имеющее высокий коэффициент вторичной эмиссии электронов. Обратный электронный поток состоит из электронов, образованных за счет вторично-электронной эмиссии и отраженных электронов. Суммарный поток будет иметь более высокую плотность тока, чем прямой электронный поток. При движении обратного потока в зазоре резонатора происходит взаимодействие сгруппированных сгустков электронов с ВЧ полем однозазорного резонатора.
Однако в данном СВЧ генераторе применен однозазорный резонатор, что не позволяет получить достаточно высокую эффективность взаимодействия электронного пучка с полем электромагнитной волны и ограничивает круг применения подобных устройств.
Для повышения КПД и выходной мощности автогенераторов, работающих в верхней части микроволнового диапазона, можно использовать гибридный прибор, в котором первая часть прибора - монотрон, вторая - отражательный клистрон.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является микроволновый электровакуумный генератор монотронного типа с отражательным электродом [Patent US 3339149 A. Reflector augmented monotron oscillator for microwave generator / C.E. Ward, D.R. Zangrando. Prior. 01.12.1965. Publ. 29.08.1967]. Прибор является гибридом монотрона и отражательного клистрона и работает в миллиметровом диапазоне длин волн.
СВЧ генератор монотронного типа с отражательным электродом включает в себя источник электронов, формирующий поток электронов, однозазорный резонатор с первым и вторым емкостным электродом, отражательный электрод, изолятор, обеспечивающий изоляцию по постоянному току между резонатором и отражателем. Электромагнитная энергия выводится через вакуумно-плотное диэлектрическое окно. Первый источник питания используется для накала подогревателя, второй источник питания включен между катодом и корпусом резонатора и используется для получения ускоряющего напряжения, третий источник питания включен между катодом и отражателем и обеспечивает подачу отрицательного потенциала на отражатель. Расстояние между сетками в приборе подбирается таким, чтобы угол пролета электронов соответствовал углу пролета классического монотрона 2π(n+1/4), где n=1, 2, 3, 4 и т.д.
В отличие от классического отражательного клистрона прибор способен работать в миллиметровом диапазоне. Свойственные прибору увеличенные размеры резонатора и большая длина зазора взаимодействия улучшают стабильность частоты при возможных вибрациях и изменениях температуры окружающей среды. К тому же уменьшается стартовая плотность тока и нагрузка на катод.
Однако такие устройства, несмотря на гибридный механизм работы на очень коротких длинах волн, также работают неэффективно. Выходная мощность таких приборов мала, к тому же наличие накального катода приводит к тому, что мощность накала становится сравнимой с выходной мощностью прибора.
Одним из путей увеличения выходной мощности и КПД подобных приборов является переход к многолучевым конструкциям и замена термонакального катода на автоэмиссионный катод. Но известные автоэмиссионные устройства имеют существенный недостаток, они обладают малым током пучка. Известны устройства, в которых для увеличения тока электронного потока на отражательный электрод наносят вторично-эмиссионное покрытие. Однако этот метод увеличения тока пучка реализован только для отражательного клистрона.
эфф
н
0
Для того чтобы такие приборы работали в коротковолновой части СВЧ диапазона, эффективное характеристическое сопротивление резонатора R должно быть близко к единице, т.е. выполняться условие [Хайков А.З. Клистронные усилители / А.З. Хайков. М.: Связь, 1974. 392 с.]: , где ρ - характеристическое сопротивление резонатора; M - коэффициент взаимодействия; Q - нагруженная добротность резонатора; R - сопротивление электронного потока.
2
2
Поскольку токи и напряжения в подобных приборах малы, необходимо очень большое значение ρM, которое для обычных однозазорных резонаторов не реализуется. Поэтому в коротковолновой части СВЧ диапазона перспективно использование многозазорных резонаторов, с числом зазоров N>2, у которых ρM увеличивается пропорционально квадрату числа зазоров.
0
0
0
0
При N=3 можно увеличить сопротивление луча R=U/I в 3 раза. Следовательно, при выбранной величине ускоряющего напряжения можно снизить ток в соответствующее число раз. При этом ускоряющее напряжение U определяется из теории клистрона:
,
0
0
0
0
a
где ω=2πf - круговая частота; γ=ω/ν, ν - скорость электронного потока;  - радиус; U - ускоряющее напряжение.
a
a
2
7
При этом радиус  задается из условия технической реализации на выбранной рабочей частоте. Поэтому, есть ограничение, связанное с технической реализацией радиуса пролетного канала  и выбором угла пролета из этого условия. Следовательно, увеличение параметра ρM в 9 раз позволяет снизить ток луча в соответствующее число раз. Поэтому актуален переход от классических монотронов, работающих в коротковолновой части СВЧ диапазона, к монотронам с автоэмиссионным катодом. При этом для получения высокого КПД распределение поля в трех зазорах должно быть нарастающим по ходу движения электронного потока [Патент №2474914. РФ, МПК H01J 25/74. Мощный СВЧ-генератор монотронного типа / В.А. Царев, Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко. Заявл. 11.08.2011; опубл. 10.02.2013], а малый ток луча можно компенсировать за счет вторичной эмиссии с поверхности отражателя.
Задачей заявляемого технического решения является разработка гибридного многолучевого монотронного микроволнового генератора с многоканальным распределенным резонатором, способного работать в терагерцовом диапазоне в режиме повышенного КПД и выходной мощности.
Техническим результатом изобретения является увеличение КПД и выходной мощности монотронного микроволнового генератора.
Поставленная задача решается тем, что в монотронном микроволновом генераторе, включающем источник электронов, однозазорный резонатор, пространство взаимодействия в котором образовано первым и вторым емкостными электродами с отверстиями для прохождения электронного потока, отражатель, изолятор, источники питания, устройство вывода СВЧ энергии, согласно предлагаемому техническому решению источник электронов выполнен в виде группы отдельных автоэмиссионных матриц, расположенных на общем катодном основании; в пространство между вторым емкостным электродом и отражательным электродом введен двухзазорный резонатор с центральным и третьим емкостными электродами, снабженными отверстиями для прохождения электронного потока, выполненныеми соосно пролетным отверстиям в первом и втором емкостных электродах однозазорного резонатора, при этом центральный емкостный электрод расположен на керамической подложке, подвешенной между вторым и третьим емкостными электродами, и соединен с корпусом двухзазорного резонатора тремя ленточными проводниками, два из которых расположены симметрично относительно центрального емкостного электрода на поверхности керамической подложки, со стороны второго емкостного электрода однозазорного резонатора и вместе с этим электродом образуют полуволновый резонансный контур, а третий ленточный проводник расположен на поверхности керамической подложки со стороны третьего емкостного электрода двухзазорного резонатора и образует с этим электродом четвертьволновый резонансный контур; второй емкостной электрод резонатора содержит отверстия связи, обеспечивающие электромагнитную связь между однозазорным и двухзазорным резонаторами; однозазорный резонатор выполнен с разрывом по высокой частоте через блокировочную емкость, образованную между боковой частью первого емкостного электрода и корпусом резонатора.
В одном из частных вариантов, отражательный электрод выполнен с покрытием вторично-эмиссионного материала со стороны третьего емкостного электрода.
В одном из частных вариантов, корпус прибора выполнен из диэлектрического материала и имеет на его внутренней стороне металлизированное покрытие.
В одном из частных вариантов, отверстия для пролета электронного потока в емкостных электродах представляют собой крупноячеистую сетку, с диаметрами, соответствующими диаметру автоэмиссионных матриц.
В одном из частных вариантов, пролетные отверстия первого емкостного электрода, второго емкостного электрода, третьего емкостного электрода и центрального емкостного электрода закрыты мелкоячеистой сеткой.
В одном из частных вариантов, количество отверстий связи во втором емкостном электроде выбрано равное двум, при этом они расположены симметрично относительно отверстий для прохождения электронного потока и выполнены фасолеобразной формы.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении используется распределенная резонансная система, в которой реализуется нарастающее высокочастотное поле. При этом для реализации малого нарастающего поля используется однозазорный резонатор с высокочастотным зазором, образованным первым и вторым емкостными электродами. Однозазорный резонатор представляет собой так называемый катодный резонатор.
Установка дополнительного двухзазорного резонатора с размещенной внутри него подвешенной диэлектрической подложкой и расположенными на ней ленточными проводниками на двух сторонах, позволяет усилить неоднородность поля в резонаторе.
В результате, в данном монотроне осуществляется трехстадийная модуляция электронного потока: первая стадия - однозазорный резонатор; вторая стадия - двухзазорный резонатор, причем первичное возбуждение монотронных колебаний происходит в однозазорном резонаторе, далее эти осцилляции усиливаются в двухзазорном резонаторе; третья стадия - отражательный механизм, реализованный с помощью отражательного электрода прибора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема монотронного микроволнового генератора с матричным автоэмиссионным катодом, на фиг. 2 показан центральный емкостный электрод и ленточный проводник, размещенные на подвешенной керамической подложке (а - четвертьволновый резонансный контур, б - полуволновый резонансный контур), на фиг. 3 показан второй емкостный электрод с отверстиями для пролета электронов в виде крупноячеистой сетки и фасолеобразными отверстиями связи между однозазорным резонатором и двухзазорным резонатором, на фиг. 4. показан, как вариант, второй емкостной электрод с отверстиями для пролета электронов в виде мелкоячеистой сетки, на фиг. 5 показан, как вариант, центральный емкостной электрод, закрытый мелкоячеистой сеткой.
zm
m
m
m
m
На фиг. 6 приведены относительные зависимости величины напряженности электрического поля (E/E) на противофазном виде колебаний в зазорах однозазорного и двухзазорного резонаторов от относительной продольной координаты Z/Z, где E - максимальная амплитуда напряженности электрического поля в объемном резонаторе, Z - максимальная координата в пространстве взаимодействия резонаторов в продольном направлении.
zm
m
m
На фиг. 7 приведены относительные зависимости величины напряженности электрического поля (E/E) на синфазном виде колебаний в зазорах однозазорного и двухзазорного резонаторов от относительной продольной координаты Z/Z.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - катодное основание, 2 - система матричных автоэмиссионных катодов, 3 - первый емкостный электрод, 4 - блокировочная емкость, 5 - однозазорный резонатор, 6 - второй емкостной электрод, 7 - отверстия связи, 8 - двухзазорный резонатор, 9 - первый ленточный проводник, 10 - подвешенная керамическая подложка, 11 - третий ленточный проводник, 12 - центральный емкостной электрод, 13 - третий емкостной электрод, 14 - изолятор, 15 - отражательный электрод (отражатель), 16 - автоэмиссионное покрытие отражателя, 17 - устройство связи с внешней нагрузкой, 18 - источник питания отражателя, 19 - источник ускоряющего напряжения, 20 - второй ленточный проводник, 21 - источник вытягивающего напряжения, 22 - мелкоячеистая сетка.
Микроволновый генератор включает в себя источник электронов, выполненный в виде системы матричных автоэмиссионных катодов, размещенных на катодном основании 1, с числом автоэмиссионных катодов, соответствующих числу каналов для пролета электронов. Система матричных автоэмиссионных катодов подключена к источнику питания 21, который является источником вытягивающего напряжения.
Высокочастотный зазор однозазорного резонатора 5 образован первым 3 и вторым 6 емкостными электродами. Однозазорный резонатор 5 посредством блокировочных емкостей 4 отделен от подложки 1 и первого емкостного электрода 3.
Один из выводов источника вытягивающего напряжения 21 подключен к первому емкостному электроду 3, который имеет каналы для пролета электронного потока, например, в виде крупноячеистой сетки. Источник ускоряющего напряжения 19, обеспечивающий дополнительное ускорение электронного потока перед входом его в двухзазорный резонатор 8, включен между первым емкостным электродом 3 и корпусом двухзазорного резонатора 8. Вывод источника ускоряющего напряжения 19, соединенный с резонатором 8, заземлен. Источник питания 18 отражателя 15 подключен между корпусом двухзазорного резонатора 8 и отражателем 15 и обеспечивает тормозящее поле для электронов. Изолятор 14 разделяет по постоянному току отражатель 15 и корпус двухзазорного резонатора 8. Во втором емкостном электроде 6 выполнены отверстия 7, расположенные симметрично относительно каналов для пролета электронов, имеющие фасолеобразную форму и служащие элементами связи между однозазорным резонатором 5 и двухзазорным резонатором 8. Во втором емкостном электроде 6 выполнены также каналы для пролета электронного потока, представляющие собой, например, крупноячеистую сетку. Между вторым емкостным электродом 6 и третьим емкостным электродом 13 размещена подвешенная керамическая подложка 10, которая закреплена на корпусе двухзазорного резонатора 8. На подвешенной керамической подложке 10 размещен центральный емкостный электрод 12, который соединен с корпусом двухзазорного резонатора 8 посредством трех ленточных проводников 9, 11, 20. При этом ленточные проводники 9, 20 расположены симметрично относительно центрального емкостного электрода 12 на поверхности диэлектрической подложки, обращенной ко второму емкостному электроду 6 однозазорного резонатора, и образуют полуволновый резонансный контур. Третий ленточный проводник 11 расположен на поверхности диэлектрической подложки, обращенной к третьему емкостному электроду 13 двухзазорного резонатора 8, образует четвертьволновый резонансный контур. Центральный емкостной электрод 12 также имеет каналы для пролета электронов, например, в виде крупноячеистой сетки. Между центральным емкостным электродом и отражателем расположен третий емкостный электрод 13, соединенный с корпусом двухзазорного резонатора и имеющий каналы для пролета электронов в виде крупноячеистой сетки.
Корпус прибора может быть выполнен из диэлектрического материала и снабжен на его внутренней стороне металлизированным покрытием.
Поверхность отражательного электрода 15 со стороны третьего сеточного электрода может быть снабжена вторично-эмиссионным покрытием 16, которое имеет высокий коэффициент вторичной эмиссии электронов, например пленкой алмаза.
Отверстия для пролета электронного потока, выполненные в первом, втором, третьем и центральном емкостном электродах, могут представлять собой крупноячеистую сетку с диаметрами отверстий, соответствующими диаметру отдельных автоэмиссионных катодов.
Пролетные отверстия первого емкостного электрода, второго емкостного электрода, третьего емкостного электрода и центрального емкостного электрода могут быть закрыты мелкоячеистой сеткой.
Весь прибор находится в вакуумной оболочке. Вывод СВЧ энергии в приборе осуществляется через устройство связи с внешней нагрузкой 17, представляющее собой вакуумно-плотное диэлектрическое окно в корпусе двухзазорного резонатора 8.
Прибор работает следующим образом.
Между системой матричных автоэмиссионных катодов 2 и первым емкостным электродом 3 прикладывают вытягивающее напряжение, в результате которого с системы матричных автоэмиссионных катодов 2 осуществляется автоэлектронная эмиссия. Электронный поток, эмитированный системой матричных автоэмиссионных катодов 2, ускоряется под воздействием вытягивающего напряжения.
В такой конструкции прибора первичный электронный поток получают посредством полевой эмиссии с матричных автоэмиссионных катодов. Прибор с холодным катодом имеет важное преимущество, которое заключается в малой потребляемой мощности. В данном устройстве не требуется нагрев катода, и, таким образом, это упрощает его конструкцию.
При прохождении электронного потока через однозазорный резонатор 5 в прямом направлении происходит первичное возбуждение монотронных колебаний, далее эти осцилляции усиливаются в двухзазорном резонаторе 8.
При этом начальное возбуждение однозазорного резонатора 5 электронным потоком осуществляется за счет хаотических автоколебаний электронов, возбуждающих однозазорный резонатор 5 на 2π-виде колебаний.
Электромагнитная связь между однозазорным резонатором 5 и двухзазорным резонатором 8 осуществляется через фасолеобразные отверстия связи 7.
Модулированный электронный поток, пройдя далее через отверстия для пролета электронного потока второго емкостного электрода 6, ускоряется под действием ускоряющего напряжения источника питания 19, который подключен между первым емкостным электродом 3 и корпусом двухзазорного резонатора 8. При прохождении электронного потока через двухзазорный резонатор 8 происходит его взаимодействие с полями двух высокочастотных зазоров.
На отражательный электрод 15 прибора подается отрицательный потенциал относительно корпуса двухзазорного резонатора 8 с помощью источника питания отражателя 18, в результате чего электроны после пролета третьего емкостного электрода 13 двигаются сначала в сторону отражателя 15, затем возвращаются в зазоры двухзазорного резонатора 8. Отражатель 15 обеспечивает высокий отрицательный потенциал относительно напряжения на двухзазорном резонаторе 8, что способствует механизму группирования электронного потока, который добавляется к механизму монотронного группирования и приводит к возрастанию КПД СВЧ генератора. На отражатель 15 нанесено вторично-эмиссионное покрытие 16. На вторично-эмиссионное покрытие отражателя 16 попадают только самые быстрые электроны. Эти электроны вызывают вторично-электронную эмиссию, увеличивая общий поток отраженных электронов. Таким образом, поверхность отражателя 16 играет роль вторичного катода, испускающего вторичные электроны. В силу наличия вторичной электронной эмиссии с отражателя 15 в данном генераторе присутствует эффект «усиления» электронного луча, то есть вторичные электроны ускоряются в области между отражателем 15 и двухзазорным резонатором 8, усиливая электронный поток первичных электронов. Электронные сгустки, сформированные в области отражателя 15, попадают в область взаимодействия двухзазорного резонатора в соответствующей фазе высокочастотного поля для оптимального взаимодействия и передачи энергии электронного пучка СВЧ полю резонатора.
Оптимальный фазовый угол определяется для каждой зоны генерации настройкой напряжения отражателя на максимальную мощность в каждой зоне генерации. Для оптимальной передачи энергии электронного потока СВЧ полю относительная электронная проводимость должна быть отрицательной.
В двухзазорном резонаторе 8 возможно взаимодействие электрического высокочастотного поля объемного резонатора с электронным потоком либо на π-виде колебаний (противофазный вид), либо на 2π-виде колебаний (синфазный вид). Расположенные на керамической подложке полуволновый и четвертьволновый резонансные контуры в виде ленточных проводников 9, 11, 20 обеспечивают неоднородное электрическое поле в двухзазорном резонаторе. При этом максимальные амплитуды напряженностей электрического поля в соответствующих высокочастотных зазорах увеличиваются от зазора однозазорного резонатора ко второму зазору двухзазорного резонатора (фиг. 6, 7).
Неоднородное распределение высокочастотного электрического поля в пространстве взаимодействия генератора улучшает эффективность взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем резонаторов по сравнению с классическим монотроном на основе однозазорного резонатора с однородным высокочастотным полем в зазоре.
Таким образом, использование в приборе последовательно соединенных однозазорного и двухзазорного резонаторов позволяет получить распределенную трехзазорную систему с нарастающим высокочастотным электрическим полем, с малой амплитудой в однозазорном резонаторе и большой в двузазорном, а использование ленточных полосковых проводников, образующих полуволновую и четвертьволновую резонансную систему позволяет получить более неоднородное распределение высокочастотного электрического поля на противофазном виде колебаний (фиг. 6) и синфазном виде колебаний (фиг. 7) и, в свою очередь, более высокий КПД при уменьшенных массогабаритных характеристиках.
Возможна также конструкция прибора (фиг. 4, 5), в которой для более эффективной работы в терагерцевом диапазоне пролетные отверстия первого емкостного электрода, второго емкостного электрода, третьего емкостного электрода и центрального емкостного электрода покрыты мелкоструктурной сеткой.