ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
TRAVELLING-WAVE TUBE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной аппаратуре.
Уровень техники
Развитие многоцелевой радиолокации дальней тропосферной и космической связи современных средств радиоэлектронного подавления (РЭП) информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ колебаний большой мощности свыше 100 Вт.
Наиболее перспективными электровакуумными приборами, позволяющими создать такие усилители, являются лампы бегущей волны О - типа с продольными электрическим и магнитными полями. Благодаря распределенному по длине взаимодействию электронного потока с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе пучка. Коэффициенты усиления при необходимости могут достигать 60 дБ и более. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивают усиление в широкой полосе частот, достигающей двух и более октав. Мощные ЛБВ непрерывного и импульсного режимов относятся к наиболее быстро развивающейся группе СВЧ приборов. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. При переходе к средним мощностям порядка киловатт и более приходится переходить к резонаторным замедляющим системам, которые при использовании в ЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот (обычно не более 10%). В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяют замедляющие системы в виде цепочек резонаторов с индуктивной связью, выполненных в виде диафрагмированного круглого волновода. Соседние резонаторы связаны между собой через щели, прорезанные в диафрагмах. Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки, состоящие из предварительного усилителя (ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ без поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-15 дБ). В «прозрачной» ЛБВ также наиболее часто используют резонаторные замедляющие системы.
Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов с индуктивной связью. Электронный поток создается электронной пушкой. В замедляющей системе кинетическая энергия электронов преобразуется в СВЧ энергию. Пройдя через замедляющую систему, "отработанный" электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с волноводными СВЧ трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов.
Для ЛБВ с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов задача согласования последней с передающими линиями является одной из самых актуальных. Чрезвычайно сложно получить хорошее согласование замедляющей системы с передающими линиями во всей рабочей полосе. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах полосы пропускания. При этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители (например, из керамики марок КТ-30, АН-35Ж, ПМК, АН-МКХ), которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера). ЛБВ становится разделенной на отдельные секции. Причем характеристики секций можно варьировать, увеличивая, например, выходную мощность или выравнивая амплитудно-частотную характеристику ЛБВ.
Секционированные ЛБВ, в которых замедляющие системы состоят из цепочек связанных резонаторов, описаны в книге Кацмана Ю.А. "Приборы СВЧ. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов": Учебник для вузов по спец. "Электронные приборы". - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1983. - 368 с. и в патентах №2235384, 2290714, 2297687, 2313154, 2394303.
Мощная ЛБВ, описанная в книге Кацмана Ю.А., может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ трактов, фокусирующую систему в виде соленоида и коллектор, охлаждаемый водой. Входной резонатор замедляющей системы с винтами для подстройки согласования и выходной резонатор с согласующей диафрагмой образуют так называемые устройства согласования. В средней части замедляющей системы установлены поглотители с согласующими кольцами. В таком приборе можно получить коэффициент усиления несколько десятков дБ. Применение поглотителей существенно усложняет конструкции ЛБВ и ограничивает их рабочие полосы единицами процентов, а в миллиметровом диапазоне длин волн их применение практически не реализуемо.
Коэффициенты усиления «прозрачных» односекционных ЛБВ не превышают величины 15 дБ и их обычно используют в качестве выходного усилителя в усилительных цепочках. Использование в ЛБВ несколько секций без поглотителей, аналогичных «прозрачной» ЛБВ, каждая из которых «связана» по пучку и по СВЧ мощности (волноводный вывод первый секции подсоединен к входу второй секции и т.д.) позволит получить коэффициент усиления ЛБВ, равный несколько десятков дБ, сохраняя все преимущества «прозрачных» ЛБВ. Для устранения возбуждения ЛБВ между секциями требуется установить развязывающие устройства, например, ферритовые вентили или циркуляторы.
Сущность изобретения
Актуальной проблемой является создание мощных широкополосных ЛБВ с коэффициентом усиления порядка 40-50 дБ без применения поглотителей.
Указанная проблема решается следующим образом. Мощная ЛБВ содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, разделенную перегородками на отдельные секции без поглотителей, которые связаны между собой отрезками волноводов, магнитную систему, коллектор. Электронный поток создается электронной пушкой. Проходя через замедляющую систему, пучок тормозится в каждой секции и передает часть энергии электромагнитному полю. Выходной резонатор каждой секции подсоединен к входному резонатору последующей секции с помощью отрезка волновода. Для устранения влияния секций друг на друга в волновод включено развязывающее устройство, например, ферритовый вентиль или циркулятор. Это устройство позволяет СВЧ мощности проходить в прямом направлении и не позволяет - в обратном. Неиспользованная часть пучка попадает в коллектор. Входной волновод первой секции и выходной волновод последней секции, связанные с замедляющей системой через щель и отделенные от СВЧ трактов герметизирующими диэлектрическими перегородками, служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно. Отрезки волновода между секциями также связаны с замедляющей системой через щели и служат для передачи усиленного СВЧ сигнала предыдущей секции в каждую последующую секцию, начиная со второй. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящей из ряда электрических или постоянных магнитов. Значительно упрощается также задача получения хорошего согласования (коэффициент стоячей волны КСВн≤1,5) в рабочей полосе замедляющей системы, которая может существенно превышать 10%.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1. Лампа бегущей волны, состоящая из нескольких секций, в которых не используются поглотители, а секции связаны между собой отрезками волновода.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Лампа бегущей волны, показанная на фиг.1, содержит следующие устройства:
- электронную пушку 1;
- замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов 2;
- магнитную систему 3;
- коллектор 4;
- входной волновод 5;
- выходной волновод 6;
- устройство развязки 7;
- входная герметизирующая диэлектрическая перегородка 8;
- выходная герметизирующая диэлектрическая перегородка 9.
Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1), распространяется вдоль замедляющей системы, состоящей из нескольких секций (поз.2), и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля усиливаемой СВЧ волны, а также с продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым электрическими или постоянными магнитами (поз.3). Электронный пучок в процессе взаимодействия с СВЧ волной модулируется по скорости, что приводит к модуляции потока по плотности. Благодаря взаимной связи между СВЧ полем и электронным потоком при его движении от входа замедляющей системы к выходу этот процесс усиливается, а кинетическая энергия электронов при их торможении передается полю. В результате происходит усиление входного СВЧ сигнала, подаваемого со стороны входного отрезка волновода (поз.5). Мощность на выходе первой секции через отрезки волновода и развязывающее устройство (поз.7) передается во вторую секцию, из второй секции передается в следующую и т.д. Вывод СВЧ усиленного сигнала осуществляется через выходной волновод (поз.6). "Отработанный" электронный поток попадает в коллектор-рекуператор (поз.4), где неиспользованная кинетическая энергия частично «возвращается» источнику высокого напряжения вследствие ее рекуперации, а частично уходит в тепловую энергию.
Наличие связи секций прибора по СВЧ сигналу сокращает длину прибора или увеличивает выходную мощность по сравнению с прототипом за счет того, что во вторую и в следующие секции входит уже промодулированный пучок. Помимо этого, упрощается возможность выравнивания амплитудно-частотной характеристики прибора, т.к. пучок не испытывает расфазировки в начале второй и последующих секций в процессе раскачки СВЧ сигнала с нулевого уровня, как это имеет место в многосекционной лампе-прототипе с развязкой по СВЧ мощности в виде поглощающих устройств.