Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство
SUPERHIGH-FREQUENCY CYCLOTRON PROTECTIVE DEVICE

Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно к устройствам защиты от воздействия входной мощности большого уровня в СВЧ-радиоприемных устройствах, в частности в приемниках радиолокационных станций 8-миллиметрового диапазона длин волн.
В современных радиолокационных станциях (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны быть надежно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при предельно малом времени восстановления параметров после окончания СВЧ-импульса.
По всей совокупности указанных требований наиболее перспективными являются циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), работающие на быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока. Они обладают рядом технических преимуществ перед твердотельными и газоразрядными защитными устройствами: уникально малым (порядка наносекунд) временем срабатывания и восстановления режима работы после окончания импульса большой мощности, высоким уровнем допустимой входной мощности (до нескольких десятков киловатт в импульсе), малыми потерями сигнала, низким уровнем шума, линейностью амплитудной и фазовой характеристик.
Физический принцип работы ЦЗУ основан на взаимодействии СВЧ-поля резонаторов с протяженным емкостным зазором с полем БЦВ электронного потока, связанной с вращением электронов в продольном магнитном поле с циклотронной частотой , где η=e/m - отношение заряда электрона к его массе, В - индукция продольного магнитного поля. Взаимодействие СВЧ-полей резонаторов с БЦВ электронного потока происходит на частоте входного сигнала , совпадающей с циклотронной частотой  и собственной частотой резонаторов в центре рабочей полосы частот .
В настоящее время созданы ЦЗУ см-диапазона длин волн на частоте до  и соответственно индукцией поля В=0.35 Тл, которые широко применяются в приемных устройствах РЛС см-диапазона и обеспечивают их эффективную защиту от воздействия входной мощности большого уровня в условиях радиопротиводействия.
Актуальной задачей является создание ЦЗУ для защиты приемников РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн на частоте  с уровнем индукции поля B=1.3 Тл [1]. Однако в настоящее время ЦЗУ для этого частотного диапазона не разработаны.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является ЦЗУ 3-сантиметрового диапазона длин волн [2, 3].
Устройство-прототип [2, 3] содержит ленточный катод, фокусирующий электрод, установленный перед катодом и выполненный в форме прямоугольной пластины с краями, загнутыми под прямым углом по направлению к катоду, анод, резонаторную систему с входным и выходным объемными резонаторами с собственной частотой, равной циклотронной частоте  на частоте входного сигнала  в центре рабочей полосы частот . Резонаторы взаимодействуют с БЦВ электронного потока и имеют однонаправленную связь друг с другом через электронный поток, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала. Взаимодействие СВЧ-полей резонаторов с БЦВ электронного потока происходит на частоте входного сигнала  в центре рабочей полосы частот, равной циклотронной частоте  в продольном магнитном поле с индукцией В=0.35 Тл. Магнитное поле создается с помощью магнитной системы на постоянных магнитах, намагниченных в продольном направлении распространения электронного потока, установленных на противоположных внутренних стенках прямоугольного магнитопровода и снабженных полюсными наконечниками. Коллектор электронов представляет собой полый цилиндр с закрытым дном и входным прямоугольным отверстием для пропускания ленточного электронного потока, установленный внутри полости полюсного наконечника для обеспечения его магнитной экранировки от магнитного поля в междуполюсном зазоре.
Недостаток ЦЗУ-прототипа связан с тем, что он работает в ограниченной области рабочих частот см-диапазона длин волн. Для работы ЦЗУ в другом частотном диапазоне и, а именно, в приемниках РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн (, B=1.3 Тл) необходимы изменения конструкции его основных узлов, включая магнитную, резонаторную и коллекторную системы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение частоты ЦЗУ и расширение области применения ЦЗУ в приемниках РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн для защиты их от воздействия входной мощности большого уровня.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит ленточный катод, фокусирующий электрод, установленный перед катодом и выполненный в форме прямоугольной пластины с краями, загнутыми под прямым углом по направлению к катоду, анод, резонаторную систему с входным и выходным объемными резонаторами, имеющими однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и осуществляющими взаимодействие с быстрой циклотронной волной электронного потока, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, коллектор электронов, магнитную систему на постоянных магнитах, продольно намагниченных вдоль направления распространения электронного потока, установленных на противоположных внутренних стенках прямоугольного магнитопровода и снабженных полюсными наконечниками. Магнитная система содержит четыре дополнительных магнита, намагниченных в направлении, перпендикулярном направлению распространения электронного потока, причем каждый магнит расположен между боковыми стенками полюсного наконечника и магнитопровода и прилегает к ним магнитным полюсом, одноименным полюсу продольно намагниченного постоянного магнита. Коллектор электронов выполнен в виде двух тонких взаимно параллельных пластин на проволочном держателе, установленном в цилиндрической полости полюсного наконечника, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению распространения ленточного электронного потока вдоль его ширины.
Применение в магнитной системе четырех дополнительных магнитов, намагниченных в направлении, перпендикулярном направлению распространения электронного потока, расположенных между боковыми стенками полюсного наконечника и магнитопровода, прилегающих к ним магнитным полюсом, одноименным полюсу продольно намагниченного постоянного магнита, позволяет сформировать однородное продольное магнитное поле, необходимое для обеспечения работы предлагаемого ЦЗУ на более высокой частоте в 8-миллиметровом диапазоне длин волн.
Выполнение коллекторного узла в виде двух тонких взаимно параллельных пластин, закрепленных на проволочном держателе, установленном внутри цилиндрической полости в коллекторном полюсном наконечнике, ось которой ориентирована перпендикулярно направлению распространения электронного потока, вдоль его ширины обеспечивает эффективную магнитную экранировку коллектора от магнитного поля и тем самым улучшает шумовые параметры предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн, где:
- ленточный катод 1;
- фокусирующий электрод 2;
- анод 3;
- входной резонатор 4;
- выходной резонатор 5;
- электронный поток 6;
- тракт передачи сигнала 7;
- коллектор электронов 8;
- постоянный магнит с продольной намагниченностью 9;
- прямоугольный магнитопровод 10;
- полюсный наконечник 11;
- дополнительный магнит с поперечной намагниченностью 12.
На фиг. 2а показана магнитная система предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн (объемный фрагмент 1/4 части), где:
- постоянный магнит с продольной намагниченностью 9;
- прямоугольный магнитопровод 10;
- полюсный наконечник 11;
- дополнительный магнит с поперечной намагниченностью 12.
На фиг. 2 (б) показан график функции распределения продольной составляющей индукции поля вдоль оси магнитной системы (X=Y=0), где
- Bz - индукция магнитного поля.
На фиг. 3 показан коллектор предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн (объемный фрагмент 1/2-части) (а) и его проекция на плоскость (Y=0) (б), где:
- коллектор электронов 8;
- полюсный наконечник 11;
- коллекторные пластины 13;
- проволочный держатель коллектора 14;
- цилиндрическая полость 15.
На фиг. 4. показано распределение плотности тока по поперечному сечению ленточного электронного потока в предлагаемом ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн.
Устройство содержит последовательно расположенные друг за другом фокусирующий электрод 2, ленточный катод 1, анод 3, входной резонатор 4 и выходной резонатор 5 с трактами передачи сигнала 7, имеющие однонаправленную связь друг с другом через ленточный электронный поток 6, коллектор 8. Магнитная система бронированного типа содержит прямоугольный магнитопровод 10, два постоянных магнита 9, установленных на двух противоположных внутренних стенках магнитопровода 10, намагниченных в одинаковом направлении распространения электронного потока 6 и снабженных полюсными наконечниками 11. Между боковыми стенками полюсных наконечников 11 и внутренними стенками магнитопровода 10 установлены четыре дополнительных магнита 12, каждый из которых намагничен в направлении, перпендикулярном направлению распространению электронного потока 6, и ориентирован своими магнитными полюсами таким образом, что прилегает к стенкам полюсных наконечников 11 и внутренним стенкам магнитопровода 10 магнитными полюсами, одноименными полюсам продольно намагниченных магнитов 9. Коллектор 8 установлен внутри цилиндрической полости 15 полюсного наконечника 11. Коллектор 8 представляет собой две параллельные коллекторные пластины 13, установленные на проволочном держателе коллектора 15.
Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство 8-миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.
В режиме пропускания входной сигнал поступает из тракта передачи сигнала 7 во входной резонатор 4. Под его воздействием в электронном потоке 6 возбуждается БЦВ электронного потока, которая передает энергию сигнала в выходной резонатор 5 и далее по тракту передачи сигнала 7 во внешнюю СВЧ-линию. В зазоре между полюсными наконечниками 11 направление магнитных потоков дополнительных магнитов 12 с поперечной намагниченностью совпадает с магнитным потоком магнитов 9 с продольной намагниченностью, что позволяет повысить величину индукции поля до уровня В=1.3 Тл для эффективного взаимодействие полей резонаторов 4, 5 с БЦВ электронного потока на центральной частоте  в 8-миллиметровом диапазоне длин волн. После взаимодействия с полями резонаторов 4, 5 электронный поток 6 поступает в коллектор 8. Благодаря электрической изоляции коллектора 8 и, следовательно, возможности подачи на него потенциала Uколл, многократно превышающего потенциал Uo резонаторов 4, 5 (Uколл»Uo), а также благодаря резкому спаду индукции поля в области коллектора 8 вследствие его магнитной экранировки устраняется возможность попадания в емкостной зазор выходного резонатора 5 вторично-эмиссионных электронов из облучаемой поверхности коллектора 8 (пластин 13 и держателя 14), которые вызывают шумовые «всплески» в рабочей полосе частот и ухудшают шумовые характеристики ЦЗУ.
Техническая возможность реализации предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн подтверждена методом компьютерного моделирования.
Моделирование выполнялось в декартовой системе координат XYZ на основе применения 3D-моделей магнитной и электронно-оптической систем с учетом действия собственного пространственного заряда ленточного электронного потока.
На объемном фрагменте 1/4 части магнитной система предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн, показанном на фиг. 2а, изображены части магнитопровода 10, постоянных магнитов 9 с продольной намагниченностью, полюсных наконечников 11, постоянных магнитов 12 с поперечной намагниченностью.
3
3
3
2
3
Плоские боковые и торцевые стенки магнитопровода 10 имеют размеры по координатам XYZ, равные соответственно 45×5×62 мм и 43×30×2 мм. Магниты 9 с продольной намагниченностью имеют одинаковые размеры 40×10×15 мм и установлены в плоскости продольной симметрии Y=0 магнитопровода 10. Магнит 9 прилегает одной плоскостью к внутренней торцевой стенке магнитопровода 10, а противоположной плоскостью к полюсному наконечнику 11. Полюсный наконечник 11 имеет форму пирамиды с плоскими боковыми стенками, обращенными в сторону боковых внутренних стенок магнитопровода 10. Со стороны магнитного зазора полюсные наконечники 11 имеют квадратную форму сечением 10×10 мм. Полюсные наконечники 11 обращены друг к другу своими вершинами и образуют междуполюсный зазор длиной 0<Z<Zk, где Zk=9.3 мм. В этом зазоре расположены: катод 1, фокусирующий электрод 2, анод 3, входной 4 и выходной 5 резонаторы. Между боковой стенкой магнитопровода 10 и плоской боковой стенкой полюсного наконечника 11 установлен магнит 12 с поперечной намагниченностью с размером 40×10×25 мм. Все магниты 9 и 12 изготовлены из сплава «самарий-кобальт», магнитопровод 10 и полюсные наконечники 11 - из стали «армко».
График функции распределения продольной составляющей индукции поля вдоль оси магнитной системы (X=Y=0) (фиг. 2б) показывает, что в данной магнитной системе формируется магнитное поле с индукцией на уровне Bz=1.3 Тл, близкое к однородному в области 0<Z<9.0 и резко спадающее в области коллектора 9.0<Z.
На объемном фрагменте 1/4 части предлагаемого ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн изображена конструкция коллекторного узла 8 (фиг. 3а). На фиг. 3б показана его проекция на плоскость Y=0. Коллектор 8 состоит из двух тонких взаимно параллельных пластин 13 на проволочном держателе 14, установленном на оси цилиндрической полости 15 внутри полюсного наконечника 11. Ось цилиндрической полости 15 с держателем 14 направлена вдоль координаты Y, т.е. вдоль ширины ленточного электронного потока 6 перпендикулярно направлению его распространения. Пластины 13 с держателем 14 электрически изолированы от коллекторного полюсного наконечника 11.
2
2
3/2
Распределение плотности тока по поперечному сечению ленточного электронного потока в предлагаемом ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн представлено на фиг. 4. Расчет проводился на разных расстояниях от плоскости полюсного наконечника 11, включая плоскость эмиттера (Z=3.3 мм), входную (Z=4.9 мм) и выходную (Z=6.1 мм) плоскости емкостного зазора входного резонатора 4, входную (Z=7.4 мм) и выходную (Z=8.6 мм) плоскости емкостного зазора выходного резонатора 5, а также входную плоскость (Z=9.3 мм) полюсного наконечника 11 с цилиндрической коллекторной полостью 15. Поперечные размеры (по координат X и Y) эмитирующей поверхности ленточного катода 1 равны 0.022×0.75 мм, емкостных зазоров входного 4 и выходного 5 резонаторов - 0.05×0.60 мм. Расчет выполнен при следующих заданных потенциалах: фокусирующего электрода 2 (Uф=-30В), анода 3 (Ua=+13B) входного и выходного резонаторов 4, 5 (Uo=+16B), коллектора 8 (Uколл=+250В). Расчетная величина тока (микропервеанса) ленточного электронного потока равна 186 мкА (2.9 мкА/В).
Приведенные результаты моделирования доказывают возможность качественной жесткой фокусировки сверхтонкого ленточного электронного потока с поперечными размерами, близкими к размерам эмитирующей поверхности катода без искажения его краев, что необходимо для реализации эффективного взаимодействия полей резонаторов с БЦВ электронного потока в предлагаемом ЦЗУ 8-миллиметрового диапазона длин волн.
Таким образом, частота предлагаемого сверхвысокочастотного циклотронного защитного устройства повышается по сравнению с прототипом в 4 раза, что необходимо для защиты приемников РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн от воздействия входной мощности большого уровня. Создание предлагаемого изобретения позволит реализовать известные преимущества ЦЗУ в РЛС 8-миллиметрового диапазона длин волн, повысить устойчивость их работы в условиях радиопротиводействия.
Источники информации
1. Ю.А. Будзинский, С.В. Быковский, И.И. Голеницкий, В.Г. Калина. Становление, развитие и перспективы СВЧ-приборов на циклотронном резонансе электронного потока. // Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. Часть 1. Вып. 3 (518). 2013 г. С. 136-142.
2. Патент Российской Федерации №2530746, МПК Н02Н 7/00. Опубликовано: 10.10.2014. Бюллетень №28.
3. И.И. Голеницкий, Н.Г. Духина, Е.И. Каневский. Комплексный расчет трехмерных электронно-оптических и магнитных фокусирующих систем ЭВП СВЧ. Раздел 4. Ленточный электронный поток в ЦЗУ. // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 2 (482). 2003 г. С. 60-65.