СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНОГО КАТОДА
MICROWAVE GENERATOR BASED ON VIRTUAL CATHODE

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) и высокочастотной (ВЧ) электронике и может быть использовано в локации, ВЧ-связи, науке, бытовой технике для генерации электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн.
Известен микроволновый генератор на основе виртуального катода [патент US №4150340, МПК H01J 25/74; Н03В 9/01, опубл. 17.04.1979], который включает в себя источник высоковольтных импульсов и генератор, выполненный в виде отражательного триода, вырабатывающего мощные импульсы высокочастотного излучения. Все основные элементы отражательного триода размещены внутри его корпуса, представляющего собой вакуумную камеру, в которую от источника высоковольтных импульсов импульсы высокого напряжения поступают через высоковольтный ввод (на фигурах не показан) и через анододержатель на анод. Параллельно аноду в корпусе с помощью катододержателя укреплен катод. Анод сделан из материала, который прозрачен для электронов с заданной энергией, что позволяет электронам, излучаемым катодом, колебаться, пересекая анод. Электроны, колеблющиеся в фазе, двигаются в потенциальной яме и испускают поток СВЧ-излучения. Анод изготавливают из токопроводящей сетки или тонкой пленки аллюминизированного МАЙЛАРа, а катод из углерода.
Основным недостатком этого устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД) преобразования энергии импульсов высокого напряжения в энергию импульсов генерируемого излучения. Это связано с тем, что хотя в п.4 формулы рассматриваемого изобретения для поддержания вакуума и обеспечения низкой индуктивности подвода потенциала предусмотрено электроды помещать в камеру для поддержания вакуума и обеспечения низкой индуктивности подвода потенциала, однако реальная индуктивность генератора велика и оценивается в несколько сотен наногенри.
Частично этот недостаток устранен во втором аналоге, который представляет собой отражательный триод на основе виртуального катода [патент RU №2134920, МПК H01J 25/68, опубл. 20.08.1999), который содержит источник питания, вакуумную камеру, внутри которой аксиально размещены катодный электрод и анодный электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода с зазором, канал вывода излучения с окном, причем анодный электрод дополнен электрически связанным с ним полым проводящим цилиндром, размещенным на диафрагме соосно с катодом, охватывая его с зазором.
Основным недостатком этого устройства является также низкий КПД генерируемого излучения, так как ожидаемое его увеличение по сравнению с КПД описанного выше первого аналога составляет примерно 20%.
-4
Аналогичным второму аналогу по КПД является выбранный за прототип сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода [патент RU №2321098, МПК H01J 25/68, H01J 25/02, опубл. 27.03.2008, бюл. №9], который является наиболее близким к предложенному генератору по конструктивным особенностям. Этот известный генератор включает в себя вакуумированную систему, состоящую из корпуса с установленными в нем и подключенными к внешнему источнику питания катодом и анодной сеткой, образующими диодное пространство, за которым следует секция формирования виртуального катода со средством вывода излучения, причем в диодном пространстве до анодной сетки установлена полая диэлектрическая вставка, имеющая контакт с сеткой. Вакуумирование осуществляют до давления остаточного газа не более 10 торр.
Основным недостатком этого генератора является сравнительно низкий КПД генерируемого излучения.
Техническим результатом предложенного решения является достижение КПД генерируемого излучения не менее 50% за счет снижения индуктивности работающего генератора на два порядка: с 200-300 нГн до нескольких нГн.
Указанный технический результат достигается тем, что в сверхвысокочастотном генераторе на основе виртуального катода, включающем вакуумированную систему, состоящую из выполненного с окном связи корпусом, в котором установлены электрически соединенный с корпусом катод и подключенная к внешнему источнику питания анодная сетка, за которой расположена область формирования виртуального катода, согласно предложенному решению перед анодной сеткой установлен конденсаторный изолятор, контактирующий своей наружной стороной с внутренней поверхностью корпуса, а внутренней стороной с наружной поверхностью конденсаторной обкладки, установленной внутри конденсаторного изолятора и электрически соединенной с анодной сеткой.
Целесообразно конденсаторную обкладку выполнять в виде нанесенного на внутреннюю поверхность конденсаторного изолятора токопроводящего слоя.
Основная идея предложенного технического решения заключается в том, что анод и катод размещают в той части вакуумированного корпуса, где возбужденное собственное колебание корпуса, как резонатора, имеет наибольшую амплитуду по сравнению с амплитудой в других частях корпуса. При этом эмитирующая поверхность катода и плоскость анода перпендикулярны электрической компоненте этого собственного колебания; электрическое поле, созданное внешним источником питания в анод-катодном промежутке, параллельно электрическому полю высокочастотного колебания, а суммарное электрическое поле осциллирует с частотой возбужденных собственных колебаний корпуса, изменяя эмиссию электронов из катода вплоть до полного ее запирания. Чтобы стали возможными быстрые изменения тока, в непосредственной близости от катода и анода размещают малоиндуктивный конденсатор, обкладки которого подключают к катоду и аноду. Функцию заземленной обкладки выполняет корпус, а потенциальный электрод (внутреннюю конденсаторную обкладку) отделяют от корпуса изолятором. В результате возникает участок цепи, параллельный анод-катодному промежутку, что исключает влияние индуктивности цепи источника питания. Когда эмиссия заперта, ток цепи источника питания частично заряжает конденсатор; при возобновлении эмиссии конденсатор частично разряжается, и ток разряда, складываясь с током цепи, создает ток эмиссии. Это вызывает глубокую модуляцию электронного пучка. Известно, что эффективное преобразование энергии происходит, если электронный пучок предварительно модулирован на частоте излучения (Лебедев И.В., Техника и приборы СВЧ, Москва, Энергия, 1964, т.2, с.459). Вывод высокочастотного излучения из генератора осуществляют любым известным способом: петлей, штырем или через окно связи.
-4
Пример конкретного выполнения предложенного генератора проиллюстрирован двумя рисунками. На фиг.1 приведен продольный разрез генератора, а на фиг.2 представлено его поперечное сечение. Генератор содержит внешний источник питания 1 и вакуумированную систему, внешним элементом которой является выполненный с окном связи 2 корпус, имеющий форму полого цилиндра 3, закрытого торцевыми крышками 4. На одной из крышек 4 внутри цилиндра 3 с помощью токопроводящего катододержателя 5 укреплен катод 6. Внутри цилиндра 3 установлен конденсаторный изолятор 7, контактирующий с внутренней поверхностью цилиндра. Центр катода 6 расположен на осевой линии цилиндра 3. Конденсаторный изолятор 7, выполненный из высокочастотной керамики, контактирует внутренней стороной с наружной поверхностью внутренней конденсаторной обкладки 8, установленной внутри конденсаторного изолятора 7 и электрически соединенной с анодной сеткой 9, жестко установленной с помощью кольцевого анододержателя 10 параллельно эмитирующей поверхности катода 6. Диаметр анодной сетки 9 выбирают больше диаметра эмитирующей поверхности катода 6. Катододержатель 5 служит также для регулирования зазора между катодом 6 и анодной сеткой 9, за которой формируется виртуальный катод 11. Кольцевой анододержатель 10 электрически соединен с внешним источником питания 1 проводником 12, который пропущен внутрь цилиндра 3 через изолятор токоввода 13. Окно связи 2 предназначено для вывода СВЧ энергии из вакуумированной системы. Корпус вакуумированной системы, конденсаторный изолятор 7 и конденсаторная обкладка 8 могут иметь в поперечном сечении также квадратную, прямоугольную, эллиптическую или другую форму. Внутренняя конденсаторная обкладка 8 может быть выполнена любым известным способом, в том числе в виде нанесенного на внутреннюю поверхность конденсаторного изолятора 7 токопроводящего слоя. В системе установлено разрежение не выше 10 торр. Источник питания генерирует импульсное, периодическое или постоянное напряжение положительной полярности.
Генератор работает следующим образом. При подаче положительного напряжения от внешнего источника питания 1 на анодную сетку 9 создается электронный пучок, эмитируемый катодом 6. Электроны пересекают анодную сетку 9, формируют за ней виртуальный катод 11, продолжая колебаться между виртуальным катодом 11 и катодом 6, возбуждая высокочастотные электромагнитные колебания. Излучение выводится через окно связи 2.
В приведенном примере конкретного выполнения основные параметры генератора, подаваемого на него напряжения, длины волны излучения и КПД следующие:
внутренний диаметр цилиндра, см
10
анод-катодный зазор, мм
5÷10
диаметр катода, мм
20
подаваемое напряжение, кВ
1÷5
длина волны излучения, см
10÷12
Коэффициент полезного действия - не менее 50%, что выше, чем в существующих конструкциях в 2 раза и более.