МНОГОЛУЧЕВАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ С ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМОЙ ТИПА ПЕТЛЯЮЩИЙ ВОЛНОВОД
MULTIPATH TRAVELING WAVE LAMP WITH A DECELERATING SYSTEM OF THE TWISTED WAVEGUIDE TYPE

Изобретение относится к области электронной техники, в частности, к лампам бегущей волны (ЛБВ) О-типа.
Известна однолучевая ЛБВ, содержащая электронную пушку, магнитную периодическую фокусирующую систему и замедляющую систему (ЗС) типа петляющий волновод в виде металлического волновода прямоугольного поперечного сечения, изогнутого так, что плоские участки его широких сторон многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС в плоскостях, перпендикулярных этой оси. В широких сторонах волновода имеются цилиндрические отверстия, образующие пролетный канал для прохождения электронного потока; ось пролетного канала совпадает с осью ЗС, при этом длина каждого из плоских участков широких сторон волновода, расположенных между его изгибами, приближенно равна 1/4 длины волны в волноводе на одной из частот рабочего диапазона частот. [Г.А. Азов, М.В. Ефремова, В.А. Солнцев, С.А. Хриткин // Моделирование импульсной лампы бегущей волны трехмиллиметрового диапазона длин волн / Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. №8. С. 788-793], [Kwang Но Jang, Jin Joo Choi, Jong Hyun Kim // Experiments on Sub-Teraherz Folded Waveguide Traveling Wave Tubes / IEEE 15th Intl. Vac. Electron. Conf. IVEC 2017, 01. Monday, 04. Novel Slow Wave Structures, ID312].
Такая конструкция ЛБВ имеет следующие недостатки. В сантиметровом диапазоне длин волн, из-за больших поперечных размеров прямоугольных волноводов, габаритные размеры ЗС типа петляющий волновод не позволяют применить периодическую магнитную фокусировку электронного потока в ЛБВ, а возможность его фокусировки постоянным магнитным полем ограничена из-за необходимости увеличения габаритных размеров и массы магнитной системы для достижения необходимой величины индукции магнитного поля на всей длине пролетного канала ЗС. В миллиметровом диапазоне длин волн ЗС типа петляющий волновод имеют низкое сопротивление связи (в рассматриваемом аналоге 2 Ома), соответственно, электронный КПД ЛБВ может достигать небольших значений, 1-7% (расчетное значение для рассматриваемого аналога примерно 6,5%). Диаметры пролетных каналов ЗС таких ЛБВ имеют размеры 0,2-0,5 мм из-за ограниченных размеров широкой стороны волновода. Это ограничивает возможность получения приемлемого токопрохождения электронных потоков с током более 20-100 мА в протяженных пролетных каналах ЛБВ из-за увеличения плотности тока в них до 100-1000 А/см и, соответственно, ограничивает возможность использования электронных потоков большой мощности. Низкие значения электронного КПД и мощности электронных потоков ограничивают возможность получения непрерывной выходной мощности более 10-50 Вт в таких однолучевых ЛБВ миллиметрового диапазона. Недостатком является также то, что питающие напряжения у однолучевых ЛБВ существенно выше, чем у многолучевых ЛБВ.
Известна ЛБВ, содержащая электронную пушку, магнитную фокусирующую систему с постоянным магнитным полем и ЗС типа петляющий волновод в виде металлического волновода прямоугольного поперечного сечения, изогнутый так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС в плоскостях, перпендикулярных этой оси, при этом длина каждого из плоских участков широких сторон волновода, расположенных между его изгибами, приближенно равна 1/4 длины волны в волноводе на одной из частот рабочего диапазона частот. ЗС содержит один пролетный канал прямоугольного поперечного сечения для прохождения ленточного электронного потока, что позволяет увеличить его ток и мощность при меньшей плотности тока электронного потока в пролетном канале по сравнению с цилиндрическими пролетными каналами. В ЗС больший размер пролетного канала ориентирован вдоль линий, перпендикулярных узким сторонам волновода [А.Д. Григорьев, А.С. Иванов, В.А. Ильин, В.В. Лучинин, В.Н. Титов // Проектирование лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов/ Электронная техника. Сер. 1. СВЧ - техника. Вып. 4 (527). 2015. С. 28-34].
Недостатком таких ЛБВ является то, что их выходная непрерывная мощность существенно ниже, а питающие напряжения существенно выше, чем у многолучевых ЛБВ. Другой существенный недостаток ЛБВ такой конструкции состоит в том, что значительная часть пролетного канала ЗС находится в волноводной области, удаленной от максимальной напряженности электрического поля, что снижает эффективность взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной в волноводе и КПД ЛБВ. Кроме этого, из-за вращения электронных потоков в магнитном поле магнитной фокусирующей системы ЛБВ прохождение ленточных электронных потоков в прямоугольных пролетных каналах хуже, чем прохождение цилиндрических электронных потоков в цилиндрических пролетных каналах.
Также известна ЛБВ с одним ленточным электронным потоком, содержащая ЗС типа петляющий волновод в виде металлического волновода прямоугольного поперечного сечения, изогнутый так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС в плоскостях, перпендикулярных этой оси, при этом длина каждого из плоских участков широких сторон волновода, расположенных между его изгибами, приближенно равна 1/4 длины волны в волноводе на одной из частот рабочего диапазона частот. ЗС содержит пролетный канал прямоугольного поперечного сечения для прохождения ленточного электронного потока, что позволяет увеличить его ток и мощность при меньшей плотности тока электронного потока в пролетном канале по сравнению с цилиндрическими пролетными каналами. Больший размер пролетного канала ориентирован вдоль линий, параллельных узким сторонам волновода, при этом средняя плоскость пролетного канала совпадает со средней плоскостью широкой стенки волновода. [Subhamani HS, Jyothi Balakrishnan, Sum Reddy, Lalit Kumar // Analysis of Sheet Beam Folded Waveguide Slow wave structures for THz TWTs / Proceedings of 2015 IEEE International Vacuum Electronics Conference, IVEC 2015. April 27-29, 2015, Beijing, China. Session-11 220GHz TWTs. SI 1.6 sf 0025].
В этой ЛБВ пролетный канал ЗС находится в области максимальной напряженности электрического поля в волноводе, что позволяет увеличить сопротивление связи в этой ЗС по сравнению с сопротивлением связи в ЗС, в которой больший размер прямоугольного пролетного канала ориентирован вдоль линий, перпендикулярных узким сторонам волновода. Однако и у этой однолучевой ЛБВ выходная непрерывная мощность существенно ниже, а питающие напряжения существенно выше, чем у многолучевых ЛБВ. Кроме этого важным недостатком является рассогласование фазовых условий модуляции электронов ленточного электронного потока по скорости и плотности вдоль большего размера поперечного сечения ленты с соответствующим снижением эффективности усиления мощности СВЧ-сигналов в ЛБВ. К недостаткам конструкции ЛБВ относится также и то, что из-за вращения электронных потоков в магнитном поле магнитной фокусирующей системы ЛБВ прохождение ленточных электронных потоков в прямоугольных пролетных каналах хуже, чем прохождение цилиндрических электронных потоков в цилиндрических пролетных каналах.
10
Известны результаты численного моделирования ЗС ЛБВ, содержащей металлический волновод прямоугольного поперечного сечения, изогнутый так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС в плоскостях, перпендикулярных этой оси. В плоских участках широких сторон волновода имеются цилиндрические отверстия, образующие для прохождения электронных потоков два пролетных канала, оси которых параллельны продольной оси ЗС. Расчеты электродинамических характеристик ЗС проведены для двух вариантов расположения цилиндрических отверстий в плоских участках широких стенок волновода. В первом варианте оси отверстий расположены в плоскости, разделяющей широкие стороны волновода пополам (в один ряд -вдоль волновода), во втором варианте оси отверстий расположены в плоскости, секущей волновод перпендикулярно его стенкам (в два ряда -поперек волновода). Длина каждого из плоских участков широких сторон волновода, расположенных между его изгибами, как следует из представленного распределения напряженности электрического поля электромагнитной волны в волноводе, приближенно равна 1/4 длины волны в волноводе на одной из частот рабочего диапазона частот и позволяет разместить отверстия в стенках волновода всего для двух пролетных каналов. Из полученных данных следует, что при малых диаметрах отверстий возможно размещение пролетных каналов в два ряда относительно длины плоских участков широких сторон волновода. При этом в ЛБВ должно обеспечиваться взаимодействие двух электронных потоков с электромагнитной волной в волноводе на основной моде колебаний (ТЕ). [Wenxin Liu, Ке Li, Yong Wang, Miaomiao Cao //Investigation of High-frequency Characteristics of Beam-wave Interaction System of Terahertz Two-beam Folded Waveguide /Proceedings of 2015 IEEE International Vacuum Electronics Conference, IVEC 2015. April 27-29, 2015, Beijing, China. Poster 4. P4-40 si0262].
ЛБВ, в которых могут быть применены такие ЗС, имеют следующие недостатки. Выходную мощность ЛБВ нельзя увеличить из-за невозможности увеличения количества электронных потоков. Это обусловлено тем, что для увеличения количества пролетных каналов не достаточно длины плоских участков широких сторон волновода. Существенным недостатком представленной конструкции является и то, что при расположении осей отверстий в плоскости, параллельной узким сторонам волновода и разделяющей широкие стороны волновода пополам (в один ряд - вдоль волновода), не обеспечивается одинаковая фазовая синхронизация движения электронных потоков в пролетных каналах и электромагнитной волны в волноводе, а при расположении осей отверстий в плоскости, секущей волновод перпендикулярно его стенкам (в два ряда -поперек волновода), как показано в источнике информации [Wenxin Liu, Ке Li, Yong Wang, Miaomiao Cao // Investigation of High-frequency Characteristics of Beam-wave Interaction System of Terahertz Two-beam Folded Waveguide / Proceedings of 2015 IEEE International Vacuum Electronics Conference, IVEC 2015. April 27-29, 2015, Beijing, China. Poster 4. P4-40 si0262], увеличивается размер частей широкой стенки волновода, прохождение электрического тока по ним прерывается, напряженность электрического поля электромагнитной волны в пролетных каналах снижается по сравнению с вариантом расположения осей отверстий в один ряд - вдоль волновода. Кроме этого, конструкция ЛБВ, в которой может быть применена такая ЗС, не известна.
Известна волноводная замедляющая система ЛБВ О-типа, содержащая металлический волновод прямоугольного поперечного сечения, изогнутый так, что плоские участки его широких сторон многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС в плоскостях, перпендикулярных этой оси, а в плоских участках широких сторон волновода имеются отверстия, образующие для прохождения электронных потоков пролетные каналы, оси которых параллельны продольной оси ЗС и расположены в плоскости, параллельной узким сторонам волновода и разделяющей широкие стороны волновода пополам, при этом длины каждого из плоских участков широких сторон волновода, расположенных между его изгибами, равны одному и тому же целому числу длин волн электромагнитной волны в волноводе на средней частоте рабочего диапазона частот. Имеющиеся в широких сторонах волновода ЗС отверстия образуют для прохождения электронных потоков множество пролетных каналов, число которых не менее двух на длине плоских участков широких сторон волновода, равных длине волны в волноводе на средней частоте рабочего диапазона частот, и не более w/(h+d), где w - длина каждого плоского участка широких сторон волновода, м; h - размер между металлическими границами отверстий любых соседних пролетных каналов, м; d - размер пролетного канала по прямой, проходящей через оси отверстий любых соседних пролетных каналов в плоскостях, перпендикулярных оси ЗС, м. Такая конструкция ЗС позволяет увеличить количество электронных потоков в ЛБВ за счет увеличения длины плоских участков волновода. [Патент РФ на изобретение №2726906. Волноводная замедляющая система ЛБВ О-типа / Шалаев П.Д. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 16 июля 2020 г. Опубликовано 16.07.2020 г. Бюл. №20. Заявка №2019131788. Приоритет изобретения 08 октября 2019 г.]
Недостатком такой конструкции является то, что в ней исключены варианты с длиной плоских участков волновода, равной не целому числу длин волн электромагнитной волны в волноводе на средней частоте рабочего диапазона частот ЛБВ. Кроме этого, не учтено, что лучшие параметры в разных типах ЛБВ могут достигаться при длинах плоских участков волновода, кратных половине длины электромагнитной волны в волноводе на частоте, отличающейся от средней частоты рабочего диапазона частот ЛБВ.
Конструкция ЛБВ, в которой может быть применена такая ЗС, не известна.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является ЛБВ, содержащая ЗС с входом и выходом СВЧ-энергии, выполненную в виде металлического волновода прямоугольного поперечного сечения, изогнутого так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС в плоскостях, перпендикулярных этой оси. В плоских участках широких сторон волновода имеются цилиндрические отверстия, образующие для прохождения электронных потоков три пролетных канала, оси которых параллельны продольной оси ЗС и расположены в плоскости, параллельной узким сторонам волновода и разделяющей широкие стороны волновода пополам, причем длина каждого из плоских участков широких сторон волновода, расположенных между его изгибами, приближенно равна 1/4 длины волны в волноводе на одной из частот рабочего диапазона частот, а длина ЗС составляет 70 периодов. Три электронных потока фокусируются в пролетных каналах однородным осевым магнитным полем с величиной индукции 0,57 Тесла. Выходная мощность ЛБВ 21,78 Вт, коэффициент усиления 33,38 дБ (расчетные значения). [Yan Sheng Mei, Su Wei, Wang Ya Jun // Analysis of D-band Fundamental Mode Multi-Beam Folded Waveguide TWT / Proceedings of 2015 IEEE International Vacuum Electronics Conference, IVEC 2015. April 27-29, 2015, Beijing, China. Poster 4. P4-25 si0064].
Данная ЛБВ имеет следующие недостатки. Во-первых, она имеет короткую длину плоских участков широких сторон волновода ЗС, расположенных между его изгибами, равную приближенно 1/4 длины волны в волноводе на одной из частот рабочего диапазона частот. В ЗС ЛБВ имеется только 3 пролетных канала с диаметром 0,16 мм. Для увеличения количества пролетных каналов недостаточно длины плоских участков широких сторон волновода. В представленной конструкции ЗС ЛБВ не обеспечивается одинаковая фазовая синхронизация движения электронных потоков в пролетных каналах и электромагнитной волны в волноводе, что снижает эффективность преобразования кинетической энергии электронов электронных потоков в энергию электромагнитной волны в волноводе. Эти недостатки не позволяют увеличить выходную мощность ЛБВ более представленного расчетного значения, равного 21,78 Вт. Во-вторых, ЗС ЛБВ имеет большую длину, 70 периодов, даже при коэффициенте усиления менее 34 дБ. Для увеличения коэффициента усиления длину ЗС необходимо будет увеличить дополнительно. В-третьих, из-за большой длины ЗС расстояние между полюсными наконечниками магнитной фокусирующей системы тоже велико, не менее длины ЗС, что приводит к увеличению габаритов и массы магнитной системы, создающей однородное осевое магнитное поле с заданной величиной индукции. Кроме этого, в описании аналога нет сведений о конструкциях электронной пушки, коллектора электронов и деталей корпуса ЛБВ, обеспечивающих отвод тепла от ее узлов к поверхности термостабилизирующего элемента в аппаратуре.
01
Задача настоящего изобретения заключается в разработке технического решения в виде базовой конструкции многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод, обеспечивающего в ЛБВ этого типа по сравнению с однолучевой ЛБВ увеличение количества электронных лучей (электронных потоков), взаимодействующих с электромагнитной волной в волноводе, на длине плоских участков широких сторон волновода ЗС, равной не менее половины длины электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров в рабочем диапазоне частот ЛБВ, уменьшение длины ЗС в направлении от электронной пушки к коллектору электронов, уменьшение расстояния между полюсными наконечниками магнитной фокусирующей системы, формирующими магнитное поле в пролетных каналах ЗС, увеличение площади контактов поверхностей узлов ЛБВ, требующих охлаждения при ее работе, с основанием ЛБВ для передачи тепла от ее узлов на охлаждающую поверхность в аппаратуре.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение выходной мощности и коэффициента усиления ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод, уменьшение длины ее ЗС, уменьшение размеров и массы магнитов магнитной фокусирующей системы и обеспечение эффективного теплоотвода от узлов ЛБВ к поверхности термостабилизирующего элемента в аппаратуре.
01
B
01,
B
01
B
01
01
01
Технический результат достигается тем, что многолучевая ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод, содержащая многолучевую электронную пушку с катодными эмиттерами; ЗС типа петляющий волновод с входом и выходом СВЧ-энергии, выполненную в виде металлического волновода прямоугольного поперечного сечения, изогнутого так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС и имеют плоские участки с отверстиями, образующими для прохождения электронных потоков в ЗС пролетные каналы; коллектор электронов; магнитную фокусирующую систему и основание ЛБВ для крепления ЛБВ и передачи тепла от ее узлов на охлаждающую поверхность в аппаратуре, согласно предлагаемому решению: в конструкции ЗС плоские участки широких сторон волновода с отверстиями для пролетных каналов имеют длину L, м, равную длине целого числа п длин полуволн электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров в рабочем диапазоне частот ЛБВ, где L=n⋅(0,5⋅λ)TE λ - длина электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, м, n - целое число, n=1, 2, 3…n, отверстия в плоских участках широких сторон волновода, образующие пролетные каналы, расположены не менее чем в один ряд с направлением вдоль каждого плоского участка широких сторон волновода ЗС, количество m пролетных каналов в ЗС и размеры d, м, отверстий для пролетных каналов в направлении вдоль плоских участков волновода соответствуют условию 1<m≤(n⋅λ/3d), где m - целое число, при этом размеры периодов ЗС и изгибов волновода ЗС соответствуют условию фазового синхронизма движения электронных потоков в пролетных каналах при рабочем напряжении ЗС относительно катодных эмиттеров и электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, при котором за целое число периодов, минимум за один период, колебания электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе ЗС на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, электроны электронных потоков проходят в ЗС расстояние, близкое по величине расстоянию между параллельными широким стенкам волноводасредними плоскостями соседних плоских участков волновода ЗС, от равного расстояния до отличающегося на малую величину, обеспечивающую достижение заданных параметров многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод, а изгибы волновода ЗС выполнены так, что на длине каждого участка волновода, включающего изгиб волновода, между осями крайних пролетных каналов, расположенных в непосредственной близости к изгибам волновода, укладывается целое число длин волн, как минимум одна длина волны, основного типа ТЕ в волноводе ЗС на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ; многолучевая электронная пушка имеет конструкцию с пропорцией и ориентацией осей поперечного сечения, соответствующими пропорции и ориентации осей поперечного сечения ЗС, катодные эмиттеры многолучевой электронной пушки размещены не менее чем в один ряд соответственно пролетным каналам, оси катодных эмиттеров совпадают с осями пролетных каналов, а количество катодных эмиттеров равно количеству пролетных каналов; коллектор электронов имеет конструкцию с пропорцией и ориентацией осей поперечного сечения, соответствующими пропорции и ориентации осей поперечного сечения ЗС, с формой и размерами части коллектора электронов, обращенной к ЗС, обеспечивающими прохождение электронных потоков из всех n пролетных каналов в его внутренний объем; магнитная фокусирующая система имеет конструкцию с пропорцией и ориентацией осей поперечного сечения, соответствующими пропорции и ориентации осей поперечного сечения ЗС, при этом полюсные наконечники магнитной фокусирующей системы, формирующие в пролетных каналах в ЗС магнитное поле магнитов магнитной фокусирующей системы, имеют по крайней мере n отверстий, расположенных не менее чем в один ряд, оси и количество которых совпадают с осями и количеством пролетных каналов в ЗС, причем многолучевая электронная пушка, ЗС, коллектор электронов, магнитная фокусирующая система обращены к основанию ЛБВ и соединены с ним с образованием тепловых контактов сторонами своих деталей, представляющих часть вакуумной оболочки ЛБВ, имеющими больший размер в плоскости сечения, перпендикулярной продольной оси ЛБВ.
01
Размеры периодов ЗС могут иметь переменные по длине ЗС значения, обеспечивающие в каждом из плоских участков волновода ЗС соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ.
01
Также размеры изгибов волновода ЗС могут иметь переменные по длине ЗС значения, обеспечивающие в каждом из плоских участков волновода ЗС соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ, при этом на длине каждого участка волновода, включающего изгиб волновода, между осями крайних пролетных каналов, расположенных в непосредственной близости к изгибам волновода, может укладываться целое и не целое число длин волн.
Предлагаемая конструкция многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод позволяет увеличить в ней количество электронных потоков и их суммарную мощность в m раз по сравнению с однолучевой ЛБВ и соответственно увеличить ее выходную мощность и коэффициент усиления. Расположение в многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод пролетных каналов для прохождения электронных потоков в ЗС, катодных эмиттеров в многолучевой электронной пушке и, соответственно, электронных потоков согласно предложенному техническому решению - не менее чем в один ряд с направлением вдоль каждого плоского участка широких сторон волновода ЗС - обеспечивает увеличение мощности и коэффициента усиления СВЧ-сигналов при прохождении их по петляющему волноводу ЗС как в продольном, так и поперечном направлении относительно продольной оси ЛБВ. При последовательном (поочередном) взаимодействии электронных потоков с СВЧ-сигналами, проходящими в участках волновода, поперечно расположенных относительно продольной оси ЛБВ, в электромагнитной волне происходит последовательное накопление (аккумуляция) энергии, полученной от каждого отдельного электронного потока. Последовательная аккумуляция энергии отдельных электронных потоков в электромагнитной волне на участках волновода, поперечно расположенных относительно продольной оси ЛБВ, позволяет увеличить выходную мощность ЛБВ и достичь заданного значения коэффициента усиления при меньшем по сравнению с аналогами количестве периодов ЗС в ЛБВ. А это приводит к сокращению размера ЗС в продольном относительно продольной оси ЛБВ направлении и соответствующему уменьшению расстояния между полюсными наконечниками магнитной фокусирующей системы. Уменьшение расстояния между полюсными наконечниками магнитной фокусирующей системы, в свою очередь, дает возможность создавать в пролетных каналах ЗС магнитное поле с величиной индукции, достаточной для сопровождения электронных потоков в пролетных каналах ЗС ЛБВ при меньших размерах и массе ее магнитов. Соединение многолучевой электронной пушки, ЗС, коллектора электронов, магнитной фокусирующей системы с основанием ЛБВ в предложенной конструкции многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод обеспечивает эффективный теплоотвод от узлов ЛБВ к поверхности термостабилизирующего элемента в аппаратуре.
01
Переменные по длине ЗС размеры периодов ЗС обеспечивают в каждом из плоских участков волновода ЗС соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ и приводят к увеличению выходной мощности и КПД ЛБВ.
01
Переменные по длине ЗС размеры изгибов волновода ЗС обеспечивают в каждом из плоских участков волновода ЗС соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ и приводят к увеличению выходной мощности и КПД ЛБВ.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом. На Фиг. 1 представлен один из возможных вариантов конструкции предлагаемой многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод, где:
1 - многолучевая электронная пушка, выполненная согласно предлагаемому решению;
2 - катодные эмиттеры, выполненные согласно предлагаемому решению;
3 - ЗС типа петляющий волновод, выполненная согласно предлагаемому решению;
4 - вход СВЧ-энергии;
5 - выход СВЧ-энергии;
6 - пролетные каналы;
7 - коллектор электронов, выполненный согласно предлагаемому решению;
8 - магнитная фокусирующая система, выполненная согласно предлагаемому решению;
9 - основание ЛБВ;
10 - полюсные наконечники магнитной фокусирующей системы, выполненные согласно предлагаемому решению;
11 - магниты магнитной фокусирующей системы;
12 - магнитопровод магнитной фокусирующей системы;
01
B
01,
B
01
B
01
(П
0
Многолучевая лампа бегущей волны с ЗС типа петляющий волновод, выполненная согласно предлагаемому решению, содержит многолучевую электронную пушку (1) с катодными эмиттерами (2); ЗС (3) типа петляющий волновод, с входом СВЧ-энергии (4), выходом СВЧ-энергии (5), выполненную в виде металлического волновода прямоугольного поперечного сечения, изогнутого так, что его широкие стороны многократно пересекают продольную ось образованной таким образом ЗС (3) и имеют плоские участки с отверстиями, образующими для прохождения электронных потоков в ЗС (3) пролетные каналы (6); коллектор электронов (7); магнитную фокусирующую систему (8) и основание ЛБВ (9) для крепления ЛБВ и передачи тепла от ее узлов на охлаждающую поверхность в аппаратуре. Магнитная фокусирующая система (8) содержит полюсные наконечники (10), магниты (11) и магнитопроводы (12). В конструкции ЛБВ, согласно предлагаемому решению: в ЗС (3) плоские участки широких сторон волновода с отверстиями для пролетных каналов (6) имеют длину L, м, равную длине целого числа п длин полуволн электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров в рабочем диапазоне частот ЛБВ, где L=n⋅(0,5⋅λ)TE λ - длина электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, м, n -целое число, n=1, 2, 3…n, отверстия в плоских участках широких сторон волновода, образующие пролетные каналы (6), расположены не менее чем в один ряд с направлением вдоль каждого плоского участка широких сторон волновода ЗС (3), количество m пролетных каналов (6) в ЗС (3) и размеры d, м, отверстий для пролетных каналов (6) в направлении вдоль плоских участков волновода соответствуют условию 1<m≤(n⋅λ/3d), где m - целое число, при этом размеры периодов ЗС (3) и изгибов волновода ЗС (3) соответствуют условию фазового синхронизма движения электронных потоков в пролетных каналах (6) при рабочем напряжении ЗС (3) относительно катодных эмиттеров (2) и электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, при котором за целое число периодов, минимум за один период, колебания электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе ЗС (3) на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, электроны электронных потоков проходят в ЗС (3) расстояние, близкое по величине расстоянию между параллельными широким стенкам волновода средними плоскостями соседних плоских участков волновода ЗС (3), от равного расстояния до отличающегося на малую величину, обеспечивающую достижение заданных параметров многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод (3), а изгибы волновода ЗС (3) выполнены так, что на длине каждого участка волновода, включающего изгиб волновода, между осями крайних пролетных каналов (6), расположенных в непосредственной близости к изгибам волновода, укладывается целое число длин волн, как минимум одна длина волны, основного типа TEi в волноводе ЗС (3) на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ; многолучевая электронная пушка (1) имеет конструкцию с пропорцией и ориентацией осей поперечного сечения, соответствующими пропорции и ориентации осей поперечного сечения ЗС (3), катодные эмиттеры (2) многолучевой электронной пушки (1) размещены не менее чем в один ряд соответственно пролетным каналам (6), оси катодных эмиттеров (2) совпадают с осями пролетных каналов (6), а количество катодных эмиттеров (2) равно количеству пролетных каналов (6); коллектор электронов (7) имеет конструкцию с пропорцией и ориентацией осей поперечного сечения, соответствующими пропорции и ориентации осей поперечного сечения ЗС (3), с формой и размерами части коллектора электронов (7), обращенной к ЗС (3), обеспечивающими прохождение электронных потоков из всех п пролетных каналов (6) в его внутренний объем; магнитная фокусирующая система (8) имеет конструкцию с пропорцией и ориентацией осей поперечного сечения, соответствующими пропорции и ориентации осей поперечного сечения ЗС (3), при этом полюсные наконечники (10) магнитной фокусирующей системы (8), формирующие в пролетных каналах (6) в ЗС (3) магнитное поле магнитов (11) магнитной фокусирующей системы (8), имеют по крайней мере п отверстий, расположенных не менее чем в один ряд, оси и количество которых совпадают с осями и количеством пролетных каналов (6) в ЗС (3). Многолучевая электронная пушка (1), ЗС (3), коллектор электронов (7), магнитная фокусирующая система (8) обращены к основанию ЛБВ (9) и соединены с ним с образованием тепловых контактов сторонами своих деталей, представляющих часть вакуумной оболочки ЛБВ, имеющими больший размер в плоскости сечения, перпендикулярной продольной оси ЛБВ.
01
Размеры периодов ЗС (3) могут иметь переменные по длине ЗС (3) значения, обеспечивающие в каждом из плоских участков волновода ЗС (3) соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ.
01
Также размеры изгибов волновода ЗС (3) могут иметь переменные по длине ЗС (3) значения, обеспечивающие в каждом из плоских участков волновода ЗС (3) соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ, при этом на длине каждого участка волновода, включающего изгиб волновода, между осями крайних пролетных каналов, расположенных в непосредственной близости к изгибам волновода, может укладываться целое и не целое число длин волн.
0сум
0сум
3C
01
02
03
0m
3C
01
02
03
0m
01
02
03
m
0
0сум
3C
0,
0
01
01
01
01
вч
0
э
0
3C⋅
0
вч
вых
пол
вч
вых
пот
пот
э
э
выч
пот
0
вых
э
0
пот
вых
э
ком
0
кон
пот
вых)
вых
э
кон
0сум
вых
э
ком
3C
0
01
⋅
Многолучевая лампа бегущей волны с ЗС (3) типа петляющий волновод, выполненная согласно предлагаемому решению, работает следующим образом. В электрических полях многолучевой электронной пушки (1) формируются электронные потоки с катодных эмиттеров (2) во все пролетные каналы (6) ЗС (3). Сформированные электронные потоки движутся в пролетных каналах (6) ЗС (3) со стороны входа СВЧ-энергии (4)в сторону выхода СВЧ-энергии (5) и далее из пролетных каналов (6) ЗС (3) в коллектор электронов (7). В коллекторе электронов (7) электроны электронных потоков рассеиваются на его внутренних электропроводящих поверхностях с преобразованием их кинетической энергии в тепло и, при наличии в коллекторе электронов (7) внутренних электропроводящих поверхностей с пониженным относительно ЗС (3) потенциалом, в энергию постоянного поля источников электропитания коллектора электронов (7). Магнитное поле магнитной фокусирующей системы (8) удерживает электронные потоки при их движении в пролетных каналах (6) в пределах внутренних границ пролетных каналов (6). Электронная пушка (1), ЗС (3), вход СВЧ-энергии (4), выход СВЧ-энергии (5), коллектор электронов (7) и магнитная фокусирующая система (8) соединены с основанием (9) ЛБВ с возможностью теплопередачи через их сопряженные при соединении поверхности и механически прочно закреплены на основании (9) ЛБВ. Суммарная мощность тока электронных потоков в пролетных каналах (6) на входе в ЗС (3) Р, Вт, равна сумме произведений напряжения ЗС (3) относительно катодных эмиттеров (2) и токов единичных электронных потоков, поступающих на вход каждого отдельного пролетного канала (6) Р=U⋅(I+I+I+…+I), Вт, где m - количество единичных электронных потоков, раовное количеству пролетных каналов (6), шт., U - напряжение ЗС (3) относительно катодных эмиттеров (2), В, I, I, I, …,, I - токи электронных потоков в пролетных каналах (6) от первого до m-ного, А. При равенстве токов единичных электронных потоков (I=I=I … I0=I) следует Р=m⋅U⋅I Вт, где I - ток одного электронного потока, любого из m пролетных каналов (6), А. На вход СВЧ-энергии (4) ЗС (3) подают СВЧ-сигналы, которые далее проходят по петляющему волноводу ЗС (3) от входа СВЧ-энергии (4) к выходу СВЧ-энергии (5). При прохождении СВЧ-сигналов по петляющему волноводу ЗС (3) от входа СВЧ-энергии (4) к выходу СВЧ-энергии (5) каждый элементарный участок электромагнитной волны в волноводе последовательно взаимодействует с электронными потоками, проходящими в пролетных каналах (6) и в волноводе между его широкими стенками. При близком к синхронному движении электронов электронных потоков в пролетных каналах (6) при рабочем напряжении ЗС (3) относительно катодных эмиттеров (2) и электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ в ЗС (3), происходит модуляция электронных потоков по плотности в пролетных каналах (6) и в волноводе ЗС (3) с образованием сгустков электронов в тормозящих фазах электромагнитной волны и торможение сгустков электронов с преобразованием кинетической энергии электронов электронных потоков в энергию электромагнитной волны, проходящей через волновод ЗС (3). Близкое к синхронному движение электронов электронных потоков в пролетных каналах (6) и электромагнитной волны основного типа TE в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ в ЗС (3), достигается при рабочем напряжении ЗС (3) относительно катодных эмиттеров (2) и размерах периодов ЗС (3) и изгибов волновода ЗС (3), при которых за целое число периодов, минимум за один период, колебания электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе ЗС (3) на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, электроны электронных потоков проходят в ЗС (3) расстояние, близкое по величине расстоянию между параллельными широким стенкам волновода средними плоскостями соседних плоских участков волновода ЗС (3), от равного расстояния до отличающегося на малую величину, обеспечивающую достижение заданных параметров многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод (3), а изгибы волновода ЗС (3) выполнены так, что на длине каждого участка волновода, включающего изгиб волновода, между осями крайних пролетных каналов (6), расположенных в непосредственной близости к изгибам волновода, укладывается целое число длин волн, как минимум одна длина волны, основного типа TE в волноводе ЗС (3) на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ. Эффективность преобразования кинетической энергии электронов электронных потоков в энергию электромагнитных волн в ЛБВ зависит от параметров ЗС и электронных потоков и выражается для однолучевой ЛБВ в виде η=Р/Р, относительных единиц, [Цейтлин М.Б. Лампа с бегущей волной / Цейтлин М.Б., Кац A.M. // М. Сов. радио. 1964. С. 312], где η=η, - электронный КПД ЛБВ в относительных единицах [ГОСТ 23769-79 Приборы электронные и устройства защитные СВЧ. Термины, определения и буквенные обозначения. - Москва: Изд-во стандартов. 1982. С. 49], Р=UI - мощность электронного потока на входе в ЗС, Вт, Р - полная мощность, Вт, преобразованная из кинетической энергии электронов электронного потока в энергию электромагнитных волн и равная сумме мощности выходных СВЧ-сигналов на рабочих частотах ЛБВ (Р - выходная мощность ЛБВ, Вт) и мощности потерь СВЧ-энергии (Р), Вт, в ЗС в виде потерь на тепло и мощность на частотах гармоник: Р=Р+Р. Величина Р, Вт зависит от электропроводимости материалов ЗС (в данном случае волновода), шероховатости электропроводящих поверхностей и от сопротивления связи на частотах гармоник усиливаемых СВЧ-сигналов. Выражение для определения η можно представить в виде η=(Р+Р)Р. Отсюда Р=η⋅Р(1/(1+Р+Р))=η⋅η⋅Р. Величина η=1/(1+Р/Р, относительных единиц, называется контурным КПД [ГОСТ 23769-79 Приборы электронные и устройства защитные СВЧ. Термины, определения и буквенные обозначения. - Москва: Изд-во стандартов. 1982. С. 49]. Для предлагаемой многолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод Р=η⋅η⋅Р, Вт, или (при равенстве токов электронных потоков) Р =η⋅η⋅Um⋅I, Вт.То есть выходная мощность многолучевой ЛБВ пропорциональна количеству электронных потоков в ЗС при всех других равных условиях. Предлагаемая конструкция многолучевой ЛБВ с ЗС (3) типа петляющий волновод позволяет увеличить общее количество электронных потоков в ЛБВ, соответственно, увеличить ее выходную мощность. В плоских участках волновода, пересекающих продольную ось ЗС (3), т.е. расположенных в поперечном направлении относительно продольной оси ЛБВ, на каждом одном полупериоде ЗС (3) происходит взаимодействие электромагнитных волн с m электронными потоками с последовательным накоплением энергии электромагнитных волн, соответственно с увеличением мощности и ростом коэффициента усиления. Взаимодействие электромагнитных волн с электронными потоками с последовательным накоплением энергии электромагнитных волн, увеличением мощности и ростом коэффициента усиления в плоских участках волновода, пересекающих продольную ось ЗС (3), т.е. расположенных в поперечном направлении относительно продольной оси ЛБВ, обеспечивает увеличение мощности и коэффициента усиления, приходящихся на единицу длины ЗС (3) типа петляющий волновод в продольном направлении относительно продольной оси ЛБВ. Поэтому при одинаковой величине коэффициента усиления длина ЗС (3) многолучевой ЛБВ с ЗС (3) типа петляющий волновод, выполненной согласно предлагаемому решению, меньше длины ЗС однолучевой ЛБВ с ЗС типа петляющий волновод. Магнитная фокусирующая система (8) создает магнитное поле с величиной индукции, необходимой для удержания электронных потоков в пролетных каналах (6). Величина индукции магнитного поля магнитной фокусирующей системы (8) в пролетных каналах (6) ЗС (3) зависит от величины намагниченности магнитов (11), их размеров и расстояния между полюсными наконечниками (10) магнитной фокусирующей системы (8). Максимально возможная величина намагниченности магнитов имеет предельные значения для известных материалов магнитов. Зависимость величины индукции магнитного поля в заданном поперечном сечении ЗС от расстояния между полюсными наконечниками магнитной фокусирующей системы и размеров ее магнитов имеет существенное значение при решении задач снижения массы и габаритных размеров магнитной фокусирующей системы. Уменьшение расстояния между полюсными наконечниками (10) магнитной фокусирующей системы (8) позволяет снизить размеры и массу ее магнитов (11) и магнитопроводов (12) при сохранении величины индукции магнитного поля в пролетных каналах (6) ЗС (3) ЛБВ. Тепло, выделенное в ЗС (3) и коллекторе электронов (7) в результате преобразования кинетической энергии электронов электронных потоков, оседающих на их внутренних электропроводящих поверхностях, отводится через внешние поверхности ЗС (3) и коллектора электронов (7) на основание ЛБВ (9) и через основание ЛБВ (9) передается далее на охлаждающую поверхность в аппаратуре. Увеличение размеров ЗС (3), коллектора электронов (7) и магнитной фокусирующей системы многолучевой ЛБВ с ЗС (3) типа петляющий волновод в поперечном направлении относительно продольной оси ЛБВ обеспечивает увеличение отношения площади тепловых контактов этих узлов с основанием ЛБВ (9) к полной площади их внешних поверхностей и соответствующее этому увеличение эффективности теплоотвода от ЛБВ к поверхности термостабилизирующего элемента в аппаратуре. Преобразование кинетической энергии электронов электронных потоков приводит к уменьшению скорости движения электронов в пролетных каналах ЗС (3), в основном сгруппированных в электронные сгустки. При этом нарушается синхронизм движения электронных потоков в пролетных каналах (6) и электромагнитной волны в волноводе. В частном исполнении переменные по длине ЗС (3) размеры периодов ЗС (3) обеспечивают в каждом из плоских участков волновода ЗС (3) восстановление синхронизма движения электронных потоков в пролетных каналах (6) и электромагнитной волны в волноводе и соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа ТЕ в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ и приводят к увеличению выходной мощности и КПД ЛБВ.
0
В частном исполнении переменные по длине ЗС (3) размеры изгибов волновода ЗС (3) обеспечивают в каждом из плоских участков волновода ЗС (3) восстановление синхронизма движения электронных потоков в пролетных каналах (6) и электромагнитной волны в волноводе и соответствие разности фаз первой гармоники переменных токов электронных потоков и электромагнитной волны основного типа ТЕ, в волноводе на частоте, обеспечивающей достижение заданных параметров ЛБВ, заданному закону изменения разности фаз по длине пространства взаимодействия ЛБВ и приводят к увеличению выходной мощности и КПД ЛБВ. При этом на длине каждого участка волновода, включающего изгиб волновода, между осями крайних пролетных каналов, расположенных в непосредственной близости к изгибам волновода, может укладываться целое и не целое число длин волн.