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 приборов СВЧ. 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 передаваемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с волноводными СВЧ трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от не вакуумированных СВЧ трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящей 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 в рабочей полосе пропускания, особенно на ее границах. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах рабочей 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 рабочей полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера).
Мощная ЛБВ описана 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. Эта ЛБВ может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от не вакуумированных 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. Подстройка согласования с помощью винтов может работать только в очень узкой полосе частот, так как винты перестраивают частоту входного резонатора в небольших пределах. Поэтому с помощью винтов можно улучшить характеристику согласования только в очень узкой полосе частот. Связь входного (выходного) резонатора с волноводными трактами осуществляется со стороны цилиндрической стенки резонатора, что существенно усложняет процесс согласования (получение минимальной величины коэффициента стоячей волны КСВн). Основная причина - существенно отличающиеся электромагнитные поля в области щелей связи между резонаторами замедляющей системы и в области щели связи входного (выходного) резонатора с волноводным трактом. Невозможно «отделить» отражения от подсоединенного волновода и отражения от элементов замедляющей системы. Все это и является одной из основных причин использования поглотителей внутри замедляющей системы.
Обеспечение связи входного (выходного) резонатора с волноводными трактами со стороны торцевых стенок входного и выходного резонаторов позволит создать практически одинаковые условия взаимодействия между волноводным трактом и входным (выходным) резонаторами и между резонаторами замедляющей системы и существенно упростить процесс согласования замедляющей системы.
Сущность изобретения
Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы с передающими линиями (получение коэффициента стоячей волны КСВн≤1.5) в рабочей полосе пропускания замедляющей системы.
Указанная проблема решается следующим образом. Мощная ЛЕВ содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, магнитную систему, коллектор, входной и выходной закороченные волноводы с герметизирующими диэлектрическими перегородками.
Электронный поток создается электронной пушкой. Проходя через замедляющую систему, пучок тормозится и передает часть энергии электромагнитному полю, а неиспользованная часть пучка попадает в коллектор. Входной и выходной волноводы, связанные с замедляющей системой через щель, и отделенные от СВЧ трактов герметизирующими диэлектрическими перегородками, служат для ввода передаваемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящей из ряда электрических или постоянных магнитов.
Связь входного и выходного резонаторов с волноводными трактами через щель в торцевой стенке значительно упростит задачу получения хорошего согласования (КСВн≤1,5) в рабочей полосе пропускания замедляющей системы. Для устранения отражений от закороченного отрезка волновода противоположная от щели стенка волновода соединяется с нижней кромкой щели связи усеченным конусом с углом наклона образующей α, который подбирается расчетным или экспериментальным путем.
С точки зрения распределения электромагнитного поля в замедляющей системе элементы связи (щели связи) с волноводами будут находиться в одинаковых условиях с щелями между резонаторами замедляющей системы. Это позволит применять простой с точки зрения реализации способ согласования - увеличение щели связи с волноводом и подстройка частоты входного резонатора.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1. Лампа бегущей волны, в которой входной и выходной резонаторы связаны с волноводными трактами через щели в торцевых стенках.
Фиг.2. Замедляющая система лампы бегущей волны, в которой входной и выходной резонаторы связаны с волноводными трактами через щели в торцевых стенках, а волноводы заканчиваются усеченным конусом с углом α.
Фиг.3. Расчетная характеристика зависимости величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы односекционной лампы бегущей волны.
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 резонатор 5;
- выходной резонатор 6;
- входной закороченный волновод 7;
- выходной закороченный волновод 8;
- входное герметизирующее окно 9;
- выходное герметизирующее окно 10.
Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1), распространяется вдоль замедляющей системы (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым электрическими или постоянными магнитами (поз.3). Электроны в процессе взаимодействия модулируются по скорости, что приводит к модуляции потока по плотности. Благодаря взаимной связи между полем и потоком при его движении от входа замедляющей системы к выходу этот процесс нарастает, а кинетическая энергия электронов при их торможении передается полю. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ сигнала, подаваемого во входной резонатор (поз.5) со стороны входного закороченного волновода (поз.7). Вывод СВЧ усиленного сигнала осуществляется из выходного резонатора (поз.6) через выходной закороченный волновод (поз.8). Замедляющая система отделяется от СВЧ трактов с помощью герметизирующих диэлектрических перегородок (поз.9, 10). "Отработанный" электронный поток попадает в коллектор (поз.4), где кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию.
На фиг.3 показана расчетная зависимость величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы односекционной лампы бегущей волны. Замедляющая система состоит из тринадцати резонаторов. Согласование замедляющей системы с СВЧ трактами проводилось с помощью увеличения размеров щелей связи во входном и выходном резонаторах, изменением их диаметров и подбором угла α. Рабочая полоса замедляющей системы составляет величину порядка 20%, величина КСВн в рабочей полосе ≤1.5. Результаты согласования подтверждают работоспособность предложенной конструкции.