ОРОТРОН

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового диапазона и в субмиллиметровом диапазоне волн.
Известен оротрон [1], содержащий электронную пушку, коллектор, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое зеркало выполнено фокусирующим в виде усеченной сферы и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру (ПС), расположенную на плоском зеркале и покрывающая всю его поверхность, и вывод энергии электромагнитных колебаний, выполненный в фокусирующем зеркале резонатора.
Однако в коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн уменьшается период до долей миллиметра и увеличивается число ламелей периодической структуры, достигая 100 и более. Поэтому она выполняется как единое целое с плоским зеркалом, т.е. щели между выступами заготовки для ПС прорезаются не на всю ее толщину, а только на высоту выступов (глубину щелей), образуя, таким образом, отражающую поверхность между выступами. Даже после химической обработки такой поверхности, потери электромагнитной энергии в материале электродинамической системы оротрона, главным образом омические потери в материале периодической структуры, возрастают по сравнению с потерями, определяемыми нормальным скин-эффектом. Поэтому для достижения максимального КПД генерации необходимо либо существенное улучшение поверхности между выступами, либо существенное увеличение рабочего тока для увеличения эффективности электронно-волнового взаимодействия, либо и то и другое одновременно. Существенное улучшение поверхности между выступами обеспечено техническим решением [2].
Известен оротрон [2], содержащий электронную пушку, коллектор, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое зеркало выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, вывод энергии электромагнитных колебаний, дополнительно содержащий прямоугольную плоско-параллельную металлическую пластину, на одной из поверхностей которой выполнен продольный выступ в виде прямоугольного параллелепипеда с плоскостью симметрии, общей с пластиной, а его поверхность, параллельная поверхности пластины, выполнена полированной, и металлический швеллер, между полками которого расположен упомянутый выступ, причем его стенка выполнена в виде упомянутой периодической структуры, а полки имеют высоту, равную высоте упомянутого выступа и плотно прилегают к его боковым поверхностям, а на концах переходят в плоские участки, параллельные стенке, плотно прилегающие к поверхности пластины и скрепленные с ней.
Вывод энергии выполняется в плоском зеркале у коллекторного края периодической структуры, в виде волноводного канала требуемого сечения для конкретного диапазона генерации.
Недостатком этого оротрона является то, что в нем с уменьшением периода в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазоне катастрофически уменьшается часть эффективно взаимодействующего с высокочастотным (ВЧ) полем электронного потока.
Известно, что электрическая компонента ВЧ поля рабочей гармоники в ПС уменьшается как Е=ехр(2πх/l), где координата x увеличивается при удалении от структуры в направлении, перпендикулярном ей, l - период ПС. Поэтому в однорядной структуре максимальная величина Е=1 при х=0 и быстро уменьшается при удалении от нее. Как следствие, в оротроне нельзя использовать «толстые» электронные, по токи с той же эффективностью электронно-волнового взаимодействия по всей его толщине, как вблизи поверхности периодической структуры. Как следствие уменьшение КПД и генерируемой ВЧ мощности.
Этот недостаток устраняется в двухрядной ПС [2], где плоский электронный поток движется между двух расположенных близко друг к другу рядов ПС при условии, что расстояние между ними 2Н удовлетворяет условию l/2Н≥3. Однако выполнить это условие в данной конструкции [2] при уменьшении высоты рядов до долей миллиметра становится практически не возможно, во-первых, из-за потери жесткости второго ряда ПС и, во-вторых, из-за того, что не возможно отвести от него тепло, выделяемое при бомбардировке электронами потока, даже при прохождении его тока на коллектор в 95%.
Техническая задача, решаемая предлагаемой конструкцией, состоит в увеличении рабочего тока, эффективно взаимодействующего с высокочастотным полем, в результате повышения эффективности электронно-волнового взаимодействия в оротроне с однорядной периодической структурой, и, как следствие, увеличения КПД и генерируемой мощности оротрона.
0
0
0
0
1
2
OP
1
2
1
1
1
OP
Для решения этой задачи в выступах высотой b периодической структуры, расположенной на стенке швеллера, равной ее толщине, выполнены прямоугольные отверстия, имеющие общую плоскость симметрии М с выступом и плоскость симметрии, перпендикулярную ей, высота выступов b, равная толщине стенки, выбирается из условия λ/4<b≤λ/2, где λ - длина волны, b=b+2r+b<H, где r - полувысота прямоугольного отверстия, b - расстояние от внутренней поверхности стенки швеллера до нижнего края прямоугольного отверстия, b - расстояние от верхнего края прямоугольного отверстия до внешней поверхности стенки швеллера, b+r - расстояние от внутренней поверхности стенки швеллера до оси OO симметрии прямоугольного отверстия, лежащей в плоскости, перпендикулярной плоскости симметрии М выступа, (b+r)≤λ/4, H - расстояние между зеркалами открытого резонатора, а ширина прямоугольного отверстия не превышает ширины выступа плоской металлической пластины.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1а, б, схематически показан вариант конструкции предлагаемого оротрона с однорядной периодической структурой на плоском зеркале, а на фиг. 3, фиг. 4 показаны детали однорядной периодической структуры и вариант ее сопряжения с плоскопараллельной пластиной с выступом.
На фиг. 1а изображено продольное сечение оротрона плоскостью симметрии М по оси симметрии прямоугольного отверстия в выступах ПС. Он содержит электронную пушку 1, создающую электронный поток ЭП, открытый резонатор, образованный плоским зеркалом 2 и фокусирующим зеркалом 3, периодическую структуру 4, выполненную в виде одного ряда взаимно параллельных выступов и щелей между ними, расположенную на плоском зеркале 2, коллектор 5 и вывод 6 энергии электромагнитных колебаний, выполненный в плоском зеркале 2.
1
1
На фиг. 1б приведено сечение по AA (вид сверху) однорядной периодической структуры 4 фиг. 1а. Через щели между выступами периодической структуры 4 видны полки 10 швеллера 9 и плоское зеркало 2, расположенное на поверхности продольного выступа 7. Ось симметрии BB - проекция плоскости симметрии М продольного выступа 7 и однорядной периодической структуры 4.
На фиг. 2 представлена плоскопараллельная прямоугольная металлическая пластина 8 с продольным выступом 7, имеющим высоту h, с плоскостью симметрии М. Ширина и толщина пластины, а также высота продольного выступа h, выбираются для каждого конкретного случая, исходя из размеров корпуса прибора. Длина и ширина продольного выступа определяются выбором длины и ширины плоского зеркала 2, которые, в свою очередь, определяются длиной и шириной периодической структуры 4.
0
0
1
0
На фиг. 3 представлен металлический швеллер 9, стенка которого толщиной b выполнена как периодическая структура 4 с высотой b выступов, при высоте h полок 10 внутри швеллера вместе с плоскими участками 11, толщина которых выбирается из конструктивных соображений. В выступах высотой b выполнены прямоугольные отверстия высотой 2r, имеющие две взаимно перпендикулярные плоскости симметрии, плоскость М и перпендикулярную ей.
1
OP
На фиг. 4 изображена однорядная периодическая структура с прямоугольным отверстием в ее выступах для пролета плоского электронного потока и показана установка периодической структуры (швеллера) на пластине с выступом, когда h=h<H и периодическая структура плотно прилегает к плоскому зеркалу и имеет с ним электрический контакт.
00q
0
0
n
Предложенная конструкция оротрона работает следующим образом. При включении питания электронный пучок (ЭП), создаваемый электронной пушкой 1 и фокусируемый магнитной системой (на фиг. 1а она не показана), проходит через прямоугольное отверстие в выступах периодической структуры (фиг. 4) и оседает на коллектор 5. На своем пути ЭП взаимодействует с ВЧ полем синхронной пространственной гармоники, которая образуется, как и во всех аналогичных приборах, в результате дифракции на ней квазиплоской электромагнитной волны основного TEM типа колебания открытого резонатора, состоящего из фокусирующего зеркала и плоского зеркала, которым является полированная поверхность выступа металлической пластины. Электронный поток движется в пролетном канале, образованном прямоугольным отверстием в выступах периодической структуры 4. При выполнении известных условий пространственного синхронизма, как и во всех приборах с длительным взаимодействием, происходит передача энергии ЭП электромагнитному полю, в результате чего увеличивается амплитуда колебаний, заключенных в объеме между зеркалами 2 и 3. Пространственное распределение указанных колебаний определяется геометрией открытого резонатора и рабочей частотой. Электромагнитная волна, распространяющаяся между соседними выступами периодической структуры, проходит через отверстие 6 вывода энергии в плоском зеркале 2 в продольном выступе 7 и в плоскопараллельной прямоугольной металлической пластине 8 в волновод и далее в нагрузку (на фиг. 1а не показаны). При значении тока I электронного потока выше некоторого пускового значении I>I, система самовозбуждается и работает как автогенератор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ф.С. Русин, Г.Д. Богомолов. Оротрон как генератор миллиметрового диапазона. В сб. Электроника больших мощностей. Изд-во «Наука», М. 1968. Вып. 5. С.45.
2. Е.А. Мясин. Оротрон. // Патент РФ №2634304 (МПК H01J 25/00 (2006/01) по Заявке №2016123305 от 10.06.2016. Опубликована 25.10.2017 Бюл. №30.