МНОГОЛУЧЕВАЯ ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Предлагаемое устройство относится к многолучевым электронным приборам СВЧ О-типа, в частности к конструкции многолучевых ламп бегущей волны (ЛБВ) дециметрового диапазона длин волн с выходной мощностью порядка 100 Вт и может быть использована для усиления и генерирования СВЧ-колебаний.
Известны классические ЛБВ дециметрового диапазона длин волн с выходной мощностью порядка 100 Вт и габаритами порядка 500×40×45 мм и более (см. ЛБВ типа: TL 2140, TL 2210, TL 2090 ф. TED, Германия. Proceedings & IVEC 2001, p.35-38). В каждой из этих ЛБВ имеются по одной пушке с одним электронным лучом (пучком) и по одной ЗС. Недостатки их конструкции - большие габариты и вес, характерные для ЛБВ данного класса.
Уменьшить габариты и вес приборов позволяют многолучевые лампы бегущей волны. Так, известны многолучевые ЛБВ (см. например, А.Н.Королев, С.А.Зайцев, С.А.Румянцев, А.С.Победоносцев «Проектирование компактной многолучевой прозрачной ЛБВ Кu диапазона с коэффициентом усиления до 16 дБ». Материалы XIII Отраслевого координационного семинара по СВЧ технике, г.Н.Новгород, 2003 г., с.15-17), которые построены на многолучевой электронно-оптической системе. В качестве замедляющей системы применена «сдвоенная лестница». Фокусировку электронных пучков осуществляет магнитная фокусирующая система (МФС) с двусторонним расположением плоских постоянных магнитов. Однако конструкция такой ЛБВ не обеспечивает высокого коэффициента усиления в широкой полосе рабочих частот, и применение прибора этой конструкции в дециметровом диапазоне длин волн также нецелесообразно из-за дополнительного возрастания его габаритов и массы.
Наиболее близким к предлагаемому является многолучевой прибор O-типа (см. патент РФ №2072111, H 01 J 25/10 «Сильноточный мощный многолучевой СВЧ-прибор O-типа») представленный на фиг.1. Лампа содержит электронно-оптическую систему (ЭОС), включающую несколько катодов (2), общий управляющий электрод (4), анод (1) с отверстиями (их количество равно числу катодов) для лучей (3), эмиттируемых с катодов, проходящих в пролетных каналах резонаторного блока (5), являющегося замедляющей системой (ЗС), где происходит взаимодействие электронных лучей с электромагнитной волной. Фокусировка электронных лучей в каналах осуществляется соленоидом (6).
Однако применение данной конструкции для создания ЛБВ дециметрового диапазона длин волн нерационально из-за резкого возрастания габаритов и массы прибора. Использование резонаторной замедляющей системы в таком СВЧ приборе не позволяет получить широкую рабочую полосу, а фокусировка электронного пучка магнитным полем соленоида предполагает наличие дополнительного источника питания и значительное увеличение массы прибора в целом.
Техническим эффектом, на достижение которого направлено предлагаемое решение, является обеспечение возможности создания широкополосных ЛБВ дециметрового диапазона длин волн с выходной мощностью до 100 Ватт при минимизации их габаритов и массы.
Указанный эффект достигается тем, что в многолучевой лампе бегущей волны, электронно-оптическая система которой включает несколько катодов, управляющий электрод и общий анод с отверстиями, каждое из которых предназначено для прохождения отдельного луча (пучка) в ВЧ-блок с замедляющей системой, и общую магнитную фокусирующую систему, используется замедляющая система спирального типа, выполненная отдельно для каждого луча, все замедляющие системы расположены параллельно друг другу и продольной оси прибора, а каждая из них размещена в канале, проходящем в спаянных между собой наконечниках магнитной периодической фокусирующей системы;
Для дополнительного отвода тепла лампа содержит металлический стержень, размещенный по ее продольной оси.
В спаянных наконечниках магнитной периодической фокусирующей системы выполнены сквозные фигурные отверстия, расположенные параллельно каналам для замедляющих систем.
Предполагаемое устройство представлено на фиг.2, где 1 - катоды, 2 - управляющий электрод с центрирующими втулками, 3 - общий анод с соответствующими отверстиями для прохождения электронных пучков, 4 - общий коллектор; 5 - замедляющая система, отдельная для каждого электронного луча; 6 - наконечники магнитной периодической фокусирующей системы; 7 - магнитная периодическая фокусирующая система; 8 - медные втулки; 9 - общий ввод СВЧ-энергии; 10 - общий вывод СВЧ-энергии; 11 - электронный пучок; 12 - фигурные сквозные отверстия в наконечниках МПФС; 13 - канал для замедляющих систем; 14 - теплоотводящий металлический стержень.
Работа лампы осуществляется следующим образом. Электронные лучи (11), формируемые каждый своей ЭОС и общей МПФС (7), проходят каждый через свою ЗС (5). Параллельное друг другу и продольной оси прибора расположение ЗС позволяет использовать общую МПФС для фокусировки отдельных электронных лучей. В каждой ЗС происходит взаимодействие электронного луча с электромагнитной волной, поступающей с общего ввода (9). Сложение выходных мощностей сигнала СВЧ, усиленного в каждом канале ЗС, происходит в общем выводе энергии (10), а отработанные электронные лучи поступают в общий коллектор (4). Наличие ЗС спирального типа, находящихся каждая в своем канале, позволяет оптимизировать параметры ЗС каждого канала на различных участках диапазона усиливаемых частот и, следовательно, уменьшить неравномерность коэффициента усиления в рабочей полосе частот, что чрезвычайно важно для широкополосных ЛБВ.
Металлический стержень (14) с большой теплопроводностью (например, медь), размещенный вдоль продольной оси лампы, обеспечивает теплоотвод от прилежащих к нему элементов ЛБВ.
Фигурные отверстия (12) в наконечниках «сглаживают» неравномерность границы распределения фокусирующего магнитного поля за счет перераспределения магнитного поля в материале наконечников МПФС.
Пример. Изготовлен макет многолучевой многоканальной ЛБВ. В дециметровом диапазоне длин волн с коэффициентом перекрытия 1,6. Получена выходная мощность 75 Вт при токе коллектора 350 мА. Габариты разработанного макета ЛБВ не превышают 250×40×40 мм.
Таким образом, по сравнению с известными, заявленная конструкция многолучевой ЛБВ обеспечивает возможность создания широкополосной ЛБВ дециметрового диапазона длин волн мощностью порядка 100 Вт при минимальных габаритах и массе.