ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ШТЫРЕВОГО ТИПА ДЛЯ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
SLOW-WAVE STRUCTURE OF PLUG-IN TYPE FOR LAMP OF TRAVELLING WAVE OF MILLIMETRE RANGE OF WAVE LENGTHS

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к замедляющим системам (ЗС) штыревого типа для ламп бегущей волны (ЛБВ) непрерывного и импульсного действия миллиметрового диапазона длин волн.
В сантиметровом диапазоне при конструировании ЛБВ обычно используются либо ЗС типа «диафрагмированный волновод», либо ЗС штыревого типа.
Известна замедляющая система штыревого типа для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн (прототип изобретения), содержащая круглый волновод, в котором размещены два ряда чередующихся вдоль продольной оси волновода штырей, в каждом из рядов штыри расположены перпендикулярно продольной оси волновода и параллельно друг другу и соединены первыми однонаправленными концами с волноводом, образуя штыревую гребенку, на вторых однонаправленных концах штырей установлены пролетные трубы, в которых выполнены расположенные соосно продольной оси волновода сквозные отверстия, образующие пролетные каналы, при этом штыри второй гребенки расположены под углом от 0° до 180° относительно штырей первой гребенки (что позволяет оперативно подбирать требуемую дисперсионную характеристику) и смещены относительно нее вдоль продольной оси волновода на шаг замедляющей системы [1]. Конструктивно замедляющая система выполнена в виде нескольких последовательно соединенных с помощью пайки ячеек, каждая из которых содержит отрезок круглого волновода, внутри которого размещен штырь с пролетной трубой. Каждую ячейку выполняют либо цельнометаллической (когда отрезок круглого волновода, штырь и пролетная труба выполнены как единый металлический элемент), либо в каждой ячейке штыри соединяют с пролетными трубами и с волноводными отрезками с помощью пайки. При сборках и пайках элементов ЗС разброс их допусков не оказывает существенного влияния на параметры ЗС и параметры ЛБВ сантиметрового диапазона, так как эти допуски и неоднородности в местах паек существенно меньше длины волны. В сантиметровом диапазоне длин волн невелика геометрическая длина ЗС, так как на 20-30-и соединенных ячейках можно получить требуемые параметры ЛБВ (усиление и КПД). Однако из-за малой крутизны дисперсионной характеристики ЛБВ существует вероятность паразитного возбуждения ЛБВ на π- и 2π-видах колебаний.
При переходе в миллиметровый диапазон длин волн существенно уменьшаются размеры всех элементов ЗС, при этом из-за резкого уменьшения параметра Пирса увеличивается в 3-4 раза геометрическая длина ЗС. Изготовить ЗС миллиметрового диапазона с пролетными трубами практически не представляется возможным. Изготовить отрезки волновода идентичными друг другу также весьма проблематично. При сборке ЗС из большого числа отдельных отрезков круглого волновода неоднородности, возникающие при пайке (наплывы припоя на стыках, непропаи, разброс размеров отдельных штырей), сравнимы с длиной волны, особенно в коротковолновой части миллиметрового диапазона. Это приводит к ухудшению параметров ЗС как из-за возрастания СВЧ-потерь, так и из-за ухудшения возможности согласования ЗС с выводами энергии и, следовательно, может приводить к возбуждению ЛБВ. Поэтому замедляющие системы для ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн необходимо выполнять таким образом, чтобы они имели минимальное количество паяных швов и состояли из конструктивно простых элементов, которые можно изготовить идентичными друг другу с высокой точностью и высокой чистотой обработки поверхностей без применения при этом дорогостоящего высокоточного оборудования. Кроме того, для обеспечения эффективного взаимодействия электронного пучка с СВЧ-полем в ЗС для ЛБВ миллиметрового диапазона она должна иметь более крутую дисперсионную характеристику, чем ЛБВ сантиметрового диапазона. Увеличение крутизны дисперсионной характеристики приводит к увеличению сопротивления связи ЗС (которое будет значительно выше, чем у ЗС ЛБВ сантиметрового диапазона), что позволяет выполнять ЗС для ЛБВ миллиметрового диапазона без пролетных труб, что в свою очередь позволяет существенно упростить конструкцию ЗС и способ ее изготовления. Однако несмотря на увеличение крутизны дисперсионной характеристики ЛБВ (а следовательно, увеличение сопротивления связи ЗС) в ЛБВ миллиметрового диапазона остается вероятность паразитного возбуждения на π- и 2π-видах колебаний.
Задачей изобретения является создание компактной, простой по конструкции и высокотехнологичной в изготовлении замедляющей системы штыревого типа для ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн, имеющей положительную дисперсию с большой крутизной дисперсионной характеристики и обладающей устойчивостью к самовозбуждению ЛБВ на π- и 2π-видах колебаний.
Предлагается замедляющая система штыревого типа для лампы бегущей волны, содержащая волновод, в котором размещены два ряда чередующихся вдоль продольной оси волновода штырей с пролетными каналами, в каждом из рядов штыри расположены перпендикулярно продольной оси волновода и параллельно друг другу и примыкают первыми однонаправленными концами к волноводу, образуя штыревую гребенку, причем штыри второй штыревой гребенки расположены под углом относительно штырей первой штыревой гребенки и смещены относительно нее вдоль продольной оси волновода на шаг замедляющей системы, при этом волновод замедляющей системы выполнен с квадратным внутренним поперечным сечением, штыри первой штыревой гребенки расположены перпендикулярно внутренней поверхности первой стенки волновода, к которой они примыкают первыми однонаправленными концами, и размещены равноудаленно относительно внутренних поверхностей противолежащих друг другу второй и четвертой стенок волновода, штыри второй штыревой гребенки расположены перпендикулярно штырям первой штыревой гребенки и внутренней поверхности второй стенки волновода, к которой они примыкают первыми однонаправленными концами, и размещены равноудаленно относительно внутренних поверхностей противолежащих друг другу первой и третьей стенок волновода, в плоскости поперечного сечения волновода вторые однонаправленные концы первой и второй штыревых гребенок перекрывают друг друга, и в них выполнены расположенные соосно продольной оси волновода сквозные отверстия, образующие пролетные каналы, при этом третья и четвертая стенки волновода с внутренней стороны снабжены первым и вторым прямоугольными выступами, расположенными напротив торцевых граней штырей соответственно первой и второй штыревых гребенок, причем первый прямоугольный выступ расположен равноудаленно относительно внутренних поверхностей второй и четвертой стенок волновода, а второй прямоугольный выступ расположен равноудаленно относительно внутренних поверхностей первой и третьей стенок волновода, первый и второй прямоугольные выступы имеют длину, равную длине волновода, при этом ширина k и высота h каждого прямоугольного выступа выбраны из следующих условий:
0,75 в≤k≤0,95 в,
0,50 с≤h≤0,65 с,
где в - ширина штыря;
с - расстояние от торцевых граней штырей первой и второй штыревых гребенок до внутренних поверхностей противолежащих им соответственно третьей и четвертой стенок волновода, причем с=а-d;
а - ширина стенки волновода с квадратным внутренним поперечным сечением;
d - высота штыря.
В предлагаемом изобретении волновод замедляющей системы продольно рассечен на четыре части одинаковой длины, равной длине волновода, которые последовательно установлены вокруг продольной оси волновода и соединены с помощью пайки по плоскостям рассечения волновода, при этом первая и третья части волновода с примыкающими к ним соответственно первым и вторым рядами штырей образуют соответственно первую и вторую штыревые гребенки, а расположенные между первой и третьей частями волновода вторая и снабженная первым и вторым прямоугольными выступами четвертая части волновода образуют соответственно первый и второй опорные элементы.
В предлагаемом изобретении поверхности сопряжения соединяемых частей волновода замедляющей системы имеют ступенчатую форму.
В предлагаемом изобретении внешняя поверхность волновода замедляющей системы имеет цилиндрическую форму.
В предлагаемом изобретении волновод замедляющей системы размещен в металлической цилиндрической трубке, образующей вакуумную оболочку.
В предлагаемом изобретении штыревые гребенки и опорные элементы замедляющей системы выполнены, как это изображено на фиг.4.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение устойчивости ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн к паразитному самовозбуждению на π- и 2π-видах колебаний при одновременном снижении габаритов и упрощении конструкции ее замедляющей системы. Изобретение позволяет создать малогабаритную, простую в изготовлении, технологичную и имеющую минимальные СВЧ-потери, надежную в эксплуатации конструкцию замедляющей системы штыревого типа для ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн.
Использованный в предлагаемой замедляющей системе штыревого типа волновод с квадратным внутренним поперечным сечением, так же как круглый волновод ЗС-прототипа, обеспечивает симметрию СВЧ-полей в ЗС и позволяет использовать для магнитной фокусировки электронного пучка магнитные периодические фокусирующие системы (МПФС). Изготовить ЗС из отдельных элементов на основе волновода с квадратным внутренним поперечным сечением гораздо проще, чем ЗС на основе круглого волновода. В предлагаемой ЗС штыри гребенок выполнены без пролетных труб, что значительно упрощает конструкцию ЗС и технологию ее изготовления, при этом пролетные каналы выполнены непосредственно в штырях гребенок на их вторых однонаправленных концах, то есть на свободных концах чередующихся штырей, перекрывающих друг друга (в плоскости поперечного сечения волновода) для создания заданной конфигурации СВЧ-поля в ЗС, необходимой для эффективного взаимодействия СВЧ-поля с электронным пучком.
Выполнение в смежных третьей и четвертой стенках квадратного волновода двух протяженных по всей длине волновода ЗС прямоугольных выступов, первый из которых расположен напротив торцевых граней штырей первой гребенки, а второй выступ расположен напротив торцевых граней штырей второй гребенки, приводит к тому, что на протяжении длины ЗС каждый выступ поочередно оказывается то напротив торцевой грани штыря одной гребенки, то напротив боковой грани штыря другой гребенки. Введение в волновод ЗС двух прямоугольных выступов позволяет сдвигать π- и 2π-виды колебаний при сохранении без изменений рабочего диапазона длин волн ЗС ЛБВ, что снижает вероятность самовозбуждения ЛБВ на этих видах колебаний.
В предлагаемой ЗС ширина а волновода с квадратным внутренним поперечным сечением, высота d, ширина в и толщина t штыря каждой гребенки, а также расстояние с от торцевых граней штырей каждой гребенки до поверхности противолежащей им стенки волновода (где с=а-d) являются заданными величинами для выбранной ЗС, которые определяются (подбираются экспериментально или рассчитываются) в зависимости от значений центральной и крайних частот требуемого рабочего диапазона ЗС ЛБВ.
Зазоры шириной l (где l=с-h) между торцевыми гранями штырей гребенок и противолежащими им выступами образуют емкости, подбирая величину которых, можно оперативно заданным образом менять дисперсионную характеристику ЗС ЛБВ в областях π- и 2π-видов колебаний ЗС, оставляя при этом без изменений дисперсионную характеристику в рабочем диапазоне длин волн.
Ширину k и высоту выступа h каждого выступа выбирают из следующих условий:
0,75 в≤k≤0,95 в,
0,50 с≤h≤0,65 с,
где в - ширина штыря; с - расстояние от торцевых граней штырей первой и второй гребенок до внутренних поверхностей противолежащих им соответственно третьей и четвертой стенок волновода, причем с=а-d.
Выполнение указанных условий позволяет изменять дисперсионную характеристику ЗС таким образом, что дисперсионная характеристика изменяется только в областях π- и 2π-видов колебаний (при этом в области 2π-вида колебаний дисперсионная характеристика смещается в длинноволновую сторону, в области π-вида колебаний дисперсионная характеристика смещается в коротковолновую сторону), а в области рабочего диапазона длин волн дисперсионная характеристика остается практически неизменной. Это позволяет увеличить отстройку напряжения самовозбуждения ЛБВ от рабочего напряжения и, таким образом, предотвратить самовозбуждения ЛБВ.
Если выбрать k<0,75 в и/или h<0,50 с, то емкость зазора между обращенными друг к другу торцевыми гранями штыря и выступа мала, сдвиг дисперсионной характеристики в областях π- и 2π-видов колебаний ЗС мал и недостаточен для предотвращения возможного паразитного самовозбуждения ЛБВ.
Если выбрать k>0,95 в и/или h>0,65 с, то между торцевыми гранями штыря и выступа (особенно на их острых углах) возможно возникновение СВЧ-пробоев. Кроме того, при этом условии увеличивается величина емкости между обращенными друг к другу торцевыми гранями штыря и выступа, что приводит к изменению формы и крутизны дисперсионной характеристики ЗС (что ухудшает параметры ЛБВ), а также к сдвигу дисперсионной характеристики ЗС в длинноволновую сторону (то есть к выходу за пределы рабочего диапазона длин волн).
В предлагаемом изобретении волновод ЗС выполнен в виде четырех составных частей одинаковой длины, равной длине волновода, последовательно установленных вокруг продольной оси волновода и соединенных друг с другом с помощью пайки (например, диффузионной пайки). Это позволяет получить конструкцию ЗС в виде паяного узла, состоящего всего из четырех деталей: первая часть волновода с примыкающими к ней штырями образует первую деталь ЗС (первую штыревую гребенку), вторая часть волновода с примыкающими к ней штырями образует вторую деталь ЗС (вторую штыревую гребенку), а расположенные между ними третья часть волновода и снабженная первым и вторым прямоугольными выступами четвертая часть волновода образуют соответственно третью деталь ЗС (первый опорный элемент) и четвертую деталь ЗС (второй опорный элемент). Такое выполнение ЗС позволяет получить конструкцию с малыми размерами, с минимальным числом паяных швов (то есть с малым числом неоднородностей) и надежным электрическим контактом в месте соединения деталей, а следовательно, с малыми СВЧ-потерями, что в совокупности обеспечивает создание компактной и надежной в эксплуатации ЗС ЛБВ.
Выполнение ЗС в виде паяного узла, состоящего из четырех деталей (двух штыревых гребенок и двух опорных элементов), каждый из которых имеет только открытые поверхности, обеспечивает ряд преимуществ такой конструкции ЗС:
- простоту и технологичность изготовления деталей ЗС, например, с помощью электроискровой обработки;
- возможность использования диффузионной пайки за счет предварительного нанесения гальваническим путем металлических покрытий на соединяемые детали;
- простоту сборки и пайки узла с использованием конструктивно простых оправок.
В предлагаемой ЗС поверхности сопряжения соединяемых частей волновода (соединяемых деталей ЗС) имеют ступенчатую форму. Ступени служат для взаимной фиксации деталей при сборке, при этом высота ступеней сопрягаемых поверхностей всех соединяемых деталей обеспечивает заданные размеры штыревых гребенок.
В случае изготовления ЗС для ЛБВ длинноволновой части миллиметрового диапазона длин волн из-за относительно больших размеров соединяемых элементов ЗС с помощью диффузионной пайки можно обеспечить получение вакуумноплотных швов, и такой ЗС дополнительная вакуумная оболочка не требуется. В случае изготовления ЗС для ЛБВ коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн из-за малых размеров соединяемых элементов ЗС затруднительно получить вакуумноплотное соединение этих элементов только за счет диффузионной пайки. В этом случае спаянный с помощью диффузионной пайки узел помещают в металлическую цилиндрическую трубку, которая образует вакуумную оболочку ЗС ЛБВ, при этом для обеспечения теплового контакта внешняя поверхность спаянного узла должна соприкасаться с внутренней поверхностью металлической цилиндрической трубки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена предлагаемая ЗС (продольное и поперечное сечения) ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн.
На фиг.2 показаны дисперсионные характеристики предлагаемой ЗС с выступами разных геометрических размеров, а также дисперсионная характеристика ЗС без выступов.
На фиг.3 показаны детали предлагаемой ЗС для одного из возможных вариантов ее конструктивного выполнения.
На фиг.4 показана предлагаемая ЗС, выполненная из деталей, показанных на фиг.3.
Предлагаемая ЗС ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн, показанная на фиг.1, содержит волновод 1, выполненный с квадратным внутренним поперечным сечением, к первой стенке 2 которого примыкают штыри 3 первой гребенки, ко второй стенке 4 (сопряженной с первой стенкой 2) волновода примыкают штыри 5 второй гребенки, причем штыри 5 второй штыревой гребенки расположены перпендикулярно штырям 3 первой гребенки и смещены относительно нее вдоль продольной оси волновода 1 на шаг замедляющей системы L. В свободных концах штырей 3 и 5 первой и второй гребенок (которые в плоскости поперечного сечения волновода перекрывают друг друга) выполнены расположенные соосно продольной оси волновода 1 сквозные отверстия 6, образующие пролетные каналы ЗС. Третья стенка 7 волновода 1, расположенная параллельно его первой стенке 2, снабжена первым прямоугольным выступом 8, имеющим длину, равную длине волновода 1, и расположенным напротив торцевых граней штырей 3 первой гребенки, а четвертая стенка 9 волновода 1, расположенная параллельно его второй стенке 4, снабжена вторым прямоугольным выступом 10, имеющим длину, равную длине волновода 1, и расположенным напротив торцевых граней штырей 5 второй гребенки.
На фиг.1 указаны следующие размеры волновода 1, штырей 3, 5 и выступов 8 и 10:
а - ширина стенки волновода с квадратным внутренним поперечным сечением;
L - шаг замедляющей системы;
в - ширина штыря;
d - высота штыря;
t - толщина штыря;
k - ширина прямоугольного выступа;
h - высота прямоугольного выступа;
с - расстояние от торцевых граней штырей первой и второй гребенок до внутренних поверхностей противолежащих им соответственно третьей и четвертой стенок волновода, причем с=а-d.
В изображенной на фиг.1 замедляющей системе размеры k и h выбраны согласно предлагаемому изобретению из условий:
0,75 в≤k≤0,95 в,
0,50 с≤h≤0,65 с.
раб
ф
ф
На фиг.2 показаны дисперсионные характеристики предлагаемой в изобретении конструкции ЗС с выступами разных геометрических размеров и дисперсионная характеристика ЗС аналогичной конструкции без выступов, где по оси Х указаны длина волны λ в мм и рабочий диапазон длин волн ЛБВ Δλ, а по оси Y указан коэффициент замедления m в безразмерных величинах, при этом m=с/v, где с - скорость света, v - фазовая скорость СВЧ-волны в ЗС. Линии φ=π и φ=2π являются линиями сдвига фаз и ограничивают верхнюю и нижнюю границу дисперсионной характеристики.
Кривая А соответствует дисперсионной характеристике предлагаемой ЗС с выступами, размеры которых выбраны из заданных в изобретении условий.
Кривая Б соответствует дисперсионной характеристике ЗС аналогичной конструкции, но с выступами, размеры которых выбраны из условий k<0,75 в и h<0,50 с.
Кривая В соответствует дисперсионной характеристике ЗС аналогичной конструкции, но с выступами, размеры которых выбраны из условий k>0,95 в и h>0,65 с.
Кривая Г соответствует дисперсионной характеристике ЗС аналогичной конструкции, но без выступов.
Для устранения самовозбуждения в ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн на π- и 2π-видах колебаний необходимо выполнение следующих соотношений по замедлению в рабочей полосе и в областях π- и 2π-видов колебаний, которые определены экспериментально:
2π
раб
m/m≥1,35
π
раб
m/m≤0,80,
раб
раб
где m - замедление на центральной длине волны рабочего диапазона Δλ ЛБВ,
2π
m - замедление на 2π-виде колебаний,
π
m - замедление на π-виде колебаний.
раб
2π
раб
π
раб
раб
Из фиг.2 видно, что кривые А, Б, Г имеют близкие значения коэффициента замедления m (и близкие значения рабочих напряжений) в рабочем диапазоне Δλ, а в областях π- и 2π-видов колебаний значения коэффициента замедления m значительно отличаются друг от друга. У кривой А наблюдается значительная разница по замедлению (а следовательно, по напряжению) в областях π- и 2π-видов колебаний по отношению к замедлению в рабочей полосе длин волн (то есть выполняются условия m/m≥1,35 и m/m≤0,80), что обеспечивает уменьшение вероятности самовозбуждения ЛБВ на π- и 2π-видах колебаний. У кривой Б эта разница по замедлению недостаточна для предотвращения самовозбуждения ЛБВ, а у кривой Г эта разница по замедлению еще меньше, поэтому в такой ЗС велика возможность самовозбуждения ЛБВ на π- и 2 π-видах колебаний. Кривая В полностью сместилась из рабочего диапазона Δλ в длинноволновую сторону и изменила при этом свою форму, что не позволяет использовать такую ЗС в ЛБВ, в том числе в ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн.
На фиг.3 и фиг.4 показан один из возможных вариантов конструктивного выполнения предлагаемой ЗС с вакуумной оболочкой, при этом на фиг.3 показаны отдельные детали предлагаемой ЗС, а на фиг.4 показан готовый узел ЗС, собранный из деталей, показанных на фиг.3.
Предлагаемая ЗС состоит из четырех деталей 11-14, полученных путем продольного рассечения волновода 1 ЗС, и металлической цилиндрической трубки 15. Первая деталь 11 ЗС образует первую штыревую гребенку, которая включает в себя первую составную часть 16 волновода 1 и примыкающие к ней штыри 3. Вторая деталь 12 ЗС образует первый опорный элемент, который включает в себя вторую составную часть 17 волновода 1. Третья деталь 13 ЗС образует вторую штыревую гребенку, которая включает в себя третью составную часть 18 волновода 1 и примыкающие к ней штыри 5. Четвертая деталь 14 ЗС образует второй опорный элемент, который включает в себя четвертую составную часть 19 волновода 1, снабженную первым 8 и вторым 10 прямоугольными выступами. При этом все составные части 16, 17, 18, 19 волновода 1 в местах соединения имеют ступенчатые поверхности, по которым они сопряжены и спаяны друг с другом. Полученный спаянный узел помещен в металлическую цилиндрическую трубку 15, образующую вакуумную оболочку ЗС.
Устройство работает следующим образом.
раб
В ЛБВ через ввод энергии в ЗС подается входная СВЧ-мощность. В ЗС распространяется бегущая волна по волноводу 1 вдоль штыревых гребенок ЗС. Электронный поток проходит внутри пролетных каналов, образованных сквозными отверстиями 6 в свободных концах штырей 3 первой штыревой гребенки и штырей 5 второй штыревой гребенки. Электрическое поле СВЧ-волны в зазорах между соседними чередующимися штырями 3 и 5 первой и второй штыревых гребенок взаимодействует с проходящим вдоль ЗС электронным потоком, усиливается за счет кинетической энергии электронного потока. Далее усиленная СВЧ-волна через вывод энергии поступает в полезную нагрузку. Эффект взаимодействия СВЧ-волны с электронным потоком осуществляется в определенной части полосы прозрачности ЗС (рабочем диапазоне Δλ). В рабочем диапазоне ЛБВ скорость электронного потока приблизительно равна фазовой скорости СВЧ-волны, то есть выполняется условие синхронизма. Выполнение в двух смежных стенках волновода 1 ЗС прямоугольных выступов 8 и 10 изменяет соотношение между замедлением в рабочем диапазоне и замедлением на краях полосы прозрачности, при этом на π-виде колебаний замедление уменьшается, а на 2π-виде замедление увеличивается, что устраняет возможность самовозбуждения ЛБВ на π- и 2π-видах колебаний.
Предлагаемая конструкция замедляющей системы штыревого типа применена в разработке ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн с уровнем выходной мощности 20 Вт, усилением 30 дБ, работающей интервале рабочих напряжений 16,5-18,5 кВ без возбуждения в рабочей полосе частот 1 ГГц. Элементы замедляющей системы были изготовлены методом электроискровой обработки и спаяны методом диффузионной пайки.
Источники информации
1. Патент РФ №2263376, МПК H01J 25/34, H01J 25/38, опубл. 27.10.2005, «Замедляющая система лампы бегущей волны».