СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ С ВОЛНОВОДНЫМИ ТРАКТАМИ
METHOD OF MATCHING DELAY-LINE STRUCTURE OF TRAVELLING-WAVE TUBE WITH WAVEGUIDES

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 обеспечивает 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 типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи. 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 типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи. 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 волноводными трактами является одной из самых актуальных. Чрезвычайно сложно получить хорошее согласование замедляющей системы с волноводными трактами во всей полосе ее пропускания, особенно на ее границах. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах 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 полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера). В книгах 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., М.В.Вамберского, В.И.Казанского, С.А.Шелухина «Передающие устройства СВЧ»: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов; под ред. М.В.Вамберского. - М.: Высшая школа, 1984. - 448 с. описаны способы согласования замедляющих систем в виде цепочек связанных резонаторов.
Второй способ согласования, описанный в книге М.В.Вамберского, В.И.Казанского, С.А.Шелухина «Передающие устройства СВЧ» может рассматриваться как прототип. Этот способ связан с подстройкой входного (выходного) резонатора и позволяет улучшать согласование в узкой полосе частот (несколько %), поэтому, чтобы устранить самовозбуждение ЛБВ, применяются поглотители. В этом способе, во-первых, из процесса согласования «выпадает» непосредственная регулировка связи входного (выходного) резонатора с волноводными трактами, что вносит фактор случайности при получении результата, то есть отсутствует определяющая зависимость между результатом согласования и величиной связи замедляющей системы с волноводными СВЧ-трактами и, во-вторых, подстраивается только входной (выходной) резонатор, что существенно ограничивает область, в которой возможно улучшить согласование.
Сущность изобретения
Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами во всей полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10% (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны КСВн≤1.5).
Указанная проблема решается следующим образом. Согласование замедляющей структуры с волноводными трактами включает следующую последовательность операций:
B,1
1,2
i+1
рег
B,1
1,2
i+1
рег
1
2
i+1
рег
1
2
i
рег
- подбирают азимутальные размеры щелей связи входного и выходного резонаторов с волноводными трактами, размер щели входного и выходного резонаторов с регулярной замедляющей системой, а также диаметры входного, выходного и следующих за ними резонаторов. Волноводный тракт повторяет форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности), подсоединяется с торца замедляющей системы и должен иметь частоту отсечки такую же, как у прямоугольного волновода для данного диапазона частот. При этом азимутальные размеры углов щелей с волноводом и замедляющей системой должны удовлетворять следующему неравенству α>α>…α>α, где α - азимутальный угол щели связи с волноводом, α - азимутальный угол щели связи входного и выходного резонаторов с замедляющей системой, α - азимутальный размер щели связи i-го резонатора с конца (начала замедляющей системы); α - азимутальный угол щели связи между регулярными резонаторами замедляющей системы. А диаметры резонаторов замедляющей системы должны удовлетворять следующему неравенству ⌀<⌀<…⌀<⌀, где ⌀ - диаметр входного (выходного) резонатора, ⌀ - диаметр второго (предпоследнего) резонатора, ⌀ - диаметр i-го резонатора с конца (начала) замедляющей системы; ⌀ - диаметр регулярного резонатора, где i≤N/2 в случае четного числа резонаторов, и i≤(N-1)/2 в случае нечетного числа резонаторов.
Изменение азимутальных размеров щелей связи между резонаторами замедляющей системы влияет в основном на крайние области зависимости КСВн от частоты (~10-15% полосы). Изменение щелей связи с волноводом влияет на среднюю область (~85-90% полосы) зависимости КСВн от частоты. При увеличении азимутальных размеров щелей связи понижаются резонансные частоты резонаторов. Понижение частот устраняется уменьшением диаметров резонаторов. Сначала определяют азимутальный размер щели связи замедляющей системы с волноводом и диаметры входного и выходного резонаторов. Если результат согласования не удовлетворяет требованию получения величины КСВн≤1,5 во всей полосе пропускания, то переходят к увеличению щели связи между следующими резонаторами (соответственно уменьшают диаметры резонаторов) и так до получения требуемой величины КСВн≤1,5;
- в системе из трех резонаторов входного, второго (предпоследнего) и выходного с полученными в результате осуществления первой операции размерами щелей связи подстраивается частота среднего резонатора до получения характеристики согласования аналогичной частотной характеристики полосового резонаторного фильтра, состоящего из трех звеньев (двугорбая кривая с тремя минимумами и одинаковыми максимумами);
- к входному и выходному резонатор вместо изогнутого волновода с торца подсоединяется со стороны цилиндрической стенки прямоугольный волновод (как это делают в практических конструкциях ЛБВ). Регулируя щель связи с волноводом и диаметр резонатора, получают частотную характеристику, аналогичную характеристике, полученной в результате второй операции (полосу пропускания и величины КСВн);
- возвращают диаметр второго (предпоследнего) резонатора до значения, полученного в результате первой операции согласования, и проводят проверку согласования всей замедляющей системы с волноводными трактами в том виде, который практически реализуется в конструкции ЛБВ.
Всю последовательность операций наиболее целесообразно проводить расчетным путем с использованием трехмерных программ, предназначенных для решения электродинамических задач. Потребуется также допусковые расчеты. Полученные расчетным путем размеры «переносятся» с требуемыми допусками на реальную конструкцию замедляющей системы. Возможен и экспериментальный путь решения задачи согласования, но этот путь существенно более затратный.
Результатом этой последовательности операции согласования замедляющей структуры типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами будет получение КСВн≤1,5 во всей полосе пропускания замедляющей системы, которая может быть существенно больше 10%.
Перечень чертежей
Фиг.1. Замедляющая система лампы бегущей волны с волноводными трактами, повторяющими форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности) и подсоединенными с торцов замедляющей системы.
Фиг.2. Три резонатора замедляющей системы с волноводными трактами, повторяющими форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности) и подсоединенными с торцов замедляющей системы.
Фиг.3. Три резонатора замедляющей системы с волноводными трактами в том виде, который практически реализуется в конструкции ЛБВ.
Фиг.4. Замедляющая система лампы бегущей волны с волноводными трактами в том виде, который практически реализуется в конструкции ЛБВ.
Фиг.5. Расчетная и экспериментальная характеристики зависимости величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи односекционной лампы бегущей волны.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Согласование широкополосной замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов с индуктивными щелями связи с волноводными трактами осуществляется проведением четырех последовательных операций. Первая операция осуществляется с замедляющей системой (фиг.1), в которой волноводные тракты 3 повторяют форму щели связи замедляющей системы (изогнуты по окружности) и подсоединены к входному и выходному резонаторам 1 с торцов. В таком варианте подсоединения волноводов щели связи с волноводами находятся в одинаковых условиях со щелями связи 2 в замедляющей структуре и влияние изменений их размеров (увеличение) в процессе согласования аналогично влиянию изменений размеров щелей связи замедляющей системы, что существенно упрощает процесс согласования. Увеличение азимутального размера щели связи с волноводом уменьшает величины КСВн средней области (~85-90% полосы) зависимости КСВн от частоты. Увеличение азимутальных размеров щелей связи между резонаторами замедляющей системы улучшает в основном на крайние области зависимости КСВн от частоты (~10-15% полосы). При увеличении азимутальных размеров щелей связи понижаются резонансные частоты резонаторов. Понижение частот устраняется уменьшением диаметров резонаторов. Сначала все процедуры осуществляют с входным и выходным резонаторами 1 замедляющей системы. Изменяется щель связи 2 входного и выходного резонаторов 1 с волноводом 3 и диаметр входного и выходного резонаторов. Если результат согласования не удовлетворяет требованию получения величины КСВн≤1,5 во всей полосе пропускания, то переходят к увеличению щели связи между следующими резонаторами (соответственно уменьшают диаметры резонаторов), и так до получения требуемой величины КСВн≤1,5.
Вторая операция осуществляется с замедляющей системой (фиг.2), состоящей из трех резонаторов с волноводными трактами 3, повторяющими форму щели связи замедляющей системы (изогнут по окружности) и подсоединенными с торцов замедляющей системы к входному и выходному резонаторам 1. Если были изменены щели связи входного и выходного резонаторов с последующим и их диаметры, а это делают в случае полосы пропускания замедляющей системы, превышающей 10%, то в системе из трех резонаторов входного, второго (предпоследнего) и выходного с полученными в результате осуществления первой операции размерами щелей связи подстраивают частоту среднего резонатора до получения характеристики согласования, аналогичной частотной характеристике полосового резонаторного фильтра, состоящего из трех звеньев (двугорбая кривая с тремя минимумами и одинаковыми максимумами).
Третья операция осуществляется с замедляющей системой (фиг.3), состоящей из трех резонаторов с волноводными трактами 4, в виде прямоугольного волновода, подсоединенного со стороны цилиндрической стенки входного и выходного резонаторов 1 (как это делают в практических конструкциях ЛБВ). Подбирают размеры щелей связи с волноводами 4 до получения характеристики, аналогичной характеристике, полученной в результате проведения второй операции согласования.
При проведении четвертой операции возвращают диаметр второго (предпоследнего) резонатора до значения, полученного в результате первой операции согласования, и проводят проверку согласования всей замедляющей системы (фиг.4) с волноводными трактами 4, подсоединенными со стороны цилиндрической стенки входного и выходного резонаторов 1.
На фиг.5 показана экспериментальная зависимость величины КСВн от частоты для широкополосной замедляющей системы типа цепочки связанных одиннадцати резонаторов с индуктивными щелями связи односекционной лампы бегущей волны, согласование которой с волноводными трактами проведено в соответствии с описанным способом. Подобран оптимальный размер щели связи с волноводным трактом. Щели связи увеличены в двух резонаторах замедляющей системы с начала и конца замедляющей системы. Уменьшены диаметры трех резонаторов с начала и конца замедляющей системы. Полоса пропускания замедляющей системы составляет величину порядка 31%. Результаты согласования (экспериментальные величины КСВн в полосе пропускания ≤1.54) подтверждают работоспособность предложенного способа согласования. В «прозрачной» ЛБВ с такой замедляющей системой можно получить усиление в полосе частот более 20% без введения поглотителей и без самовозбуждения.