ГИБРИДНЫЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР НА ОТРАБОТАННОМ ТУРБУЛЕНТНОМ ЭЛЕКТРОННОМ ПУЧКЕ

Полезная модель относится к области сверхвысокочастотной электроники и может быть использована для генерации широкополосных шумоподобных СВЧ-сигналов.
В настоящее время всё больше вызывает интерес изучение и применение шумоподобных широкополосных СВЧ-сигналов. В частности, рассматривалось применение таких сигналов в системах связи, радиолокации, измерительной технике (Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит. 2002; Н.Н. Залогин, В.В. Кислов. М.: Радиотехника. – 2006; Дмитриев А.С., Кузьмин Л.В., Юркин В.Ю. Сверхширокополосные беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиоимпульсов. Изв. ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика, 2009, т.17, №4, с.90-104; Короновский А.А., Москаленко О.И., Храмов А.Е. О применении хаотической синхронизации для скрытой передачи информации. Успехи физических наук. 179 (12) (2009) 1281-1310). Также представляется перспективным использование хаотических сигналов в ряде отраслей обрабатывающей промышленности, таких как нефтеперерабатывающая промышленность, деревообрабатывающая и т.п. (Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Березин С.И. Наука и технологии в промышленности. 3 (2009) 28-31.). Наиболее распространённым вакуумным СВЧ прибором, способным генерировать хаотический СВЧ-сигнал, является генератор на лампе бегущей волны (ЛБВ), который представляет собой ЛБВ с введённой цепью обратной связи. Недостатком такой схемы является то, что она характеризуется жёсткими ограничениями, связанными с необходимостью согласования тракта цепи обратной связи и самого прибора в широкой полосе частот, а также обеспечением правильных фазовых условий для цепи обратной связи. Из-за трудностей выполнения указанных условий амплитуда генерируемого сигнала будет различной для каждой частоты, что ведёт к сильной изрезанности спектра сигнала, что особенно видно при генерации хаотических сигналов с непрерывным спектром. В то же время, часто требуются сигналы с минимально возможным перепадом между минимумом и максимумом мощности сигнала в полосе генерации. Следует заметить, что электронный пучок на выходе из пространства взаимодействия ЛБВ обладает остаточной мощностью. Отработанный электронный пучок помимо остаточной мощности имеет и остаточную группировку, а также широкий спектр продольных скоростей электронов. В целом это сильно неламинарный пучок, который может быть использован для генерации широкополосных шумоподобных колебаний, для усилителей и подавителей СВЧ сигнала.
Известен электровакуумный прибор СВЧ-диапазона (см. патент РФ на изобретение №2288518, МПК H01J25/00). Электровакуумный прибор состоит из источника электронов, электродинамической системы с элементами ввода и вывода энергии, коллектора с системой электродов. Прибор содержит дополнительную электродинамическую систему с элементом вывода энергии, расположенную в коллекторе и снабженную поглощающими вставками на входе, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в его пространстве виртуального катода, а элемент вывода дополнительной электродинамической системы соединен с элементом ввода основной электродинамической системы.
Недостатком данной конструкции является то, что она не позволяет осуществлять усиление полезного внешнего СВЧ сигнала.
Наиболее близким к заявляемому является гибридный электровакуумный СВЧ прибор на основе лампы бегущей волны (см. патент РФ на полезную модель №135447, МПК H01J25/00). Устройство представляет собой СВЧ прибор, содержащий последовательно расположенные источник электронов, электродинамическую систему с элементами ввода и вывода энергии, коллектор-рекуператор с по крайней мере двумя электродами в форме диафрагм и выводом энергии. Вывод энергии коллектора-рекуператора соединен с одним из электродов, при этом электроды коллектора-рекуператора подключены к источникам потенциала различного значения.
Однако выходная интегральная мощность у данного устройства не превышает 12 Вт.
Технической проблемой является создание такого гибридного генератора шумоподобных (хаотических) широкополосных СВЧ колебаний, который обеспечил бы получение сигналов в диапазоне сверхвысоких частот мощностью более 50 Вт.
Технический результат, достигаемый в предложенном гибридном устройстве, состоит в повышении выходной мощности генерируемого СВЧ сигнала, при этом сохраняется возможность усиления полезных внешних сигналов до уровня порядка 180 Вт.
Техническая проблема решается тем, что гибридный СВЧ-генератор на отработанном турбулентном электронном пучке, содержащий, электродинамическую систему в виде ЛБВ с элементами ввода и вывода энергии, коллектор с выводом энергии, согласно решению дополнительно содержит трубу дрейфа, расположенную между ЛБВ и коллектором, при этом труба дрейфа расположена во внешнем фокусирующем магнитном поле, а отношение радиуса электронного пучка к радиусу трубы дрейфа составляет 0.1÷0.15.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлено:
на фиг. 1 – принципиальная схема конструкции гибридного СВЧ генератора;
тр
0
0
тр
э.п.
тр
на фиг. 2 – зависимость величины токооседания на трубу дрейфа I/I (I - ток на входе в трубу дрейфа, I - ток на трубе дрейфа) от отношения радиуса электронного пучка r к радиусу трубы дрейфа r;
вых
вх
на фиг. 3 - приведены амплитудные характеристики (Рв зависимости от Р) ЛБВ усилителя;
на фиг. 4 – величина разброса электронов отработанного пучка по скоростям (ΔV ширина разброса, V – средняя скорость) для разных режимов работы ЛБВ;
input
на фиг. 5 – зависимость отношения тока пучка на выходе из трубы дрейфа I к току на входе I от отношения Z/L, где Z - пройденное пучком в трубе дрейфа расстояние, L – полная длина трубы дрейфа;
вых
k
0
на фиг. 6 – зависимость выходной мощности Р низковольтного виркатора от величины тормозящего потенциала коллектора k = (1 - U/ U);
эл
k
0
на фиг. 7 – зависимость электронного КПД η низковольтного виркатора от тормозящего потенциала коллектора k = (1 - U/ U);
вых
на фиг. 8 – изменение выходной мощности генератора Р(линейный режим соответствует N = 1, режим насыщения N = 2, режим перенасыщения N = 3);
на фиг. 9 – КПД генератора η для трёх режимов работы ЛБВ (линейный режим соответствует N = 1, режим насыщения N = 2, режим перенасыщения N = 3);
Позициями на чертежах обозначены:
1 – электродинамическая система в виде ЛБВ (ЛБВ-усилитель);
2 – труба дрейфа;
3 – магнитная фокусирующая система;
4 – коллектор;
5 – вывод энергии в виде коаксиальной линии.
Гибридный СВЧ-генератор (фиг. 1) содержит последовательно расположенные ЛБВ 1 с элементами ввода и вывода энергии, трубу дрейфа 2 и коллектор 4 с выводом энергии, выполненным в виде коаксиальной линии 5 и магнитную фокусирующую систему 3 расположенную вокруг трубы дрейфа 2.
Диаметр трубы дрейфа 2 равен 15 мм, а длина 100 мм. В трубе дрейфа 2 электронный пучок фокусируют периодическим магнитным полем (МПФС) с амплитудой B = 0.05 Тл и периодом 25 мм.
Параметры ЛБВ-усилителя:
- Ускоряющее напряжение U = 4.2 кВ.
- Ток пучка 200 мА.
- Выходная мощность 180 Вт (в режиме насыщения).
- Электронный КПД ~ 21%.
- Коэффициент усиления – 45 дБ.
- Полоса рабочих частот 1 - 2 Ггц.
Амплитудные характеристики ЛБВ усилителя 1 приведены на фиг. 3.
Устройство работает следующим образом.
Электронный пучок формируется и усиливается в ЛБВ 1 при подключении к источнику питания (на чертеже не показан). Усиленный в ЛБВ внешний сигнал выводится через элемент вывода энергии. Отработанный электронный пучок на выходе усилительной секции ЛБВ 1 характеризуется существенным разбросом электронов по скоростям и как следствие – неламинарностью. Далее он проходит через трубу дрейфа 2, в которой подвергается фокусировке магнитной фокусирующей системой 3. Под действием тормозящего поля коллектора 4, потенциал которого может изменяться в широких пределах (от 0 до 4200 В), электроны отражаются от коллектора 4 и направляются в центральную область трубы дрейфа 2, формируя электронные сгустки, пространственно-временные колебания которых являются источником СВЧ излучения. Электроны с достаточной для преодоления тормозящего потенциала коллектора кинетической скоростью оседают на нем. Энергия колебаний выводится через коаксиальную линию 5.
Как показали проведенные экспериментальные исследования (фиг. 2), значение величины отношения радиуса электронного пучка к радиусу трубы дрейфа должно находиться в диапазоне значений 0.1÷0.15. При указанных значениях величина токооседания практически не изменяется и не превышает 5%. С увеличением отношения радиуса электронного пучка к радиусу трубы дрейфа в эксперименте наблюдался существенный рост величины токооседания, что отрицательным образом сказывается на выходных характеристиках генератора.
На фиг. 3 приведена амплитудная характеристика ЛБВ усилителя моносигнала. Цифрами на фиг. 3 обозначены области работы ЛБВ усилителя моносигнала в линейном режиме (область, соответствующая N = 1), в режиме насыщения (область, соответствующая N = 2), и в режиме за насыщением или, иначе, область перенасыщения (область, соответствующая N = 3).
Из фиг. 4 видна зависимость ширины разброса электронов по скоростям ΔV/V (где ΔV ширина разброса, V – средняя скорость), измеренная на входе в трубу дрейфа в трёх аналогичных режимах работы ЛБВ. Для анализа спектра скоростей использовали метод тормозящего поля. Из фиг. 4 видно, что разброс электронов в линейном режиме составлял ~20%, а в режиме насыщения и перенасыщения - до 80-90%. При этом, как показали измерения, присутствует группа электронов, ускоренных СВЧ полем (т.е. забирающих у электромагнитного поля энергию).
В пролётном канале из-за сил пространственного заряда и осаждения на стенках наиболее медленных электронов спектр сужается (фиг. 5) и составляет 35-40%. Такой пучок (с большим разбросом по скоростям) турбулизируется в трубе дрейфа, формируя плотные сгустки пространственного заряда.
Заметим, что токопрохождение в ЛБВ в динамическом режиме составляет 85%, т.е. величина тока, поступающего в трубу, составляет 170 мА, а к концу трубы он уменьшается до 130 мА.
Уменьшение тока связано с выбыванием «медленных» электронов на замедляющую систему ЛБВ и трубу дрейфа в точках нулевого магнитного поля магнитной периодической фокусирующей системы.
вых
эл
k
0
k
0
вых
Зависимости выходной интегральной мощности Р генератора и электронного КПД η от величины тормозящего потенциала коллектора приведены на фиг. 6 и 7, k = 1-U/ U, где U– напряжение коллектора, U– ускоряющее напряжение. Данные получены для режима максимального КПД ЛБВ. Видно, что в отсутствии торможения выходная интегральная мощность составляет порядка 30 Вт, а при торможении k= 0.6 достигает 60 Вт. В линейном режиме ЛБВ Р генератора составляет порядка 10 Вт, а в режиме перенасыщения 65 Вт (фиг. 8). При этом, как показано на фиг. 9 электронный КПД составляет 3% в линейном режиме ЛБВ (N = 1), 11% в режиме насыщения (N = 2), и 11.5% в режиме за насыщением (N = 3). Таким образом, можно определить основные параметры гибридного генератора на отработанном электронном пучке:
- ускоряющее напряжение 4.2 кВ
- ток пучка 130 мА
- максимальная выходная интегральная мощность - 60 Вт
- электронный КПД 11%
- полоса частот 1 - 3 ГГц.