ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР СВЧ ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области СВЧ-техники, а именно к приборам, обеспечивающим функции широкополосного усилителя и генератора СВЧ сигналов в режиме генерации от монохроматического до широкополосного шумоподобного сигнала с малой изрезанностью спектра и шириной полосы частот, достигающей 1-2 октав. Заявляемое устройство позволяет генерировать СВЧ-сигналы без фокусирующего магнитного поля.
Из уровня техники известен генератор широкополосного шумоподобного сигнала на основе электронного пучка с виртуальным катодом, находящимся в тормозящем статическом поле, так называемый виркатор (патент РФ на полезную модель №46884, МПК: Н01J 25/68), содержащий источник электронов, электродинамическую систему, коллектор, дополнительный коллектор-рекуператор энергии, расположенный между источником тока и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью улавливания отраженных от виртуального катода электронов. При этом коллектор выполнен в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Принцип функционирования генератора заключается в том, что нерелятивистский интенсивный пучок электронов инжектируется в пространство взаимодействия с потенциалом, тормозящим пучок. В результате этого в пучке возникает виртуальный катод, колебания которого регистрируются широкополосной электродинамической системой, параметры которой подобраны таким образом, что не выполняется условие синхронизма волны и пучка. Подобный генератор способен демонстрировать различные режимы колебаний от монохроматического сигнала до хаотического среднего и малого уровня мощности с шириной полосы до 2 октав и малой изрезанностью.
Недостатком низковольтного виркатора является достаточно низкий уровень мощности излучения. Однако в ряде приложений требуются мощности более высокого уровня. Использование этого прибора в качестве источника сигнала в усилительной цепочке делает всю используемую конструкцию более громоздкой и трудоемкой по исполнению.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению в электронике СВЧ является современный эффективный усилитель - пасотрон (Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2. М.: Физматлит, 2004). Основными конструктивными элементами пасотрона являются электронная пушка с плазменным катодом, являющаяся источником электронного пучка, и заполненная газом замедляющая электродинамическая структура, в которой при инжекции в нее интенсивного электронного пучка за счет ионизации газа создается плазменный канал. Электронный пучок проходит через пространство взаимодействия пасотрона в режиме ионной фокусировки, когда возникающая за счет ионизации нейтрального газа (обычно используется гелий или ксенон) плазма нейтрализует пространственный заряд пучка и создает силы, которые сжимают пучок при инжекции его в пространстве взаимодействия. Такой способ транспортировки электронного пучка через пространство взаимодействия позволяет отказаться от внешней магнитной фокусирующей системы, а следовательно, значительно снизить вес и уменьшить габаритные размеры мощных линейных источников СВЧ-излучения, требующих ту или иную фокусировку электронного пучка.
Таким образом, пасотрон представляет собой устройство, имеющее высокие значения коэффициента усиления. Можно было бы использовать для получения одновременно высоких параметров генератора и усилителя введение в конструкцию пасотрона цепи обратной связи. При выполнении определенных амплитудных и фазовых условий такое устройство могло бы генерировать одночастотный, многочастотный СВЧ-сигнал. Однако такой пасотрон-генератор СВЧ-сигналов также обладал бы существенным недостатком, связанным с тем, что на цепь обратной связи в этом случае накладывается жесткие фазовые условия и условия согласования волноводов с прибором. Невозможность четкого выполнения этих условий во всем диапазоне частот приводит к тому, что амплитуда генерируемого сигнала будет сильно различаться для различных частот, что в свою очередь приведет к сильной изрезанности спектра генерации, особенно в режиме генерации хаоса. В то же время в последнее время с развитием техники систем связи, приборной базы информационно-коммуникационных систем и т.д. все более востребованными становятся СВЧ-приборы, способные генерировать широкополосные хаотические сигналы с малым перепадом между максимальным и минимальным уровнем мощности в пределах полосы генерации.
Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что, несмотря на рекордные по ширине полосы характеристики пасотронов-усилителей, пасотроны-генераторы с обратной связью не могут служить перспективными источниками широкополосных
шумоподобных сигналов. Однако высокие значения коэффициента усиления и широкая полоса частот позволяют использовать пасотрон в качестве элемента усилительного каскада, где в качестве источника сигнала, как правило, широкополосного, может использоваться другой прибор с более подходящими генерационными характеристиками.
Задачей полезной модели является создание мощного компактного релятивисткого прибора СВЧ с возможностью генерации как широкополосного сигнала с шириной спектра до 1 октавы, так и одночастотного сигнала с возможностью перестройки спектральных характеристик генерации при сохранении большой мощности.
Поставленная задача решается тем, что электровакуумный плазменный усилитель-генератор СВЧ диапазона, включающий электронную пушку с плазменным катодом, заполненную газом электродинамическую замедляющую систему в виде гофрированного волновода с вводом и выводом энергии, окно связи с вакуумным насосом, расположенное между электронной пушкой и электродинамической замедляющей системой, согласно предлагаемому решению, дополнительно содержит коллектор, включающий электродинамическую систему в виде спирали или диафрагмы, снабженную поглощающими вставками и выводом энергии, и электрод с тормозящим потенциалом, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в пространстве ее электродинамической системы виртуального катода, электродинамическая замедляющая система и электродинамическая система коллектора соединены широкополосной согласованной линией связи, а вывод энергии коллектора соединен цепью обратной связи с вводом энергии электродинамической замедляющей системы.
Технический результат, достигаемый в предложенном многофункциональном приборе СВЧ, заключается в возможности использования данного прибора и как усилителя, и как мощного перестраиваемого генератора СВЧ-сигналов, генерирующего монохроматический, многочастотный и шумоподобный сигналы с полосой частот до 1 октавы без использования магнитных полей, характерных для пасотрона-усилителя.
Полезная модель основана на извлечении полезного эффекта - дополнительной энергии от отработанного электронного пучка на выходе пасотрона. Это достигнуто за счет введения дополнительного конструктивного узла - коллектора. В результате использования колебаний виртуального катода в коллекторной области было обнаружено значительное улучшение генерационных характеристик пасотрона, что позволило создать универсальный прибор, обеспечивающий генерацию широкополосного шумоподобного сигнала с высоким уровнем мощности. При этом удалось избежать трудностей, связанных с согласованием характеристик сигнала в цепочке обратной связи.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на фиг.2 - его конструкция, на фиг 3 - конструкция коллектора.
Позициями на фигурах обозначены: 1 - электронная пушка с плазменным катодом, 2 - электродинамическая замедляющая система в виде гофрированного волновода, 3 - коллектор, 4 - цепь обратной связи, 5 - вывод энергии; 6 - газовый клапан, 7 - ускоритель, 8 - окно связи с вакуумным насосом, 9 - вывод энергии с коллектора, 10 - электронный пучок, 11 - виртуальный катод, 12 - электрод с тормозящим потенциалом, 13 - ввод энергии, 14 - электродинамическая система коллектора, 15 - поглощающие вставки.
Заявляемое устройство (см. фиг.2) состоит из последовательно расположенных по направлению движения пучка: электронной пушки с плазменным катодом 1, электродинамической замедляющей системы 2, выполненной, например, в виде гофрированного волновода, и коллектора 3 (см. фиг.1), при этом коллектор 3 и электродинамическая замедляющая система 2 соединены цепью обратной связи 4, которая может быть выполнена в виде волновода или коаксиальной линии. Устройство снабжено окном связи 8 с вакуумным насосом, расположенным между электронной пушкой 1 и электродинамической замедляющей системой 2, которая в свою очередь снабжена вводом 13 и выводом 5 энергии. Коллектор 3 (см. фиг.3) состоит из расположенных в корпусе электродинамической системы 14, выполненной, например, в виде отрезка спирали или диафрагмы с поглощающими вставками 15, нагруженной на коаксиальную линию через вывод энергии 9, электрода с тормозящим потенциалом 12. Электронная пушка 1 содержит плазменный катод, газовый клапан 6 и ускоритель 7. Электронная пушка 1 с электродинамической замедляющей системой 2 обеспечивают усиление СВЧ сигнала, а коллектор - генерацию монохроматического, многочастотного и шумоподобного сигналов.
Устройство работает следующим образом. Из электронной пушки с плазменным катодом 1 выходит интенсивный электронный пучок и попадает в заполненную газом замедляющую электродинамическую систему 2, в которой за счет ионизации газа создается плазменный канал. Электронный пучок проходит через пространство взаимодействия, сформированное в замедляющей электродинамической системе 2 в режиме ионной фокусировки, когда возникающая за счет ионизации нейтрального газа (обычно используется гелий или ксенон) плазма нейтрализует пространственный заряд пучка и создает силы, которые сжимают пучок при инжекции его в пространстве взаимодействия. Затем электронный пучок попадает в коллектор 3, а именно в электродинамическую систему 14, где возникает виртуальный катод 11. СВЧ сигнал
out
снимается с помощью отрезка спирали или диафрагмы, нагруженной на коаксиальную линию, затем по цепи обратной связи 4 направляется на вход электродинамической замедляющей системы, и далее, усиливаясь до выходной мощности P, выводится через элемент вывода энергии 5 в нагрузку.
Заявляемое устройство позволяет управлять как амплитудой хаотических СВЧ колебаний, так и шириной полосы частот (от узкополосных, близких к одночастотным колебаниям, так и до широкополосных шумоподобных колебаний с шириной полосы более октавы) изменением величины тормозящего потенциала.
2
вых
Представленные на фиг.4 и 5 расчетные зависимости показывают, что коллектор данного многофункционального прибора может генерировать широкополосные хаотические сигналы среднего уровня мощности в зависимости от тормозящего потенциала V на тормозящем электроде коллектора. Мощности генерации (фиг.4) при этом достигают величин порядка 0.2 кВт в наиболее благоприятном режиме работы. Далее этот сигнал усиливается в элктродинамической замедляющей системе 2 до уровня порядка Р~2-10 МВт в непрерывном или импульсном режиме в зависимости от конкретных характеристик усилителя.
2
На фиг.5 показаны рассчитанные зависимости ширины полосы (кривая 1), спектральной плотности шума (кривая 2) и изрезанности спектра (кривая 3) хаотического сигнала, генерируемого предлагаемым прибором в зависимости от тормозящего потенциала V на электроде 12 коллектора. Представленные на фиг.5 зависимости позволяют продемонстрировать преимущества предложенного многофункционального устройства. Хорошо видно, что увеличение тормозящего потенциала расширяет полосу генерируемых частот до величины порядка октавы (Δf/f~0.8), при этом растет спектральная плотность шума S при одновременном уменьшении изрезанности спектра N, которая оценивается как перепад мощностей наиболее и наименее интенсивных спектральных компонент спектра генерации широкополосного хаотического сигнала в рабочей полосе частот.
Таким образом, предложенная полезная модель представляет собой устройство - перестраиваемый мощный СВЧ источник монохроматического, многочастотного и широкополосного хаотического сигнала дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн с шириной полосы колебаний до 1 октавы и мощностью до десятков МВт.