ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
TRAVELLING-WAVE TUBE

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 пучка 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 обеспечивают 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. В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяют замедляющие системы в виде цепочек резонаторов с индуктивной связью, выполненных в виде диафрагмированного круглого волновода. 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 встроенных поглотителей с небольшим коэффициентом усиления (7-15 дБ).
Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, с индуктивной связью. Электронный поток создается электронной пушкой. Пройдя через замедляющую систему, электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы связаны с волноводными передающими линиями с помощью волноводных переходов и герметизирующих диэлектрических перегородок.
Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов. Для ЛБВ задача согласования замедляющей системы с передающими линиями является одной из самых актуальных. Трудно получить хорошее согласование замедляющей системы с передающими линиями 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 на границах полосы пропускания, при этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители, которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители.
Мощная ЛБВ описана в книге 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. Эта ЛБВ может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему, состоящую из цепочки связанных резонаторов с поглотителями, волноводные переходы с вакуум непроницаемыми окнами, соединяемые с входным и выходным резонаторами, фокусирующую систему в виде соленоида и коллектор, охлаждаемый водой. Входной резонатор замедляющей системы с винтами для подстройки согласования и выходной резонатор с согласующим окном, образуют так называемые устройства согласования.
Раскрытие изобретения
Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы с передающими линиями, включающими волноводные переходы с герметизирующими окнами во всей полосе пропускания замедляющей системы (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны по напряжению КСВн ≤1.5).
Введение поглощения в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы - вблизи границ полосы, где самовозбуждение ЛБВ наиболее вероятно, а также расположение поглощающих устройств снаружи замедляющей системы, позволит существенно упростить отвод тепла от них, а также упростить конструкцию ЛБВ.
Указанная проблема решается следующим образом. Мощная "прозрачная" ЛБВ содержит электронную пушку, замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов, магнитную систему, коллектор, входной и выходной волноводные переходы с герметизирующими диэлектрическими перегородками от замедляющей системы к входному и выходному волноводным трактам.
Электронный поток создается электронной пушкой. Пройдя через замедляющую систему, электронный поток попадает в коллектор. Резонаторы замедляющей системы, к которым подсоединяются входной и выходной волноводные переходы с герметизирующими окнами, служат для согласования замедляющей системы с передающими волноводными линиями. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящих из ряда электрических или постоянных магнитов. Получить хорошее согласование замедляющей структуры с передающими линиями с коэффициентом стоячей волны по напряжению КСВн ≤1,5 во всей полосе пропускания чрезвычайно сложно. Особенно сложно выполнить эту задачу, если полоса пропускания замедляющей системы превышает 10%.
Если входной и выходной волноводные переходы, либо один из них со стороны широкой стенки нагрузить (связать с) низкодобротными четвертьволновыми коаксиальными резонаторами и настроить их на частоту близкую к границам полосы пропускания, потери в этих областях существенно увеличатся. Добротность коаксиального резонатора примерно в три раза меньше, чем добротность резонатора замедляющей системы. Для уменьшения добротности (увеличения вносимых потерь) коаксиальный резонатор можно изготовить из материала с низкой проводимостью, например, из нержавеющей стали, проводимость которой примерно в 40 раз ниже проводимости меди. Соответственно добротность коаксиального резонатора понизится примерно в 6,5 раза. Величину вносимых потерь можно регулировать за счет длины внутреннего проводника коаксиального резонатора, а резонансную частоту можно изменять за счет длины коаксиального резонатора.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 Лампа бегущей волны, вакуумированные области входного и выходного волноводного переходов которой связаны с четвертьволновыми коаксиальными резонаторами.
Фиг.2 Волноводный переход, связанный с коаксиальным резонатором.
Фиг.3 Экспериментальная характеристика зависимости потерь в замедляющей системе ЛБВ от частоты без коаксиального резонатора и при наличии коаксиального резонатора.
Осуществление изобретения
Лампа бегущей волны, показанная на фиг.1, содержит следующие устройства:
- электронную пушку 1;
- замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов 2;
- магнитную систему 3;
- коллектор 4;
- входной волноводный переход 5;
- выходной волноводный переход 6;
- герметизирующие перегородки 7, 8;
- коаксиальный четвертьволновый резонатор 9, связанный с волноводными переходами 5, 6.
Коаксиальные резонаторы (поз.8) связаны с волноводными переходами (поз.5). На фиг.2 показан четвертьволновый коаксиальный резонатор (поз.9), связанный с волноводными переходами (поз.5, 6). Размеры и количество коаксиальных резонаторов подбираются расчетным или экспериментальным путем.
Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1) распространяется вдоль замедляющей системы (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым электрическими или постоянными магнитами (поз.3). Электроны в процессе взаимодействия модулируются по скорости, что приводит к модуляции потока по плотности. Благодаря взаимной связи между полем и потоком при его движении от входа замедляющей системы к выходу этот процесс нарастает, а кинетическая энергия электронов при их торможении передается полю. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ сигнала, подаваемого со стороны входного волновода перехода (поз.5). Вывод СВЧ усиленного сигнала осуществляется через выходной волноводный переход (поз.6). Замедляющая система и волноводные переходы отделяются от СВЧ трактов с помощью герметизирующих окон (поз.7, 8). "Отработанный" электронный поток попадает в коллектор, где кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Подсоединенные к входному и выходной волноводному переходу со стороны широкой стенки низкодобротные четвертьволновые коаксиальные резонаторы (поз.9) вносят необходимые дополнительные потери в областях близких к границам полосы пропускания замедляющей системы и позволяют подавить возможное возбуждение ЛБВ.
На фиг.3 показана зависимость потерь от частоты в замедляющей системе широкополосной односекционной ЛБВ без коаксиальных резонаторов в волноводных переходах. Полоса пропускания замедляющей системы составляет величину порядка 33% (от fн=0,835 fcp до fв=1,165 fcp) и соответствует примерно уровню потерь равному - 10 дБ. Рабочая полоса ЛБВ составляет примерно 25%. ЛБВ имеет волноводные вход и выход. Для иллюстрации внесения дополнительных потерь с помощью коаксиального резонатора к входному волноводному переходу в середине широкой стенки волновода был подсоединен перестраиваемый четвертьволновый коаксиальный резонатор, изготовленный из нержавеющий стали. Коаксиальный резонатор настраивался на частоту вблизи верхней границы пропускания fк=1,156 fcp (зависимость потерь от частоты в замедляющей системе для этого варианта настройки показана на фиг.4) и на частоту равную fк=1,075 fcp (зависимость потерь от частоты в замедляющей системе для этого варианта настройки показана на фиг.5). Видно, что на указанных частотах потери увеличивались примерно на 17-18 дБ. Коаксиальный резонатор можно также настроить и на частоту вблизи нижней границы пропускания.
Таким образом, в широкополосной ЛБВ с четвертьволновыми коаксиальными резонаторами, связанными с входным и выходным волноводными переходами от замедляющей системы к передающим линиям или одним из них, не будет условий для самовозбуждение ее на границах полосы пропускания. Результаты экспериментов подтверждают работоспособность предложенной конструкции.