Лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн
TRAVELING WAVE TUBE OF THE MILLIMETER WAVELENGTH RANGE

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к электровакуумным приборам О-типа, и может быть использовано в низковольтных лампах бегущей волны (ЛБВ) непрерывного и импульсного действия миллиметрового диапазона длин волн.
Одним из основных направлений развития ЛБВ во всем мире - создание низковольтных ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн с высокой средней и импульсной выходной мощностью, высоким КПД и широкой полосой частот.
При переходе в миллиметровый диапазон длин волн происходит уменьшение всех размеров замедляющей системы (ЗС), они становятся на порядок меньше, чем в сантиметровом диапазоне длин волн. Поэтому при создании и изготовлении ЛБВ миллиметрового диапазона возникают значительные технологические трудности, связанные с изготовлением отдельных элементов ЗС, их сборкой и последующей пайкой, а также обеспечением механической прочности, теплоотвода и герметичности конструкции. В разрабатываемых ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн широко применяются конструкции ЗС типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР) и «петляющий волновод» (ПП). Замедляющие системы данного типа имеют цельнометаллическую конструкцию, что обеспечивает высокую теплостойкость внутренних элементов, высокую механическую прочность и при этом обладают всеми необходимыми электродинамическими характеристиками.
Известна ЗС типа ЦСР для ЛБВ миллиметрового диапазона, цепочки связанных резонаторов которой выполнены в виде соединенных друг с другом чередующихся тонких проводящих колец и диафрагм без трубок дрейфа. [Патент Российской Федерации №2307421 С1].
Недостатком данной конструкции является многочисленная пайка диафрагм и проводящих колец, имеющих размеры единицы миллиметров, которая обеспечивает плохой вакуумно-плотный спай. Реализовать изохронную секцию в ЗС типа ЦСР для повышения КПД ЛБВ миллиметрового диапазона практически невозможно, т.к. уменьшение продольных размеров элементов конструкции ЗС усложняет их изготовление, уменьшает жесткость и механическую прочность конструкции, ухудшает теплоотвод, а также может привести к нарушению герметичности ЛБВ. ЗС типа ЦСР может обеспечивать работу ЛБВ миллиметрового диапазона в импульсном режиме с высокой скважностью.
Известна также замедляющая система типа «петляющий волновод» прямоугольного поперечного сечения, представляющая собой систему встречных пластин с боковыми стенками. Рабочая гармоника такой системы обладает слабой дисперсией в полосе частот 30% [А.Д. Григорьев, А.С. Иванов, В.А. Ильин, В.В. Лучинин, В.Н. Титов Проектирование лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов // Научно-технический сборник «Электронная техника» Серия 1 «СВЧ-техника», Выпуск 4(527) - 2015, стр. 28-35].
Недостатком замедляющей системы является низкое значение сопротивления связи основной гармоники в рабочей полосе частот. Также при данной конструкции ЗС в лампе используется ленточный пучок, который требует чрезвычайно большой величины магнитного поля, необходимой для его транспортировки в канале без токооседания. Это приводит к уменьшению микропервеанса электронного пучка, что приводит к снижению электронного КПД и выходной мощности ЛБВ. Технология изготовления ЗС с геометрией пролетного канала под ленточный пучок требует делать ЗС из двух частей с последующей пайкой в единый электродинамический узел, что может приводить к значительному росту собственных распределенных потерь ЗС.
Известна ЛБВ с замедляющей системой типа «петляющий волновод» с переменным поперечным сечением (прототип) [А.А. Иванов Результаты разработки и перспективы дальнейшего развития ЛБВ Ка и W-диапазонов с замедляющей системой типа «петляющий волновод» // Материалы XIX координационного научно-технического семинара по СВЧ технике, 5-7 сентября 2017 г., Нижегородская область, п. Хахалы, стр. 18-20].
Замедляющая система представляет собой систему встречных пластин с переменным поперечным сечением. Такая система имеет повышенное сопротивление связи основной гармоники в рабочей полосе частот. Изготовление данной системы с помощью электроискрового оборудования обеспечивает соблюдение жестких допусков на геометрические размеры ЗС.
Недостатком такой системы является существенное уменьшение рабочей полосы частот и низкий КПД. Увеличение КПД прибора возможно за счет введения изохронной секции. Уменьшение толщины встречных пластин приводит к ухудшению механической прочности и теплового режима лампы. Это в свою очередь определяет работу ЛБВ только в импульсном режиме.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение средней и импульсной выходной мощности прибора при низком рабочем напряжении питания, высокий КПД, широкая полоса рабочих частот, высокая эксплуатационная надежность в непрерывном режиме работы и термостойкость внутренних элементов замедляющей системы. Кроме того, предлагаемая прецизионная технология изготовления замедляющей системы и согласующих волноводов обеспечивает повторяемость и воспроизводимость параметров ЛБВ, облегчает юстировку.
1
2
3
1
2
3
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн содержит электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор, замедляющую систему типа «петляющий волновод», и магнитную периодическую фокусирующую систему, содержащую ряд последовательно расположенных вдоль оси замедляющей системы кольцевых магнитов, между которыми расположены кольцевые полюсные наконечники из магнитомягкого материала. Замедляющая система выполнена в виде продольного ряда ячеек, выполненных с постоянным шагом, в каждой из них встречная пластина выполнена с прямоугольным выступом, и дополнительно имеет короткозамкнутый отрезок волновода в Е-плоскости, ряд ячеек образует входную и выходную секции, между которыми расположена секция с поглотителями СВЧ энергии, а длина лампы разделена на три участка с разной фазовой скоростью рабочей замедленной волны вдоль центральной оси по направлению электронного потока - первый, второй, третий в соответствии с коэффициентом замедления * где U - рабочее напряжение, k - коэффициент пропорциональности между коэффициентом замедления и рабочим напряжением ЛБВ, причем N<N<N, а k=506,5±5%, k=508,8±5% и k=523,6±5%, в первую и последнюю ячейку вставлен согласующий волновод, постепенно расширяющийся до стандартного сечения 23x10 мм.
Замедляющая система, пролетный канал и согласующие волноводы могут быть изготовлены из одной заготовки прецизионным электроискровым способом, и закрыты крышками, при этом вакуумная часть ЛБВ и две крышки вакуумно-плотно соединены посредством диффузионной пайки.
Поглотитель СВЧ-энергии может быть выполнен из материала с высокой диэлектрической проницаемостью с топологией «шпильки» и в поперечном сечении приближен к оси симметрии ЗС.
Кольцевые полюсные наконечники из магнитомягкого материала выполнены разрезными и соединены между собой посредством пайки.
Замедляющая система обладает дисперсионной характеристикой с незначительной крутизной, за счет введения в периодическую структуру типа «петляющий волновод» индуктивных элементов в виде короткозамкнутых отрезков волновода в Е-плоскости. Это позволило расширить рабочую полосу ЛБВ. Каждая ячейка имеет две встречные пластины с прямоугольным выступом, расположенным в пространстве электронного-волнового взаимодействия, который выполняет функцию трубки дрейфа. Это обеспечивает более высокую концентрацию электрического поля, чем в остальной части волновода и позволяет электронному пучку взаимодействовать с полем бегущей волны более эффективно. Такая модификация ЗС обладает повышенным сопротивлением связи в рабочей полосе частот.
1
2
3
Повышение КПД и выходной мощности ЛБВ возможно за счет повышения эффективности электронного-волнового взаимодействия. Достичь этого позволяет введение выходной секции замедляющей системы с измененной фазовой скоростью замедленной волны. ЗС разделена на три участка с разной фазовой скоростью рабочей замедленной волны вдоль центральной оси по направлению от электронной пушки к коллектору первый, второй, третий в соответствии с коэффициентом замедления N. Скачки фазы дают положительный эффект, если при фиксированном рабочем напряжении прибора использовать следующие коэффициенты пропорциональности k=506,5, k=508,8 и k=523,6.
Расположение поглотителей СВЧ-энергии вблизи оси симметрии ЗС позволяет обеспечить механическую прочность конструкции ЗС при сохранении небольшого внешнего диаметра всей системы, следовательно, увеличить ток электронного пучка для повышения выходной мощности прибора.
Изготовление ЗС, пролетного канала и согласующих волноводов из одной заготовки с помощью электроэрозионного технологического процесса, позволяет обеспечивает малый диаметр пролетного канала и исключает из конструкции пайку входного и выходного волновода с соседними элементами.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена предлагаемая ЛБВ миллиметрового диапазона, где:
электронная пушка 1,
ввод и вывод энергии 2,
коллектор 3,
замедляющая система 4,
магнитная периодическая фокусирующая система 5,
поглотители СВЧ-энергии 13,
согласующий волновод 14.
На фиг. 2 изображена ячейка ЗС, входная и выходная секции ЛБВ и секция с поглотителями СВЧ-энергии, где:
а) входная секция 11,
выходная секция 12,
поглотители СВЧ-энергии 13,
б) прямоугольный выступ на встречной пластине ячейки 9,
короткозамкнутый отрезок волновода 10,
пролетный канал 15,
в) короткозамкнутый отрезок волновода 10,
поглотители СВЧ-энергии 13.
На фиг. 3 изображен ряд ячеек ЗС ЛБВ и крайняя ячейка ЗС с интегрированным в нее согласующим волноводом, где:
а) ячейка 8,
короткозамкнутый отрезок волновода 10,
согласующий волновод 14,
б) пролетный канал 15
крышки 16.
На фиг. 4 изображена магнитная периодическая фокусирующая система предлагаемой ЛБВ миллиметрового диапазона, где:
кольцевые магниты 6,
кольцевые полюсные наконечники 7.
Пример. Разработана двухсекционная ЛБВ верхней части миллиметрового диапазона с полосой частот 1 ГГц, напряжением 17-18 кВ.
Лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн содержит электронную пушку 1, ввод и вывод энергии 2, коллектор 3, замедляющую систему типа «петляющий волновод» 4, и магнитную периодическую фокусирующую систему 5. Магнитная периодическая фокусирующая система 5 содержит ряд последовательно расположенных вдоль оси замедляющей системы 4 кольцевых магнитов 6, между которыми расположены кольцевые полюсные наконечники 7 из магнитомягкого материала сталь 10. Замедляющая система 4 выполнена в виде продольного ряда ячеек 8, выполненных с постоянным шагом 1,04 мм, каждая из ячеек 8 имеет две встречные пластины с прямоугольным выступом 9 и короткозамкнутый отрезок волновода 10 в Е-плоскости. Ряд ячеек 8 образует входную 11 и выходную 12 секции, между которыми расположена секция с поглотителями СВЧ-энергии 13 из керамики АН-МКХ2, имеющий в W-диапазоне ε=22 и tgδ=0,16. Поглотители 13 выполнены в виде «шпильки», что обеспечивает в широкой полосе частот около 25% хорошее согласование. Модуль коэффициента отражения от секции с поглотителями 13 не превышает -30дБ. Это обеспечивает работу прибора без самовозбуждения. Поглотители СВЧ-энергии 13 приближены к оси симметрии ЗС 4 на 460 мкм, что позволяет обеспечить механическую прочность конструкции ЗС 4 при сохранении внешнего диаметра всей системы 4,6 мм. Это позволяет увеличить ток электронного пучка, и, следовательно, повысить выходную мощность прибора.
1
1
2
2
3
3
Длина лампы разделена на три участка с разной фазовой скоростью рабочей замедленной волны вдоль центральной оси по направлению от электронной пушки 1 к коллектору 3. Коэффициент замедления N первого участка равен при k=506,5. Коэффициент замедления N второго участка равен при k=508,8. Коэффициент замедления N третьего участка равен при k=523,6. При рабочем напряжении U равном 17,5 кВ. При этом фазовый сдвиг для центральной частоты составил 1.4π, а отношение центральной частоты к частоте отсечки - 1.15. В первую и последнюю ячейку 8 вставлен согласующий волновод 14, постепенно расширенный до стандартного сечения 23*10 мм.
Замедляющая система 4, пролетный канал 15 и согласующие волноводы 14 изготовлены из одной заготовки, выполненной из меди, прецизионным электроискровым способом, и закрыты крышками 16, также выполненными из меди. Фактически ЗС 4, пролетный канал 15 и волноводы 14 изготавливают из внутренней части заготовки, формирующей вакуумную рабочую область ЛБВ, а наружная часть заготовки образует две крышки 16. Пролетный канал 15 выполнен электроискровым способом имеет диаметр 0,4 мм.
Вакуумная часть ЛБВ и две крышки 16 вакуумно-плотно соединены посредством диффузионной пайки. Максимальное значение КСВн в рабочей полосе системы без секции с поглотителями СВЧ-энергии не превышает 1,07.
Кольцевые полюсные наконечники 7 выполнены разрезными из стали 10 и соединены между собой посредством пайки.
Предлагаемая лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн работает следующим образом.
Сформированный электронной пушкой 1 электронный поток поступает в пролетный канал 15 ЗС 4, который образован центральными пролетными отверстиями ячеек 8, и проходит вдоль оси ЗС 4 по направлению к коллектору 3. Для предотвращения расхождения электронов под действием объемного заряда ЛБВ снабжена МПФС 5. Входной СВЧ сигнал через ввод энергии 2 поступает в ЗС 4 и возбуждает электромагнитную волну, которая распространяется по ЗС 4 в том же направлении, что и электронный поток. Электронный поток модулируется по скорости, затем происходит группирование электронов в сгустки. Сгруппированный электронный поток, в свою очередь, увеличивает амплитуду бегущей электромагнитной волны, отдавая ей часть своей кинетической энергии, которая в виде усиленного СВЧ сигнала выводится из ЗС 4 через вывод энергии 2 и поступает в нагрузку. Электронный поток, пройдя вдоль ЗС 4, попадает в коллектор 3.
Предлагаемая конструкция применена в разработке двухсекционной ЛБВ верхней части миллиметрового диапазона с полосой частот 1 ГГц, с напряжением 17-18 кВ. При этом обеспечен уровень выходной импульсной мощности 60 Вт и коэффициент усиления более 42 дБ. Модернизация ЗС типа «петляющий волновод» позволила расширить рабочую полосу ЛБВ до 10% с неравномерностью АЧХ не более 1.1 дБ. А также получить высокий электронный КПД лампы - 4%. В данной ЛБВ конструкция ЗС обладает высокой термостойкостью внутренних элементов, что повышает ее эксплуатационную надежность. Предложенная технология изготовления ЗС и согласующих волноводов должна обеспечивать воспроизводимость параметров этих узлов и необходимый для промышленного производства процент выхода годных.