"ПРОЗРАЧНАЯ" ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
TRANSPARENT TRAVELLING-WAVE TUBE

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к миниатюрным «прозрачным» (односекционным) лампам бегущей волны (ЛБВ) миллиметрового или сантиметрового диапазонов длин волн средней или большой мощности с высоким коэффициентом усиления с замедляющей системой (ЗС) типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР).
Известна мощная однолучевая «прозрачная» лампа бегущей волны (прототип изобретения), содержащая электронную пушку, замедляющую систему с равномерным шагом, в резонаторах которой установлены пролетные трубы, а также ввод и вывод СВЧ-энергии и коллектор [1]. В конструкции ЛБВ использована ЗС типа ЦСР, которая на сегодняшний день является единственно приемлемым типом замедляющей системы для «прозрачных» ЛБВ, так как замедляющие системы типа ЦСР имеют высокое сопротивление связи, большую механическую прочность и термостойкость, а также просты в подборе необходимой дисперсионной характеристики. Конструкция ЛБВ с пролетными трубами в резонаторах ЗС предназначена в основном для работы в сантиметровом диапазоне длин волн и практически непригодна для использования в миллиметровом диапазоне. ЛБВ сантиметрового диапазона имеет, как правило, пологую дисперсионную характеристику, вследствие чего возможно возбуждение ЛБВ на нижней и верхней границах полосы пропускания ЗС (то есть вблизи π- и 2π-видов колебаний). Замедляющая система известной ЛБВ снабжена дополнительным участком с переменным внутренним диаметром резонаторов, расположенным на выходе основной части ЗС, содержащей резонаторы с постоянным внутренним диаметром. Введение дополнительного участка ЗС, выполняющего функцию плавного согласующего трансформатора между основной частью ЗС и выходным волноводом, приводит к расширению области согласования ЗС с выходным волноводом в сторону длинноволновой границы полосы пропускания ЗС, что уменьшает вероятность возбуждения ЛБВ вблизи этой длинноволновой границы полосы пропускания ЗС (то есть вблизи π-вида колебаний). В известной ЛБВ не использованы какие-либо дополнительные средства для снижения возможности возбуждения ЛБВ вблизи коротковолновой границы полосы пропускания ЗС (то есть вблизи 2π-вида колебаний). Коэффициент усиления такой ЛБВ, как правило, составляет менее 10 дБ.
Известно, что для получения в ЛБВ большого коэффициента усиления (например, более 10 дБ) число резонаторов замедляющей системы ЛБВ должно быть увеличено, то есть ЗС должна иметь большую длину. Увеличение длины ЗС, в свою очередь, приводит к повышению вероятности самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн. Для подавления самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн необходимо изменять параметры резонаторов ЗС либо вводить в ЛБВ дополнительные корректирующие средства или элементы, например поглотители или ослабители СВЧ-колебаний. Конструкция ЗС известной ЛБВ не обеспечивает работу ЛБВ без самовозбуждения в рабочей полосе длин волн. Введение в «прозрачную» ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн дополнительных известных корректирующих средств для подавления самовозбуждения в рабочей полосе длин волн может привести к усложнению конструкции ЗС, увеличению габаритов ЛБВ и фокусирующей магнитной системы, а также к ухудшению рабочих параметров ЛБВ. Ввести подобные корректирующие средства в «прозрачную» ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн практически невозможно.
Задачей предлагаемого изобретения является создание компактной, простой по конструкции и высокотехнологичной «прозрачной» ЛБВ миллиметрового или сантиметрового диапазона длин волн с замедляющей системой типа ЦСР, обеспечивающей получение выходной мощности среднего или высокого уровня, большого коэффициента усиления и обладающей при этом устойчивостью к самовозбуждению.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении устойчивости к самовозбуждению в рабочей полосе длин волн в заданном диапазоне рабочих напряжений «прозрачной» ЛБВ миллиметрового или сантиметрового диапазона длин волн, а также в снижении возможности возбуждения на верхней и нижней границах полосы пропускания замедляющей системы ЛБВ. При этом предлагаемое изобретение позволяет обеспечить коэффициент усиления ЛБВ более 10 дБ.
1
2
3
4
1
2
3
4
Предлагается «прозрачная» лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, замедляющую систему типа цепочки связанных резонаторов, ввод и вывод СВЧ-энергии, коллектор, в которой резонаторы замедляющей системы выполнены с постоянным внутренним диаметром, при этом замедляющая система содержит расположенные последовательно вдоль ее оси по направлению от электронной пушки к коллектору первый, второй, третий, четвертый участки, имеющие соответственно длину l, l, l, l и шаг h, h, h, h, которые выбраны из условий:
1
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
4
l=nh, l=nh, l=nh, l=nh,
3
1
1
2
3
2
h=h, h/h=h/h=1,02÷1,04,
3
4
h/h=1,05÷1,07,
1
2
3
4
2
1
3
4
где n, n, n, n - число резонаторов соответственно на первом, втором, третьем и четвертом участках замедляющей системы, причем n=1, 5≤n=n=n≤10.
В предлагаемой «прозрачной» лампе бегущей волны замедляющая система на каждом участке, кроме второго, содержит восемь резонаторов.
В предлагаемой «прозрачной» лампе бегущей волны в диафрагмах резонаторов замедляющей системы выполнены центральные пролетные отверстия и щели связи.
В предлагаемой «прозрачной» лампе бегущей волны в диафрагмах резонаторов замедляющей системы установлены пролетные трубы с центральными пролетными отверстиями и выполнены щели связи.
2
1
3
4
1
3
4
1
3
4
В предлагаемом изобретении для получения большого коэффициента усиления используют протяженную по длине замедляющую систему типа цепочки связанных резонаторов с постоянным внутренним диаметром, причем размеры резонаторов ЗС и их общее число выбирают исходя из требуемой рабочей полосы длин волн ЗС и заданного рабочего напряжения ЛБВ, величина которого определяет выходную мощность ЛБВ. В частности, для получения коэффициента усиления ЛБВ более 10 дБ замедляющая система на первом, третьем и четвертом участках, то есть на каждом участке ЗС, кроме второго участка, состоящего из одного резонатора (n=1), содержит от пяти до десяти резонаторов (n=n=n=5÷10). Если число резонаторов на каждом из указанных трех участков менее пяти (n=n=n<5), то есть общее количество резонаторов ЗС менее шестнадцати, то длина ЗС будет недостаточна для получения требуемого усиления ЛБВ (коэффициент усиления ЛБВ будет менее 10 дБ). Если число резонаторов на каждом из указанных участков будет более десяти (n=n=n>10), то есть общее количество резонаторов ЗС будет более тридцати одного, то из-за слишком большой длины ЗС возможно нарушение условия синхронизма электронного потока с СВЧ-полем ЗС, что приведет к снижению КПД ЛБВ.
Известно, что в ЛБВ с протяженной ЗС усиливается не только основная (прямая) волна, но происходит также усиление отраженной волны, распространяющейся в ЗС, поэтому в такой ЛБВ повышается возможность самовозбуждения в рабочей полосе длин волн. Для устранения этого недостатка в предлагаемом изобретении замедляющая система, длина которой выбирается исходя из требуемого коэффициента усиления, содержит четыре участка, расположенных последовательно вдоль оси ЗС по направлению от электронной пушки ЛБВ к ее коллектору. Шаг любого участка, выбранного из этих четырех участков ЗС, не равен шагу соседнего участка ЗС, стыкующегося с выбранным участком, то есть ЗС на протяжении своей длины трижды меняет шаг. На стыках соседних участков ЗС за счет изменения шага ЗС формируются неоднородности, которые вызывают скачки фазы СВЧ-поля ЗС, снижающие возможность самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн в заданном диапазоне рабочих напряжений ЛБВ.
Наличие в ЗС неоднородностей приводит к изменению параметров резонаторов ЗС и влияет на процессы взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем ЗС. Поэтому выбор формируемых в ЗС неоднородностей осуществляют исходя из двух противоречивых требований: с одной стороны, неоднородности должны быть достаточно малы, чтобы они как можно меньше влияли на усиливающуюся основную волну и тем самым обеспечивали бы сохранение без изменений выходных параметров ЛБВ; с другой стороны, неоднородности должны быть достаточно велики, чтобы с их помощью можно было бы устранить развитие и распространение в ЗС отраженной волны, а следовательно, устранить возможность самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн. Для оптимального удовлетворения этих требований в предлагаемом изобретении экспериментально подбирают места расположения неоднородностей (то есть места стыка соседних участков, где происходит изменение шага ЗС) и величины неоднородностей (определяемые соотношениями шагов соседних участков ЗС).
1
3
4
1
3
4
1
3
4
3
3
4
2
2
2
1
3
1
2
3
2
В предлагаемом изобретении расположенный со стороны электронной пушки ЛБВ первый участок ЗС длиной l, третий участок ЗС длиной l и расположенный со стороны коллектора ЛБВ четвертый участок ЗС длиной l содержат одинаковое количество резонаторов (n=n=n), при этом первый и третий участки ЗС выполнены с равными шагами (h=h), а шаг четвертого участка h ЗС отличается по величине от шага третьего участка h на заданную величину (h/h=1,05÷1,07). Таким образом, первый и третий участки равны по длине, а четвертый участок имеет длину, близкую к длине первого и третьего участков. Второй участок ЗС, расположенный между первым и третьим участками ЗС, содержит только один резонатор, и его длина l равна одному шагу ЗС h на этом участке, причем шаг второго участка h отличается от шага первого участка h и шага третьего участка h ЗС на заданную величину (h/h=h/h=1,02÷1,04). Так как второй участок ЗС выполнен очень коротким по сравнению с другими участками ЗС, то суммарная длина первого, третьего и четвертого участков составляет величину, близкую к длине всей ЗС, а длина каждого из этих участков близка к 1/3 от длины всей ЗС.
3
4
Выполнение условия h/h=1,05÷1,07 обеспечивает формирование на стыке третьего и четвертого участков неоднородности, вызывающей скачок фазы СВЧ-поля ЗС, при этом уменьшение шага ЗС на выходе ЛБВ позволяет повысить эффективность взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем ЗС, а следовательно, повысить КПД.
3
4
При выборе h/h<1,05 неоднородность, сформированная на стыке третьего и четвертого участков ЗС, слишком мала. Эта неоднородность вызывает в месте стыка третьего и четвертого участков ЗС скачкообразное изменение фазы СВЧ-поля ЗС, величина которого недостаточна для оказания существенного влияния на процесс самовозбуждения ЛБВ.
3
4
При выборе h/h>1,07 неоднородность на стыке третьего и четвертого участков ЗС имеет значительную величину, что снижает возможность самовозбуждения ЛБВ, но при этом в ЗС может иметь место отражение СВЧ-мощности от этой неоднородности и, вследствие этого, нарушение взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем ЗС.
3
4
2
1
3
1
2
3
2
3
1
Выполнение заданного соотношения шагов третьего и четвертого участков ЗС (h/h=1,05÷1,07) позволяет снизить возможность самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн, однако соблюдение этого условия не достаточно для обеспечения устойчивости ЛБВ к самовозбуждению в рабочей полосе длин волн в требуемом диапазоне рабочих напряжений. Для полного предотвращения самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн в заданном диапазоне рабочих напряжений ЛБВ в предлагаемом изобретении между первым и третьим участками ЗС «прозрачной» ЛБВ расположен второй участок ЗС, длина которого значительно меньше длины первого и третьего участков ЗС. Шаг ЗС на втором участке h отличается от шагов ЗС на первом участке h и на третьем участке h и выбирается из условия h/h=h/h=1,02÷1,04, так как h=h. Выполнение этого условия обеспечивает формирование на стыке первого и второго участков и на стыке второго и третьего участков ЗС двух неоднородностей, которые вызывают два быстро изменяющихся скачка фазы СВЧ-поля ЗС, что позволяет устранить самовозбуждение ЛБВ в рабочей полосе длин волн в заданном диапазоне рабочих напряжений. Из-за малой длины второго участка в замедляющей системе не происходит значительного ухудшения условий взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем ЗС, то есть не происходит ухудшения выходных параметров ЛБВ, но при этом выбранная малая длина второго участка ЗС (при выбранном соотношении шагов первого, второго и третьего участков ЗС) достаточна для скачкообразного изменения фазы СВЧ-поля, обеспечивающего предотвращение самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн в заданном диапазоне рабочих напряжений.
1
2
3
2
При выборе h/h<1,02, а также h/h<1,02 неоднородности, сформированные на стыке первого и второго, а также на стыке второго и третьего участков ЗС, слишком малы для того, чтобы вызвать в местах стыка указанных участков ЗС скачкообразное изменение фазы СВЧ-поля ЗС, достаточное для оказания существенного влияния на процесс самовозбуждения ЛБВ.
1
2
3
2
При выборе h/h>1,04, а также h/h>1,04 неоднородности, сформированные на стыке первого и второго, а также на стыке второго и третьего участков ЗС имеют значительную величину, что снижает вероятность самовозбуждения ЛБВ, но при этом происходит нарушение взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем ЗС, что приводит к ухудшению выходных параметров ЛБВ.
Таким образом, в изобретении предлагается «прозрачная» ЛБВ с замедляющей системой типа ЦСР, состоящей из четырех последовательно расположенных участков, каждый из которых имеет заданную длину и выполнен с заданным шагом, в результате чего на стыках соседних участков, где происходит изменение шага ЗС, формируются неоднородности, приводящие к скачкообразному изменению фазы СВЧ-поля. Относительно небольшая длина каждого из четырех участков протяженной по длине замедляющей системе ЛБВ (при условии формирования неоднородностей на стыке указанных в изобретении участков ЗС и при условии выполнения заданного соотношении шагов этих участков ЗС) не позволяет развиваться процессу самовозбуждения на каждом из этих участков ЗС, что предотвращает самовозбуждение «прозрачной» ЛБВ в рабочей полосе длин волн в заданном диапазоне рабочих напряжений. При этом сформированные, как указано выше, в замедляющей системе ЛБВ неоднородности не ухудшают выходные параметры ЛБВ, так как они достаточно малы и не оказывают существенного влияния на процесс взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем ЗС, то есть при распространении и усилении в ЛБВ основной электромагнитной волны ЗС работает как единое целое по все своей длине.
На фиг.1 изображена предлагаемая «прозрачная» лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн.
На фиг.2 показана замедляющая система с входным и выходным волноводами для ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн, изображенной на фиг.1.
На фиг.3 показана замедляющая система с входным и выходным волноводами для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн.
На фиг.4 приведены дисперсионные характеристики четырех участков ЗС, показанной на фиг.2.
Предлагаемая «прозрачная» лампа бегущей волны миллиметрового диапазона длин волн, изображенная на фиг.1, содержит электронную пушку 1, коллектор 2, ввод СВЧ-энергии 3, вывод СВЧ-энергии 4, замедляющую систему 5 и магнитную фокусирующую систему 6 на постоянных магнитах.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.2 показана замедляющая система 5 для ЛБВ, изображенной на фиг.1, а также показаны входной волновод 7 и выходной волновод 8. Замедляющая система 5 типа ЦСР содержит последовательно расположенные вдоль ее оси резонаторы 9. Резонаторы замедляющей системы, кроме первого и последнего, образованы последовательно расположенными и спаянными между собой диафрагмами 10. Каждая диафрагма 10 выполнена как единое целое с кольцом, отделяющим ее от соседней диафрагмы аналогичной конструкции. Диафрагмы 10 выполнены без пролетных труб и имеют центральные пролетные отверстия 11 для прохождения электронного потока и фасолевидные щели связи 12, причем в диафрагмах 10 соседних резонаторов щели связи 12 расположены под углом 180° друг относительно друга. Первый резонатор замедляющей системы ЛБВ образован спаянными между собой первой диафрагмой 10 замедляющей системы и стенкой входного волновода 7, в которой выполнены центральное пролетное отверстие 11 и фасолевидная щель связи 12. Последний резонатор замедляющей системы ЛБВ образован последней диафрагмой 10 замедляющей системы, стенкой выходного волновода 8 и расположенным между ними (и спаянным с ними) кольцом 13. В стенке выходного волновода 8 также выполнены центральное пролетное отверстие 11 и фасолевидная щель связи 12. Замедляющая система 5 ЛБВ состоит из расположенных последовательно вдоль ее оси первого 14, второго 15, третьего 16 и четвертого 17 участков, имеющих соответственно длину l, l, l, l и шаг h, h, h, h.
Аналогичная конструкция ЗС может быть применена в «прозрачной» ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн. В этом случае, как показано на фиг.3, в диафрагмах 10 со щелями связи 12 установлены пролетные трубы 18 с центральными пролетными отверстиями 11 для прохождения электронного потока.
Изображенная на фиг.1 ЛБВ миллиметрового диапазона, замедляющая система которой показана на фиг.2, работает следующим образом.
Сформированный электронной пушкой 1 электронный поток поступает в пролетный канал замедляющей системы 5, который образован центральными пролетными отверстиями 11 диафрагм 10, и проходит вдоль оси замедляющей системы по направлению к коллектору 2. Для фокусировки электронного потока использована магнитная система 6 на постоянных магнитах из самарий-кобальтового сплава. Входной СВЧ-сигнал через ввод СВЧ-энергии 3 и входной волновод поступает в первый из резонаторов 9 замедляющей системы 5 и возбуждает электромагнитную волну, которая распространяется по замедляющей системе 5 в том же направлении, что и электронный поток. При взаимодействии электромагнитной волны с электронным потоком происходит модуляция электронов по скоростям и 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 последнего резонатора замедляющей системы 5 через выходной волновод 8 и вывод СВЧ-энергии 4 и поступает в нагрузку. Электронный поток, пройдя вдоль замедляющей системы, попадает в коллектор 2.
ЛБВ сантиметрового диапазона, замедляющая система которой показана на фиг.3, работает аналогичным образом. При этом электронный поток, сформированный электронной пушкой 1, проходит по направлению к коллектору 2 по пролетному каналу замедляющей системы 5, образованному центральными пролетными отверстиями 11 пролетных труб 18, установленных в диафрагмах 10 резонаторов 9 замедляющей системы 5.
раб.
ф
ф
На фиг.4 приведены дисперсионные характеристики первого, второго, третьего и четвертого участков ЗС, изображенной на фиг.2, где по оси Х указаны длина волны λ в мм и рабочая полоса длин волн ЛБВ Δλ, а по оси Y указан коэффициент замедления m в безразмерных величинах, при этом m=с/v, где с - скорость света, v - фазовая скорость СВЧ-волны в ЗС.
Кривая А (сплошная линия) соответствует дисперсионной характеристике первого и третьего участков ЗС. Сплошные линии φ=2π и φ=π являются верхней и нижней границами дисперсионной характеристики первого и третьего участков ЗС и определяют полосу пропускания этих участков ЗС.
Кривая Б (штрихпунктирная линия) соответствует дисперсионной характеристике второго участка ЗС. Штрихпунктирные линии φ=2π и φ=π являются верхней и нижней границами дисперсионной характеристики второго участка ЗС и определяют полосу пропускания этого участка ЗС.
Кривая В (пунктирная линия) соответствует дисперсионной характеристике четвертого участка ЗС. Пунктирные линии φ=2π и φ=π являются верхней и нижней границами дисперсионной характеристики четвертого участка ЗС и определяют полосу пропускания этого участка ЗС.
раб.
Из фиг.4 видно, что в рабочей полосе длин волн ЛБВ Δλ дисперсионные характеристики А, Б и В не совпадают, а разнесены друг от друга по фазам СВЧ-поля ЗС. Из этого следует, что между первым и вторым участками ЗС, а также между вторым и третьим участками возникают небольшие и равные по величине сдвиги фаз СВЧ-поля, обусловленные изменением шага ЗС на втором участке по сравнению с шагами первого и третьего участков ЗС. Между третьим и четвертым участками возникает сдвиг фаз СВЧ-поля, обусловленный изменением шага ЗС на четвертом участке по сравнению с шагом третьего участка ЗС. Изменения шагов на указанных участках ЗС определяются заданными соотношениями, которые подобраны экспериментально и являются достаточными для предотвращения самовозбуждения ЛБВ в рабочей полосе длин волн.
Кроме того, из фиг.4 видно, что дисперсионные характеристики А, Б и В разнесены друг от друга по фазам СВЧ-поля ЗС также в области верхних и нижних границ полос пропускания соответствующих участков ЗС, что уменьшает возможность самовозбуждения ЛБВ на верхней и нижней границах полосы пропускания ЗС, в то время как в известной ЛБВ (прототипе изобретения) несколько уменьшается вероятность самовозбуждения ЛБВ только на нижней границе полосы пропускания ЗС.
Это преимущество предлагаемого изобретения особенно важно для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн (ЗС такой ЛБВ показана на фиг.3). Это объясняется тем, что дисперсионные характеристики на всех участках ЗС ЛБВ сантиметрового диапазона имеют тот же характер, что дисперсионные характеристики, приведенные на фиг.4, но они имеют более пологий наклон по сравнению с дисперсионными характеристиками ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн, и поэтому ЛБВ сантиметрового диапазона более склонны к самовозбуждению на границах полосы пропускания замедляющей системы ЛБВ.
1
3
2
4
Предлагаемая конструкция применена в разработке «прозрачной» ЛБВ восьмимиллиметрового диапазона длин волн с выходной мощностью 2 кВт и усилением 10,5 дБ. ЗС состоит из 25 резонаторов с внутренним диаметром 8 мм и диаметром пролетных отверстий 1 мм, при этом первый, третий и четвертый участки ЗС имеют по 8 резонаторов, а второй участок состоит из одного резонатора. Размеры шагов ЗС на этих участках имеют следующие значения: h=h=1,85 мм, h=1,8 мм, h=1,75 мм. ЛБВ имеет зону устойчивой работы без возбуждений в рабочей полосе длин волн в диапазоне ±10% от номинального напряжения, что в два раза превышает обычно задаваемый для ЛБВ диапазон напряжений (±5%). При этом отсутствует возбуждение ЛБВ на верхней и нижней границах полосы пропускания ЗС. Полученная ЛБВ конструктивно проста, компактна и технологична в изготовлении.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №168363, МПК: H01J 25/38, опубл. 18.11.1965, «Лампа бегущей волны».