СВЧ ГЕНЕРАТОР С МАТРИЧНЫМ АВТОЭМИССИОННЫМ КАТОДОМ С ОТРАЖЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА
UHF GENERATOR WITH MATRIX FIELD EMITTER CATHODE WITH ELECTRON STREAM REFLECTION

Изобретение относится к области электронной техники, в частности, к СВЧ электровакуумным генераторам с отражением электронного потока, в которых передача энергии электронным потоком происходит в пространстве, содержащем одновременно высокочастотное и постоянное тормозящее поле.
Уровень техники в данной области характеризуется публикациями в общедоступной литературе, в том числе и сведениями, приведенными ниже.
Известны конструкции генераторов с тормозящим полем [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. II Электровакуумные приборы СВЧ. Под ред. Н.Д. Девяткова. Изд. 2-е, переработ, и доп. Учебник для вузов по специальности «Электронные приборы». М.: Высшая школа, 1972]. В таких приборах процессы модуляции по скорости, группировки и отдачи энергии пространственно не разделены и протекают в одном общем высокочастотном зазоре резонатора, образованном сеточным электродом, находящимся под положительным потенциалом и отражателем, на который подан отрицательный относительно катода потенциал. Генераторы с тормозящим полем могут генерировать колебания дециметрового и сантиметрового диапазонов и позволяют получить мощность порядка долей ватта при кпд до 5-7%. Однако подобные конструкции ввиду низкого значения кпд не нашли широкого применения.
Известен генератор СВЧ колебаний с положительной сеткой [US patent 2459283 Positive grid oscillator., John W. McNall, April, 13, 1944], включающий катод, ускоряющий электрод с отверстиями для пролета электронного потока, который находится под положительным потенциалом относительно катода, управляющую сетку, которая находится под отрицательным потенциалом относительно ускоряющего электрода, отражатель, на внутренней поверхности которого нанесено вторично-эмиссионное покрытие. В данном устройстве имеются две зоны модуляции электронного потока. Одна из них находится между катодом и ускоряющим электродом, а вторая - между ускоряющим электродом и управляющей сеткой. Эти зоны модуляции соответствуют емкостным зазорам двух объемных резонаторов, объединенных цепью обратной связи. При прохождении электронного потока через зазоры двух резонаторов в прямом направлении происходит модуляция электронов по скорости, которая затем в пространстве между управляющей сеткой второго резонатора и отражателем переходит в модуляцию по плотности. При этом часть электронов, прошедших через второй ВЧ зазор в положительный момент времени, имеют большую кинетическую энергию и могут преодолевать тормозящее действие отражателя и попадать на вторично-эмиссионное покрытие, которое имеет высокий коэффициент вторичной эмиссии электронов. Обратный электронный поток состоит из электронов, образованных за счет вторично-электронной эмиссии и отраженных электронов. Суммарный поток будет иметь более высокую плотность тока, чем прямой электронный поток. Следовательно, он будет более эффективно передавать свою энергию ВЧ полю двухрезонаторной системы. В данном устройстве за счет дополнительной модуляции электронного потока в прикатодной области СВЧ полем, синхронизированным по фазе с полем между ускоряющим электродом и управляющей сеткой, увеличен электронный кпд (с 6 до 22%) и выходная мощность (в 3.5 раза).
Недостатками такого устройства являются низкий технический кпд, связанный с необходимостью использования дополнительного источника накала, большое время готовности, заметный разброс по энергиям термоэлектронов, выходящих из катода, а также большие масса и габариты, связанные с наличием двух объемных резонаторов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является СВЧ генератор [Patent WO 2007/142419 Al, Jeon, Seek Gy, Klystron oscillator using cold cathode electron gun, and oscillation method, international publication date 13.12.2007], включающий систему матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК), ускоряющий электрод с отверстиями для пролета первичного электронного потока, однозазорный объемный резонатор, первый сеточный электрод, который составляет единое целое с корпусом этого резонатора, второй сеточный электрод, отражатель, на внутренней поверхности которого нанесено вторично-эмиссионное покрытие, вывод энергии, источники постоянного напряжения. В такой конструкции прибора первичный электронный поток получают посредством полевой эмиссии с матричного автоэмиссионного катода. Прибор с холодным катодом имеет важное преимущество, которое заключается в малой потребляемой мощности. В данном устройстве не требуется нагрев катода, и, таким образом, это упрощает его конструкцию. При прохождении электронного потока через резонатор в прямом направлении в пространстве между первым и вторым сеточными электродами происходит модуляция электронов по скорости, которая затем в пространстве между второй сеткой резонатора и отражателем переходит в модуляцию по плотности. При этом часть электронов, прошедших через ВЧ зазор в положительный момент времени, имеют большую кинетическую энергию, поэтому они могут преодолевать тормозящее действие отражателя и попадать на его поверхность, на которую нанесено покрытие, имеющее высокий коэффициент вторичной эмиссии электронов. Обратный электронный поток состоит из электронов, образованных за счет вторично-электронной эмиссии и отраженных электронов. Суммарный поток будет иметь более высокую плотность тока, чем прямой электронный поток. При движении обратного потока в зазоре резонатора происходит взаимодействие сгруппированных сгустков электронов с ВЧ полем однозазорного резонатора.
Однако известное устройство, взятое за прототип, имеет один существенный недостаток. В данном СВЧ генераторе в модуляторной зоне, являющейся одновременно и зоной демодулятора, применен однозазорный резонатор с величиной характеристического сопротивления не более 50-80 Ом, что не позволяет получить достаточно высокую эффективность взаимодействия электронного пучка с полем электромагнитной волны и ограничивает круг применения подобных устройств. Одинаковая амплитуда напряжения в модулирующем и демодулирующем зазоре резонатора также не обеспечивает необходимых условий для получения высокой эффективности отбора энергии от сгруппированного электронного потока. Кроме того, степень группировки электронов недостаточна для получения высокого кпд.
Задачей заявляемого технического решения является увеличение кпд и выходной мощности генератора с отражением электронного потока.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в СВЧ генераторе, содержащем систему матричных автоэмиссионных катодов, объемный резонатор с устройством связи с внешней нагрузкой на частоте генерации, последовательно расположенные ускоряющий электрод с отверстиями для пролета первичного потока электронов, первый и второй сеточные электроды, отражатель, при этом первый сеточный электрод выполнен единым целым с корпусом резонатора, поверхность отражателя со стороны второго сеточного электрода снабжена вторично-эмиссионным покрытием, согласно предлагаемому техническому решению отражатель расположен внутри резонатора и электрически связан с ним через блокировочную емкость, а второй сеточный электрод установлен между первым сеточным электродом и отражателем и соединен с корпусом резонатора посредством внутреннего проводника.
Объемный резонатор снабжен емкостным элементом настройки на кратные длины волн, соответствующие синфазному и противофазному видам колебаний, при этом диаметр резонатора и емкость элемента настройки выбирают из следующих соотношений:
1
2
0
0
n
где λ - длина волны противофазного (ТЕМ) вида колебаний, λ - длина волны синфазного (EO10) вида колебаний; D - диаметр резонатора; с - скорость света, Z - волновое сопротивление отрезка полосковой линии, внешним и внутренним проводниками которой служат первый сеточный электрод и отражатель; С - емкость двойного сеточного зазора, С - емкость элемента настройки; l - длина внутреннего проводника.
Объемный резонатор содержит дополнительное устройство связи с внешней нагрузкой на частоте, соответствующей второй гармонике, позволяющий работать на второй гармонике основной частоты сигнала в режиме умножения частот.
Первый и второй сеточные электроды расположены на расстоянии, по крайней мере. в 2 раза превышающем расстояние между вторым сеточным электродом и отражателем.
010
1
2
1
За счет соединения второго сеточного электрода с корпусом резонатора посредством внутреннего проводника, а также введения отражателя во внутренний объем резонатора образуется дополнительная резонансная цепь (четвертьволновый резонансный контур). В результате этого образуется двухзазорный резонатор. В этом двухзазорном резонаторе основной резонансной модой является противофазный ТЕМ-вид колебаний, возбуждаемый в четвертьволновой полосковой резонансной линии, нагруженной на емкость двойного зазора. Синфазный (Е) вид колебаний является в данной конструкции резонатора предлагаемого устройства высшим типом колебаний. Частота этого вида колебаний зависит только от диаметра резонатора. Для достижения кратности резонансных частот противофазного f и синфазного f видов колебаний в соотношении 1:2 диаметр резонатора D должен быть выбран из условия настройки резонатора на резонансную длину волны синфазного вида колебаний, соответствующую второй гармонике сигнала 2f [Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высшая школа, 335 с, 1990]. При этом должно выполняться следующее соотношение:
2
2
1
λ/D~1.31, λ/λ=0,5,
1
2
где λ - длина волны противофазного вида колебаний, λ - длина волны синфазного вида колебаний, D - диаметр резонатора.
При этом величина емкости элемента настройки определяется по следующей формуле:
1
2
010
0
0
n
где λ - длина волны противофазного (ТЕМ) вида колебаний, λ - длина волны синфазного (E) вида колебаний; D - диаметр резонатора; с - скорость света, Z - волновое сопротивление отрезка полосковой линии, внешним и внутренним проводниками которой служат первый сеточный электрод и отражатель; С - емкость двойного сеточного зазора, С - емкость элемента настройки; l - длина внутреннего проводника.
Если отношение длин волн синфазного вида колебаний и противофазного вида колебаний будет отличаться от 0,5, то модуляция электронного потока не будет несинусоидальной и, соответственно, группирование электронного потока в резонаторе не будет достаточно эффективным.
Возможно использование прибора для работы в двухчастотном режиме. В этом случае в конструкцию резонатора может быть введено дополнительное устройство связи с внешней нагрузкой на частоте, соответствующей второй гармонике. Следовательно, прибор может одновременно генерировать два выходных сигнала на кратных частотах с возможностью электронной перестройки частоты.
В случае использования прибора как умножителя частоты в конструкцию резонатора может быть введено устройство связи с внешней нагрузкой на частоте, соответствующей второй гармонике.
1
2
1
2
В случае использования зазоров d и d резонатора неравной длины, где d>d, возможно получение более эффективной группировки электронного потока в резонаторе на частотах, соответствующих первой и второй гармонике СВЧ сигнала.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция СВЧ генератора, работающего в одночастотном режиме, продольный разрез, на фиг.2 приведены зависимости ВЧ напряжений на зазоре резонатора при синусоидальной и несинусоидальной модуляции, на фиг.3 - конструкция прибора, работающего в двухчастотном режиме, на фиг.4 - конструкция прибора, работающего на второй гармонике, на фиг.5 - конструкция прибора, работающего в режиме увеличенного КПД на первой гармонике, на фиг.6 - конструкция прибора, работающего в режиме увеличенного КПД на второй гармонике.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - система матричных автоэмиссионных катодов, 2 - ускоряющий электрод, 3 - отверстия для пролета первичного электронного потока, 4 - первый сеточный электрод, 5 - объемный резонатор, 6 - устройство связи с внешней нагрузкой на основной частоте, 7 - внутренний проводник, 8 - второй сеточный электрод, 9 - отражатель, 10 - вторично-эмиссионное покрытие, 11 - блокировочная емкость, 12 - третий источник питания, 13 - емкостной элемент настройки, 14 - второй источник питания, 15 - первый источник питания, 16 - устройство связи с внешней нагрузкой на второй гармонике.
СВЧ генератор включает систему матричных автоэмиссионных катодов 1, подключенных к источнику ускоряющего напряжения 15. Один из выводов источника ускоряющего напряжения 15 подключен к ускоряющему электроду 2. Второй источник питания 14, обеспечивающий дополнительное ускорение электронного потока перед входом его в модуляторную зону, включен между ускоряющим электродом 2 и первым сеточным электродом 4. Третий источник питания 12 подключен между резонатором 5 и отражателем 9. Блокировочная емкость 11 разделяет по постоянному току отражатель 9 и корпус резонатора 5. Между первым сеточным электродом 4, выполненным заодно с корпусом резонатора 5, и отражателем 9 введен второй сеточный электрод 8, который закреплен на внутреннем проводнике 7, короткозамкнутом на корпус объемного резонатора 5. При этом поверхность отражателя 9 со стороны второго сеточного электрода 8 снабжена вторично-эмиссионным покрытием. Весь прибор находится в вакуумной оболочке. Вывод СВЧ энергии в приборе осуществляется через устройство связи с внешней нагрузкой 6.
Прибор работает следующим образом.
За счет приложения ускоряющего напряжения между системой матричных автоэмиссионных катодов 1 и ускоряющим электродом 2 от первого источника питания 15 осуществляется полевая эмиссия с системы матричных автоэмиссионных катодов 1. Электронный поток, эмитированный с системы матричных автоэмиссионных катодов 1, ускоряется ускоряющим электродом 2. играющим роль анода. Далее, пройдя через отверстия первого сеточного электрода 4, он ускоряется напряжением второго источника питания 14.
При прохождении электронного потока через объемный резонатор 5 в прямом направлении происходит модуляция электронов по скорости, которая затем в пространстве между вторым сеточным электродом 8 и отражателем 9 переходит в модуляцию по плотности. Так как модуляция электронного потока, движущегося в прямом направлении, определяется несинусоидальным напряжением (фиг.2), то эффективная группировка электронов увеличивается (угол ψ), т.е. большее число электронов, находящихся в пределах фазового угла ψ, будут вовлекаться в сгустки. При этом часть электронов, прошедших через ВЧ зазор в положительный момент времени, имеют большую кинетическую энергию и могут преодолевать тормозящее действие отражателя 9 и попадать на его поверхность, которая имеет высокий коэффициент вторичной эмиссии электронов.
Таким образом, поверхность отражателя 9 играет роль вторичного катода, испускающего вторичные электроны. В силу наличия вторичной электронной эмиссии с отражателя в данном генераторе присутствует эффект «усиления электронного луча». Явление усиления электронного луча приводит к тому, что плотность электронного луча возрастает при эмиссии вторичных электронов с отражателя 9 и первичных электронов из системы матричных автоэмиссионных катодов 1. То есть вторичные электроны ускоряются в области между отражателем 9 и резонатором 5, усиливая электронный поток первичных электронов.
Электроны этого потока, взаимодействуя с противофазными полями двойного зазора, отдают часть энергии СВЧ полю. Вывод СВЧ энергии в нагрузку осуществляется устройством связи с внешней нагрузкой 6, выполненном в виде индуктивной пeтли.
2
1
Использование взамен однозазорного резонатора двухзазорного, позволяет увеличить эффективное характеристическое сопротивление последнего в 2-3 раза, а следовательно, обеспечивает получение более высокой эффективности взаимодействия электронного пучка с полем электромагнитной волны на кратных частотах. Кроме того, использование двухзазорного резонатора, настроенного одновременно на две частоты, позволяет получить несинусоидальную модуляцию электронного потока. В случае несинусоидальной модуляции электронного потока наиболее эффективным является пилообразное напряжение и при использовании модуляции на кратных частотах форма напряжения наиболее близка к пилообразному [Кацман Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. Том II. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1973]. При этом количество сгруппированных электронов, определяемое периодом ψ, увеличивается по сравнению с синусоидальной модуляцией с периодом ψ (Фиг.2).
1
В случае использования режима работы прибора только на второй гармонике в конструкцию резонатора введено устройство связи с внешней нагрузкой на частоте, соответствующей второй гармонике (Фиг.4). Следовательно, прибор может работать как умножитель частоты и генерировать удвоенную частоту сигнала относительно частоты сигнала f.
1
2
1
2
В случае использования зазоров d и d резонатора неравной длины (Фиг.5, 6), где d>d в 2-2.5 раза, в резонаторе увеличивается амплитуда второй гармоники, что ведет в свою очередь к увеличению амплитуды напряжения на второй гармонике (синфазный вид колебаний) и увеличению электронного КПД. При этом модуляция электронного потока в первом зазоре резонатора будет осуществляться в нарастающем поле. При работе в режиме умножителя частоты это также приводит к увеличению КПД [A.S. Gilmour Principles of traveling wave lubes. Artech House Boston, London, 1994 j.
Использование дополнительного устройства связи с внешней нагрузкой на частоте, соответствующей второй гармонике, дает возможность одновременно генерировать два выходных сигнала на кратных частотах с возможностью электронной перестройки частоты.