УСИЛИТЕЛЬ МОЩНЫХ СВЧ СИГНАЛОВ
AMPLIFIER OF POWERFUL MICROWAVE SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике и электронике сверхвысоких частот и может быть использовано в установках ускорителей заряженных частиц, в СВЧ устройствах, а именно установках СВЧ нагрева, радиолокационных станциях, СВЧ фильтрации радиосигналов, для увеличения функциональных возможностей усилителей СВЧ сигнала с электронными потоками.
В электронике сверхвысоких частот известно большое количество приборов и устройств, предназначенных для генерации и усиления СВЧ сигналов (см., например, монографии: Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков, в 2-х томах. М.: Физматлит. 2003, 2004; Короновский А.А., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Методы нелинейной динамики и хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. Т. 2. Нестационарные и хаотические процессы. М.: Физматлит. 2009; Benford J., Swegle J.A., Schamiloglu E. High Power Microwaves. CRC Press, Taylor and Francis. 2007). Среди них большое распространение получили устройства виркаторного типа, принципиальными преимуществами которых по сравнению с известными аналогами являются возможность генерации и усиления узкополосных и широкополосных СВЧ сигналов высокого уровня мощности, простота конструкции (в частности, возможность работы без внешнего фокусирующего магнитного поля), низкая требовательность к качеству электронного потока (патенты RU на изобретения №2260870, №2288519, №2325724, №2390871, №2395132, №2431901, №2444805, №2488909, заявка RU на изобретение №2013113488,). Среди них наиболее перспективными являются двухзазорные устройства на виртуальном катоде (ВК) с дополнительной электромагнитной обратной связью - двухзазорные виртоды (Гадецкий Н.Н.. Магда И.И., Найстетер С.И., Прокопенко Ю.В., Чумаков В.И. Генератор на сверхкритическом токе РЭП с управляемой обратной связью - виртод, Физика плазмы. Т. 19, №4. С. 530, 1993; Ефремов A.M., Жерлицын А.А., Кицанов С.А., Климов А.И., Коровин С.Д., Ковальчук Б.М., Куркан И.К., Кутенков О.П., Логинов С.В., Пегель И.В., Полевин С.Д. Виркатор дециметрового диапазона с предмодуляцией электронного пучка на основе компактного генератора с индуктивным накопителем энергии, ПЖТФ. Т. 27, №7. С. 57, 2001; Kitsanov S.A., Klimov A.I., Korovin S.D., Kurkan I.K., Pegel I.V., Polevin S.D., A vircator with electron beam premodulation based on high-current repetitively pulsed accelerator, IEEE Trans. Plasma Sci. T. 30, №1. C. 274, 2002). Они используются преимущественно для генерации мощного СВЧ излучения, в то время как для усиления сигналов они использованы быть не могут в силу имеющихся конструктивных особенностей.
Конструктивно наиболее близким к заявляемому изобретению является двухзазорный виртод, предложенный в (Shlapakovski A.S., Queller Т., Bliokh Yu.P., Krasik Ya.E., Investigations of a Double-Gap Vircator at Sub-Microsecond Pulse Durations, IEEE Trans. Plasma Sci., 40, №6. C. 1607, 2012). Он содержит следующие основные конструктивные элементы: электронную пушку в виде цилиндрического вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом, анодную сетку, двухзазорный резонатор с окном связи между зазорами, металлическую фольгу в стенке между зазорами и вывод мощности в виде волновода с рупорной антенной, подключенный ко второму зазору резонатора. Данное устройство предназначено для генерации импульсов мощного СВЧ излучения и имеет следующий принцип работы. В цилиндрическом вакуумном диоде со взрывоэмиссионным катодом без внешнего фокусирующего магнитного поля формируется сплошной цилиндрический релятивистский электронный пучок с током, превышающим второй критический (Воронин B.C., Лебедев А.Н., Зозуля Ю.Т. Самосогласованные стационарные состояния потока релятивистских электронов в пролетном пространстве. ЖТФ. Т. 42, №3. С. 546, 1972), и затем транспортируется через анодную сетку в двухзазорный резонатор в направлении, перпендикулярном к его наибольшей стенке. Зазоры резонатора представляют собой отрезки электродинамически связанных друг с другом прямоугольных волноводов. Электронный пучок попадает из первого зазора во второй, пролетая сквозь металлическую фольгу, которая располагается в стенке, разделяющей зазоры. Фактически, первый зазор выполняет роль модулятора, реализующего воздействие обратной связи, а второй - камеры взаимодействия, предназначенной для формирования в ней ВК и последующего энергоотбора. При образовании виртуального катода во втором зазоре резонатора возбуждается одна из его низших мод, которая излучается в свободное пространство посредством рупорной антенны, подключенной через волновод к верхней границе второго зазора. Дополнительная электромагнитная обратная связь реализуется за счет электромагнитной волны, проникающей через окно обратной связи из второго зазора резонатора в первый, и позволяет увеличить КПД и стабильность частоты излучения виртода.
Указанное изобретение является генератором, а, следовательно, оказывается непригодным для усиления СВЧ сигналов.
Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного усилителя мощных СВЧ сигналов без внешнего магнитного поля с низкими требованиями к качеству релятивистского электронного потока.
Поставленная задача решается тем, что в устройство содержит электронную пушку в виде цилиндрического вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом, формирующую сплошной цилиндрический релятивистский электронный поток с током, на 5-20% меньшим второго критического и на 50-80% большим первого критического, анодную сетку, располагающуюся на границе пушки, два электромагнитно несвязанных резонатора, которые размещены за анодной сеткой, алюминиевую фольгу, расположенную в стенке второго резонатора, элемент ввода сигнала в виде коаксиального волновода с внутренним проводником, проникающим внутрь первого резонатора, и вывод мощности в виде волновода, подключенного ко второму резонатору.
Техническим результатом изобретения по сравнению с прототипом является возможность усиления мощных входных СВЧ сигналов за счет наличия за анодной сеткой двух электромагнитно несвязанных резонаторов, алюминиевой фольги в стенке между резонаторами, элемента ввода сигнала в виде коаксиального волновода с внутренним проводником, проникающим внутрь первого резонатора, и вывода мощности в виде волновода, подключенного ко второму резонатору.
Изобретение поясняется Фиг. 1-3, где
на Фиг. 1 - типичная схема усилителя мощных СВЧ сигналов,
на Фиг. 2 - график зависимости коэффициента усиления по мощности от частоты внешнего сигнала для заявляемого усилителя на виртуальном катоде, при амплитуде входного сигнала - 0.5 кВ,
на Фиг. 3 - график зависимости коэффициента усиления по мощности от амплитуды входного сигнала для заявляемого усилителя на виртуальном катоде, при частоте входного сигнала - 1.14 ГГц,
на которых позициями 1-11 обозначены:
1 - электронная пушка,
2 - первый резонатор,
3 - второй резонатор,
4 - взрывоэмиссионный катод,
5 - анодная сетка,
6 - генератор напряжения,
7 - алюминиевая фольга,
8 - элемент ввода сигнала в виде коаксиального волновода
9 - внутренний проводник,
10 - вывод мощности в виде волновода,
11 - электронный поток (не является элементом конструкции).
Аббревиатурой «ВК» схематически обозначена область виртуального катода.
g
c
ak
1
1
2
2
in
in
out
in
1
c
g
ak
1
1
2
in
1
1
2
in
1
in
out
Принцип работы заявляемого изобретения следующий. Электронная пушка 1, выполненная в виде цилиндрического вакуумного диода радиуса r со взрывоэмиссионным катодом 4 радиуса r без внешнего фокусирующего магнитного поля, формирует сплошной цилиндрический релятивистский электронный поток 11 с током, на 5-20% меньшим второго критического (при котором в системе начинается генерация), но на 50-80% большим первого критического (при котором в системе формируется виртуальный катод, и появляются отраженные частицы), который ускоряется в зазоре между катодом 4 и анодной сеткой 5 за счет действия разности потенциалов, формируемой генератором напряжения 6. Выбор такого околокритического значения тока пучка осуществляется заданием соответствующего расстояния между катодом и анодом d и обусловлен двумя причинами. Во-первых, в данном случае в системе отсутствует автогенерация, а во-вторых, электронный поток с околокритическим током представляет собой активную среду с большим запасом энергии, что позволяет сделать на базовой конструкции виртода регенеративный усилитель. Далее сформированный электронный поток транспортируется через анодную сетку 5 в первый резонатор 2 длиной L и высотой h, а затем - во второй резонатор 3 длиной L и высотой h в направлении, перпендикулярном к их наибольшей стенке. Резонаторы имеют общую стенку с алюминиевой фольгой 7, через которую поток пролетает из первого резонатора 2 во второй резонатор 3. В левой части первого резонатора 2 расположен элемент ввода сигнала 8 в виде коаксиального волновода с внутренним проводником 9, через который в систему подается усиливаемый СВЧ сигнал, причем внутренний проводник 9 данного волновода проникает внутрь первого резонатора 2. Положение L элемента ввода сигнала 8, внешний r и внутренний r радиусы коаксиального волновода, а также длина h части внутреннего проводника 9 коаксиального волновода, проникающей в первый резонатор 2, определяются в процессе оптимизации системы из условия минимизации мощности, отражаемой обратно в коаксиальный волновод, и максимизации эффективности взаимодействия электронного потока с входным сигналом, что, в свою очередь, обеспечивает наибольшую эффективность усиления. Длина L первого резонатора 2 выбиралась из условия, чтобы в нем укладывалось 3 полуволны на рабочей частоте. Соотношения основных геометрических размеров заявляемого изобретения следующие: радиус взрывоэмиссионного катода 4 к радиусу электронной пушки 1 r/r=0.9; расстояние между взрывоэмиссионным катодом 4 и анодом к высоте первого резонатора 2 d/h=0.7; высота первого резонатора 2 к высоте второго резонатора 3 h/h=0.25; расстояние от левой границы прибора до внутреннего проводника 9 коаксиального волновода к длине первого резонатора 2 L/L=0.06; длине первого резонатора 2 к длине второго резонатора 3 L/L=0.7; длина части внутреннего проводника коаксиального волновода, проникающей в первый резонатор к высоте первого резонатора 2 h/h=0.93; внутренний радиус вывода мощности коаксиального волновода к внешнему r/r=0.2. Таким образом, в первом резонаторе происходит взаимодействие релятивистского электронного потока с модой резонатора, которая возбуждается входным сигналом. Результатом данного взаимодействия является то, что пучок попадает во второй резонатор, пролетая сквозь алюминиевую фольгу, которая располагается в стенке между резонаторами, будучи промоделированным по плотности, причем частота следования сгустков определяется частотой входного сигнала. Это приводит к установлению в системе режима с развитым нестационарным виртуальным катодом во втором резонаторе и возбуждению в нем усиленного электромагнитного поля, которое выводится через вывод мощности 10 во второй секции. Таким образом, на выходе системы появляется усиленный входной сигнал.
c
g
s
ak
1
1
2
2
in
in
out
in
В качестве примера реализации заявляемого устройства рассмотрим усилитель со следующими параметрами, полученными в процессе оптимизации системы и удовлетворяющими вышеуказанным соотношениям. Радиус катода r=49 мм, радиус электронной пушки r=54 мм, расстояние (вдоль оси y) между осью симметрии пушечной части и левой границей системы L=227 мм, расстояние (вдоль оси z) между катодом и анодной сеткой d=21.5 мм, ширина электродинамической структуры (вдоль оси x) - 140 мм, длина (вдоль оси y) первого резонатора L=347 мм, высота (вдоль оси z) первого резонатора h=30 мм, высота (вдоль оси z) второго резонатора h=119 мм, длина (вдоль оси y) второго резонатора L=494 мм, расстояние от левой границы прибора до внутреннего проводника коаксиального волновода L=21 мм, внутренний и внешний радиусы входного волновода r=1 мм и r=5 мм соответственно, длина части внутреннего проводника коаксиального волновода, проникающей в первую секцию h=28 мм. На Фиг. 2 представлена зависимость коэффициента усиления по мощности от частоты внешнего сигнала для заявляемого усилителя на виртуальном катоде с вышеуказанными параметрами, которая показывает, что данный усилитель является узкополосным с шириной полосы порядка 0.6%. Рабочая частота заявляемого усилителя (~1.14 ГГц), на которой коэффициент усиления достигает максимального значения, определяется частотой рабочей моды первой секции. Второй невысокий пик на зависимости на Фиг. 2 соответствует возбуждению моды более высокого порядка первой секции, однако, эффективность взаимодействия пучка с ней невысока.
с
На Фиг. 3 представлена зависимость коэффициента усиления по мощности от амплитуды входного сигнала для заявляемого усилителя на виртуальном катоде, демонстрирующая наличие оптимального значения амплитуды входного сигнала (~0.5 кВ), при которой коэффициент усиления достигает максимального значения (К~19.3 дБ). При отстройке амплитуды от оптимальной коэффициент усиления монотонно уменьшается, причем когда амплитуда входного сигнала начинает превышать 4 кВ, коэффициент усиления начинает изменяться медленнее, стремясь к значению К~11 дБ.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет усиливать относительно мощные входные СВЧ сигналы.