СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ЦИКЛОТРОННОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО
MICROWAVE CYCLOTRON PROTECTION DEVICE

Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно - к устройствам защиты СВЧ радиоприемных устройств, в частности приемников радиолокационных станций, от воздействия входной мощности большого уровня в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.
Известны защитные устройства на полупроводниковых диодах (J.F.White. Semiconductor control. Dedham, Artech House, 1977 [1]) для ограничения СВЧ-мощности, поступающей на вход приемника. Такие устройства имеют достаточно малое время восстановления, однако допустимая входная импульсная мощность для них не превышает нескольких сотен ватт даже в режиме коротких импульсов.
Известны защитные устройства с резонансными разрядниками (Д.Я.Ашкенази, В.П.Беляев и др. Резонансные разрядники антенных переключателей. Под ред. И.В.Лебедева. Москва, «Советское радио», 1976, с.27 [2]), способные работать при более высоких уровнях СВЧ-мощности. Однако указанные устройства имеют большее время восстановления (до 1 микросекунды и более) и не обеспечивают достаточной развязки (просачивающаяся мощность может достигать единиц ватт).
Известно также циклотронное защитное устройство по патенту Российской Федерации №2167480 [3], в основу работы которого положено взаимодействие электродинамической структуры с быстрой циклотронной волной электронного потока. Указанное устройство содержит входную и выходную электродинамические структуры в виде объемных резонаторов с внутренними проводящими выступами, разделяющую эти структуры диафрагму с отверстием для электронного потока и электронную пушку, формирующую электронный поток, проходящий через входной и выходной резонаторы и указанную диафрагму. При этом устройство помещено в однородное магнитное поле, ориентированное вдоль электронного потока. Через указанный электронный поток осуществляется однонаправленная передача сигнала из входной электродинамической структуры в выходную электродинамическую структуру.
Устройство по патенту [3] обеспечивает надежную защиту от СВЧ-мощности высокого уровня при малом времени восстановления. Однако оно имеет недостаточно широкую полосу рабочих частот в режиме пропускания, составляющую в 10-см диапазоне длин волн 8-10% и снижающуюся до 4-5% в 3-см диапазоне. Как установлено авторами, недостаточно широкая полоса частот устройства по патенту [3] обусловлена тем, что в данном устройстве не удается обеспечить в широкой полосе частот требуемого согласования проводимости электронного потока и электродинамической структуры с проводимостью внешних входных и выходных линий.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является циклотронное защитное устройство с увеличенной полосой рабочих частот по патенту Российской Федерации №2319274 [4]. Увеличение полосы рабочих частот данного устройства достигается тем, что как входную, так и выходную электродинамические структуры образуют два или более последовательно соединенных резонаторов. К недостаткам устройства по патенту [4] следует отнести значительные трудности при его расчете и изготовлении, связанные с определением и настройкой собственных частот, характеристических сопротивлений и нагруженных добротностей каждого из резонаторов электродинамической структуры, а также степени связи резонаторов электродинамической структуры между собой, что принципиально необходимо для достижения полезного результата (увеличения рабочей полосы частот устройства). Резонаторы циклотронного защитного устройства данной конструкции относятся к вакуумной части прибора и не допускают возможности оперативно корректировать их параметры в собранном и откачанном приборе для формирования необходимой частотной характеристики прибора.
Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в увеличении полосы рабочих частот СВЧ циклотронного защитного устройства в режиме пропускания, в обеспечении возможности практической реализации комплексно-сопряженного согласования проводимостей резонатора и электронного пучка с внешней нагрузкой в широкой полосе частот, а также в упрощении конструкции и технологии изготовления устройства.
Предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит электронную пушку, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля, ориентированного по направлению электронного потока, при этом каждый резонатор соединен с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала. Каждый тракт разделен диэлектрическим окном на вакуумную и невакуумную части. Внутри невакуумной части каждого тракта на расстоянии в пределах до трех длин волн от резонатора расположен, по крайней мере, один проводящий выступ.
Невакуумная часть каждого тракта может быть выполнена в виде прямоугольного волновода или коаксиальной линии.
Если невакуумная часть тракта выполнена в виде прямоугольного волновода, проводящие выступы расположены на его широкой стенке в виде штырей или продольной пластины.
Если невакуумная часть тракта выполнена в виде коаксиальной линии, проводящие выступы могут быть расположены на стенке внешнего и/или внутреннего проводника, при этом выступы не замыкают электрически внешний и внутренний проводники.
В известных устройствах тракт передачи сигнала между резонатором и входным или выходным СВЧ-разъемом предназначен лишь для передачи СВЧ-энергии и должен оказывать как можно более слабое влияние на рабочую полосу частот циклотронного защитного устройства. В предлагаемом устройстве проводящие выступы, расположенные в невакуумной части каждого тракта, представляют собой реактивные (емкостные и/или индуктивные) частотно-зависимые проводимости и формируют увеличенную рабочую полосу частот циклотронного защитного устройства совместно с объемным резонатором и электронным потоком. Проводящие выступы должны располагаться по возможности ближе к резонатору, чтобы их влияние было более эффективным. При расположении проводящих выступов на расстоянии более трех длин волн от резонатора их влияние на увеличение рабочей полосы частот становится малосущественным. Конструкция устройства по предлагаемому изобретению проста и технологична, поскольку проводящие выступы просты в изготовлении (металлические штыри, пластины и тому подобные элементы) и располагаются внутри невакуумной части тракта передачи сигнала устройства, что позволяет менять их размер, форму и расположение, не изменяя параметров конструкции вакуумной части устройства, изготовление которой достаточно трудоемко и сложно.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены:
На Фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, где;
- электронная пушка 1,
- электронный поток 2,
- входной тракт передачи сигнала 3,
1
-проводящие выступы 4, являющиеся реактивными проводимостями Y,
- входной резонатор 5,
0
- средство 6, создающее однородное магнитное поле с уровнем индукции B,
- выходной тракт передачи сигнала 7,
2
- проводящие выступы 8, являющиеся реактивными проводимостями Y,
- диафрагма 9 с отверстием для прохождения электронного потока 2,
- выходной резонатор 10,
- коллектор 11, принимающий электронный поток 2.
На Фиг.2 приведены схемы, поясняющие согласование проводимостей резонатора и электронного пучка с внешней нагрузкой:
а) циклотронного защитного устройства по патенту [3], где:
н
- активная проводимость внешней нагрузки устройства (проводимость источника сигнала для входного тракта устройства или проводимость внешней выходной нагрузки устройства для выходного тракта) G,
p
- активная проводимость резонатора устройства G,
р
- реактивная проводимость резонатора устройства B,
е
- активная проводимость электронного потока в зазоре резонатора в условиях циклотронного резонанса G,
е
- реактивная проводимость электронного потока в зазоре резонатора в условиях циклотронного резонанса B;
б) предлагаемого сверхвысокочастотного циклотронного защитного устройства, где:
н
- активная проводимость внешней нагрузки устройства (проводимость источника сигнала для входного тракта устройства или проводимость внешней выходной нагрузки устройства для выходного тракта) G,
р
- активная проводимость резонатора устройства G,
р
- реактивная проводимость резонатора устройства B,
е
- активная проводимость электронного потока в зазоре резонатора в условиях циклотронного резонанса G,
е
- реактивная проводимость электронного потока в зазоре резонатора в условиях циклотронного резонанса B,
Т
активная проводимость проводящих выступов в тракте передачи сигнала G,
Т
- реактивная проводимость проводящих выступов в тракте передачи сигнала B.
На Фиг.3 приведены расчетные частотные зависимости реактивных проводимостей элементов устройств в 3-см диапазоне длин волн:
а) для устройства по патенту [3], где:
р
- проводимость резонатора B,
е
- проводимость электронного пучка B,
р
е
- суммарная проводимость Sum=B+B;
б) для предлагаемого сверхвысокочастотного циклотронного защитного устройства, где:
р
- проводимость резонатора B,
е
- проводимость электронного пучка B,
Т
- проводимость проводящих выступов в тракте B,
1
p
е
Т
- суммарная проводимость Sum=B+B+B.
На Фиг.4 представлен тракт передачи сигнала 3 или 7, невакуумная часть которого выполнена в виде прямоугольного волновода, где:
а) проводящие выступы 4 или 8 выполнены в виде штырей, где:
- волноводный разъем устройства для присоединения его к внешним линиям передачи СВЧ-мощности 12,
- невакуумная часть тракта 13,
- проводящие штыри 14,
- диэлектрическое окно 15,
- вакуумная часть тракта 16;
б) проводящий выступ 4 или 8 выполнен в виде продольной полуволновой пластины, где:
- волноводный разъем устройства для присоединения его к внешним линиям передачи СВЧ-мощности 12,
- невакуумная часть тракта 13,
- продольная полуволновая пластина 14,
- диэлектрическое окно 15,
- вакуумная часть тракта 16.
На Фиг.5 представлен тракт передачи сигнала 3 или 7, невакуумная часть которого выполнена в виде коаксиальной линии, где:
- коаксиальный разъем устройства для присоединения его к внешним линиям передачи СВЧ-мощности 12,
- невакуумная часть тракта 13,
- проводящие выступы на внешнем проводнике 8,
- диэлектрическое окно 15,
- вакуумная часть тракта 16.
На Фиг.6 представлены экспериментальные графики частотных зависимостей КСВН входа (выхода) устройства 3-см диапазона длин волн:
- для устройства по патенту [3] график выполнен сплошной линией,
- для предлагаемого устройства график выполнен пунктирной линией.
Примером выполнения предлагаемого изобретения может служить следующая конструкция.
Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство 3-см диапазона длин волн содержит электронную пушку 1, входной 5 и выходной 10 объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток 2 и разделенные диафрагмой 9 с отверстием для прохождения электронного потока 2, коллектор 11 и средство 6 для создания однородного магнитного поля (может быть выполнено в виде соленоида или системы из постоянных магнитов). Входной резонатор 5 соединен с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала 3. Выходной резонатор 10 соединен с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала 7. Тракт 3, как и тракт 7, разделен диэлектрическим окном 15 на вакуумную 16 и невакуумную 13 части. Невакуумная часть 13 входного тракта 3 выполнена в виде прямоугольного волновода, внутри которого на широкой стенке установлены 2 проводящих выступа 4, выполненные в виде штырей 14 (см. Фиг.4а). Один из штырей 14 выполнен высотой приблизительно в одну четверть размера узкой стенки волновода, другой - высотой приблизительно в три четверти размера узкой стенки волновода. Оба штыря 14 расположены в одной поперечной плоскости волновода на расстоянии приблизительно полутора-двух длин волн от входного резонатора 5.
Невакуумная часть 13 выходного тракта 7 выполнена в виде коаксиальной линии, внутри которой на внешнем проводнике на расстоянии приблизительно в полторы длины волны от выходного резонатора 10 выполнены две пары проводящих выступов 8 (см. Фиг.5), высотой приблизительно в половину расстояния между центральным и внешним проводниками линии. В каждой паре выступы 8 расположены один напротив другого, расстояние между указанными парами выступов составляет приблизительно половину длины волны.
Предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство работает следующим образом.
0
В режиме пропускания входной сигнал поступает в устройство из внешней линии по входному тракту 3, связанному с резонатором 5. Электронная пушка 1 формирует электронный поток 2, который проходит через входной резонатор 5, через диафрагму 9, через выходной резонатор 10 и электроны потока 2 оседают в коллекторе 11. Создаваемый средством 6 уровень индукции В однородного магнитного поля, в котором находится электронный поток 2, обеспечивает циклотронную частоту вращения электронов, приблизительно равную средней частоте полосы согласования резонаторов 5 и 10, нагруженных электронным потоком 2, с внешними СВЧ-линиями. В электронном потоке 2 возбуждается быстрая циклотронная волна сигнала, осуществляющая передачу энергии сигнала из входного резонатора 5 в выходной резонатор 10. От выходного резонатора 10 по выходному тракту 7 обеспечивается передача энергии сигнала во внешнюю СВЧ-линию.
Из теории цепей известно, что для передачи сигнала с минимальными потерями из источника сигнала в нагрузку необходимо обеспечить комплексно-сопряженное согласование проводимости источника сигнала с проводимостью нагрузки, т.е. обеспечить равенство активных проводимостей источника сигнала и нагрузки, а также равенство нулю суммы реактивных проводимостей источника сигнала и нагрузки.
Условие комплексно-сопряженного согласования проводимостей для устройства по патенту [3] (см. Фиг.2а) определяется выражениями:
н
Рабочая полоса частот циклотронного защитного устройства определяется тем, в какой полосе частот выполняются условия (1) и (2) с приемлемой степенью приближения. Активная проводимость внешней нагрузки G постоянна и согласована с проводимостью трактов передачи сигнала в требуемой полосе частот.
р
Активная проводимость резонатора G представляет собой проводимость, связанную с затуханием высокочастотных токов в стенках резонатора устройства, имеет достаточно малый уровень и не учитывается в дальнейшем анализе.
р
е
е
н
р
е
Проводимости резонатора и электронного потока B, G и B являются частотно-зависимыми величинами, их взаимное соотношение и соотношение с величиной G в соответствии с выражениями (1)-(2) определяет полосу рабочих частот устройства. Графики расчетных частотных зависимостей реактивных проводимостей B и B, а также график суммы данных проводимостей Sum приведены на Фиг.3а.
Кривая суммы реактивных проводимостей (Sum) близка к нулю в полосе частот от -200 МГц до +200 МГц, таким образом, в соответствии с выражением (2) рабочая полоса частот устройства может достигать приблизительно 400 МГц. Выполнение условия (1) при этом обеспечивается выбором связи резонатора с трактом передачи.
1
2
В предлагаемом сверхвысокочастотном циклотронном защитном устройстве на полосу рабочих частот помимо резонаторов 5 и 10, нагруженных электронным потоком 2, влияют также проводящие выступы 14 и 8 (на Фиг.4а и Фиг.5), расположенные в невакуумных частях входного 3 и выходного 7 трактов передачи сигнала. Проводящие выступы 14 и 8 создают дополнительные (емкостные и индуктивные) частотно-зависимые проводимости (проводимости Y и Y на Фиг.1) в трактах передачи 3 и 7 и, таким образом, влияют на полосу частот, в которой выполняется условие комплексно-сопряженного согласования. Условие комплексно-сопряженного согласования проводимостей (см. Фиг.2б) определяется выражениями:
Введение внутрь трактов передачи сигнала 3 и 7 проводящих выступов 4 и 8 (дополнительных реактивных проводимостей) позволяет выполнить условие комплексно-сопряженного согласования проводимостей в более широкой полосе частот.
р
е
Т
1
1
Графики расчетных частотных зависимостей реактивных проводимостей B, B и B, а также график суммы данных проводимостей Sum показывают (см. Фиг.3б), что благодаря введенным в конструкцию проводящим выступам 4 и 8 суммарная кривая Sum близка к нулю в полосе частот от -400 МГц до +400 МГц, таким образом, в соответствии с выражением (4) при выполнении выражения (3) рабочая полоса частот устройства достигает приблизительно 800 МГц. Введенные во входной и выходной тракты передачи сигнала проводящие выступы позволяют расширить полосу согласования как по реактивным проводимостям, условие (4), так и по активным проводимостям, условие (3). При этом согласование активных проводимостей, как в устройствах по патентам [3] и [4], выполняется также и традиционным способом - за счет выбора степени связи резонатора с трактом передачи сигнала.
Устройство по предлагаемому изобретению по сравнению с устройством, известным из патента [4], позволяет оперативно изменять и настраивать величины дополнительных реактивных проводимостей в тракте передачи сигнала, что существенно упрощает конструкцию и технологию изготовления устройства.
Таким образом, благодаря дополнительным реактивным проводимостям, вносимым проводящими выступами, условие комплексно-сопряженного согласования (3)-(4) применительно к устройству по предлагаемому изобретению может быть выполнено в значительно более широкой полосе частот, по сравнению с устройством по патенту [3].
Рабочая полоса частот устройства по патенту [3] (см. Фиг.6) составляет приблизительно 400МГц по уровню КСВН=1,3; рабочая полоса частот устройства по предлагаемому изобретению составляет приблизительно 800 МГц по такому же уровню КСВН.
Таким образом, применение проводящих выступов 4 во входном тракте 3 и проводящих выступов 8 в выходном тракте передачи сигнала 7 позволяет существенно - до 1,5…2 раз (в зависимости от частотного диапазона и конструктивных особенностей устройства) - увеличить рабочую полосу частот сверхвысокочастотного циклотронного защитного устройства.
Источники информации
1. J.F.White. Semiconductor control. Dedham, Artech House, 1977.
2. Д.Я.Ашкенази, В.П.Беляев и др. Резонансные разрядники антенных переключателей. Под ред. И.В.Лебедева. Москва, «Советское радио», 1976, с.27.
3. Патент Российской Федерации №2167480, опубл. 20.05.2001.
4. Патент Российской Федерации №2319274, опубл. 10.03.2008.