УСИЛИТЕЛЬНЫЙ СВЧ-ПРИБОР
AMPLIFYING SHF DEVICE

Изобретение относится к электронной технике, в частности к усилительным приборам СВЧ типа лампы бегущей волны (ЛБВ), используемой в качестве генераторов, усилителей, переключателей тока и других устройств.
Одним из требований, предъявляемым к СВЧ приборам, в которых для усиления применяется резонаторная замедляющая система (ЗС), является обеспечение ее работы в максимально широкой полосе усиливаемых частот с высоким уровнем выходной мощности и усиления при постоянном входном сигнале и при заданном перепаде коэффициента усиления в рабочей полосе частот. Такие усилительные СВЧ приборы, обладая улучшенными эксплуатационными массогабаритными характеристиками, нашли широкое применение.
Известна широко применяющаяся на практике конструкция СВЧ прибора (ЛБВ) с многосекционной замедляющей структурой (ЗС) типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР), пространственно совмещенной с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), позволившая получить высокий уровень импульсной и средней выходной мощности (Мощные электровакуумные приборы СВЧ, под ред. Л.Клемпитта. М.: Мир, 1974, стр.20). Однако эта конструкция при высоких значениях коэффициента усиления имеет достаточно узкую (не более 3-5%) полосу усиливаемых частот.
Указанных недостатков лишена известная конструкция ЛБВ, в которой для расширения полосы усиливаемых частот при высоких коэффициентах усиления применена многосекционная ЗС типа ЦСР с усилением на крутых участках дисперсионных характеристик секций, расположенных вблизи низкочастотных границ полос пропускания. В этой конструкции, для получения локального максимума усиления вблизи коротковолновой границы рабочего диапазона, приводящего к расширению полосы усиливаемых частот на 1-2%, введена промежуточная секция, область частот максимального усиления которой расположена выше частоты коротковолновой части рабочего диапазона (см. Григоренко Л.П., Канавец В.И., Корешков Е.Н., Мозговой Ю.Д. Исследование усиления электромагнитных колебаний в многосекционной ЛБВ на связанных резонаторах. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1978. Вып.9, стр.27-40).
Однако получающийся вследствие применения такой конструкции провал в центре рабочего диапазона не позволяет получить максимальную полосу усиливаемых частот при минимальном перепаде выходной мощности в рабочем диапазоне. На практике наибольшая полоса усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, коэффициенте усиления свыше 45 дБ и перепаде выходной мощности не более 1,5-2 дБ не превышает 6%.
Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является усилительный СВЧ прибор, содержащий электронно-оптическую систему, входную, выходную и две промежуточных секции электродинамической системы резонаторного типа (RU №73785). При этом все секции имеют одинаковый тип резонаторной замедляющей системы, входная секция настроена на частоту, расположенную между частотой длинноволновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот, выходная секция настроена на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, одна из промежуточных секций настроена на коротковолновую границу полосы усиливаемых частот, а другая промежуточная секция настроена на частоту, расположенную между частотой коротковолновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот.
Недостаток этой конструкции связан с тем, что, из-за применения двух промежуточных секций, максимальная ширина полосы усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, коэффициенте усиления свыше 45 дБ и перепаде выходной мощности не более 1,0 дБ не превышает 9,5%.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение полосы усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, сохранении высокого коэффициента усиления и малого перепада выходной мощности (не более 1,0-3,0 дБ).
Технический результат использования изобретения заключается в обеспечении возможности выбора структуры дополнительных промежуточных секций и порядка настроек секций на частоты рабочей полосы диапазона в зависимости от вида требуемой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
π
i
Поставленная задача решается таким образом, что в усилительном СВЧ приборе, содержащем электронно-оптическую систему, входную, выходную и промежуточные секции замедляющей системы резонаторного типа, введено N дополнительных промежуточных секций замедляющей системы резонаторного типа, причем все секции имеют одинаковый тип резонаторной замедляющей системы, выходная секция настроена на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, а частоты f  низкочастотных границ полос пропускания остальных секций, расположенные в порядке возрастания (1<i<N+1), и изменение частоты Δ, обусловленное заданным перепадом коэффициента усиления прибора в рабочей полосе, выбираются из условий
c
0
π
c
0
i
i
i
(F -Δ)/f<f <(F +Δ)/f,
0
0,005<Δ/f<0,012;
c
0
i
где F  - частоты, соответствующие корням полинома Чебышева N+2-го порядка, аппроксимирующего амплитудно-частотную характеристику прибора, f - частота длинноволновой границы рабочей полосы усиливаемых частот.
вых
о
вх
вх
вх
о
вых
о
0
о
о
На фиг.1 схематически изображен усилительный СВЧ прибор (ЛБВ) заявленной конструкции. На фиг.2 представлены расчетные (1) и экспериментальные (3) зависимости выходной мощности Р/Р и коэффициента усиления G, входной мощности Р/Р  (2), от частоты (Р , Р - нормировочные значения входной и выходной мощности соответственно) для трехсекционного варианта исполнения усилительных СВЧ приборов с током 1=4.0 А, потенциалом ЗС U=25000 В и расчетная зависимость выходной мощности Р/Р и усиления G от частоты (4) для четырехсекционного варианта исполнения усилительных СВЧ с теми же электрическими параметрами. На фиг.3 представлена зависимость относительной отстройки частоты Δ/f от заданного перепада коэффициента усиления прибора В в рабочей полосе.
Усилительный СВЧ прибор содержит электронно-оптическую систему 1, ввод ВЧ-энергии 2, входную 3, промежуточные 4-5 и выходную 6 широкополосные секции электродинамической системы резонаторного типа. Прибор содержит также вывод ВЧ-энергии 7, коллектор 8.
c
0
π
c
0
c
0
0
i
i
i
i
СВЧ прибор работает следующим образом. При установленных потенциалах на электродах прибора к входной секции замедляющей системы подводят входной СВЧ сигнал. При этом выходная секция настроена на частоту, соответствующую длинноволновой границе полосы усиливаемых частот, а входная и промежуточные секции расставлены в порядке возрастания частот, которые выбираются из условия (F -Δ)/f<f <(F +Δ)/f, где F  - частоты, соответствующие корням полинома Чебышева N+2-го порядка, аппроксимирующего амплитудно-частотную характеристику прибора (1<i<N+1); a Δ/f - относительная отстройка частоты найдена на основании цикла расчетных и экспериментальных исследований и при изменении перепада коэффициента в рабочей полосе находится в интервале 0,005<Δ/f<0,012.
Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных результатов (фиг.2) показывает, что предложенная конструкция усилительного СВЧ прибора обеспечивает существенно большую ширину полосы усиливаемых частот по сравнению с шириной полосы усиливаемых частот обычной ЛБВ с трех- или четырехсекционной структурой электродинамической системы (фиг.2). Экспериментальные результаты измерений выходных характеристик в обычной трехсекционной ЛБВ, представленные на фиг.2, показывают, что относительная ширина полосы усиливаемых частот при перепаде выходной мощности 1,0 дБ не превосходит 7,1%, а относительная ширина полосы усиливаемых частот для ЛБВ заявленной конструкции с такими же электрическими параметрами существенно выше и составляет 10,1% при том же перепаде выходной мощности. Таким образом, предлагаемые настройки секций обеспечивают увеличение полосы усиливаемых частот в широком диапазоне изменений электродинамических характеристик ЗС при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности.
Конкретные настройки частот входной, выходной и N промежуточных секций определяются на основании расчета или эксперимента из условия обеспечения требуемых ширины полосы усиливаемых частот и перепада коэффициента усиления в этой полосе частот при заданных электродинамических характеристиках ЗС ЛБВ.
Практическое изготовление усилительного СВЧ прибора предлагаемой конструкции не требует дополнительных технологических операций и выполняется на стандартном металлообрабатывающем оборудовании, что облегчает промышленную применимость.
Анализ конструкций аналогов и прототипа заявляемого устройства показывает, что признаки, связанные с конкретизацией количества секций с одинаковым резонаторным типом замедляющей системы, а также признаки, связанные с частотной настройкой секций относительно низкочастотного и высокочастотного краев рабочей полосы усиливаемых частот, вызванный этим положительный эффект расширения полосы усиливаемых частот при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности, не известны.
Применение конструкции усилительного СВЧ прибора в соответствии с предложенной формулой изобретения позволило расширить полосу усиливаемых частот в 1,5-2,0 раза при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности.
Таким образом, предлагаемая конструкция усилительного СВЧ прибора обладает следующими преимуществами:
расширение полосы усиливаемых частот (свыше 10%) при постоянном входном сигнале, высоком коэффициенте усиления (свыше 45 дБ) и незначительном перепаде выходной мощности в рабочем диапазоне частот (не более 1,0-3,0 дБ).