ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

Полезная модель относится к технике СВЧ, а именно к замедляющим системам ламп бегущей волны (ЛБВ) короткой части миллиметрового диапазона (0.1-0.3 ТГц).
Освоение терагерцевого диапазона частот - одна из наиболее приоритетных и трудных задач современной вакуумной электроники. При создании электровакуумных приборов этого диапазона основная проблема связана с миниатюрными размерами замедляющих систем [Booske J.H., Dobbs R.J., Joye C.D., Kory C.L., Neil G.R., Park G.S., Park J.H., Temkin R.J. Vacuum electronic high power terahertz sources // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. Vol. 1. No. 1. P. 54-75]. Чтобы получить достаточно большие мощности (1-100 Вт) в этом диапазоне частот необходимо увеличивать рабочий ток в замедляющей системе (ЗС) при миниатюрных размерах пролетного канала (для спиральной замедляющей системы для этих диапазонов частот диаметр пролетного канала должна быть 200 мкм и меньше). Поэтому возникает необходимость создания электронного потока с ультравысокой плотностью в пролетном канале замедляющей системы (до 1000 А/см2). Использование ленточного электронного пучка позволяет снизить плотность тока до приемлемых значений порядка 100 А/см2 [Каретникова Т.А., Рожнев А.Г., Рыскин Н.М., Торгашов Г.В., Синицын Н.И., Григорьев Ю.А., Бурцев А.А., Шалаев П.Д. Моделирование лампы бегущей волны субтерагерцевого диапазона с замедляющей системой типа сдвоенной гребенки и ленточным электронным пучком // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. №1. С. 54-60]. Тем не менее, для фокусировки такого пучка необходимо конструировать сложные электронно-оптические системы с мощным магнитным полем (порядка 1 Тл и более), а также возникает проблема с теплоотводом.
Известна классическая замедляющая система типа меандр для ленточного электронного потока [Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. М.: Сов. радио, 1966. С. 362] и ее модификации. Конструкция такой замедляющей системы позволяет значительно увеличить ширину ленточного электронного потока над ЗС. Эта ЗС предназначена для мощных и широкополосных ЛБВ сантиметрового диапазона.
В миллиметровом диапазоне также предложены меандровые ЗС из микрополосковых линий, располагающихся на диэлектрической подложке, что обеспечивает большое замедление и позволяет снизить питающее напряжение, массу и габариты прибора [Гуляев Ю.В., Жбанов А.И., Захарченко Ю.Ф., Нефедов И.С., Синицын Н.И., Торгашов Г.В. Планарные замедляющие системы миниатюрных электровакуумных СВЧ приборов // Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39. №12. С. 2049-2058]. Однако они имеют ряд недостатков:
1. Проблема теплоотвода.
Для улучшения теплоотвода предлагается использовать замедляющую систему на алмазной подложке [Ракова Е.А., Галдецкий А.В., Корепин Г.Ф., Смирнов В.А., Зубков Н.П., Лябин Н.А., Парамонов B.C., Дерябкин А.В., Куликов Е.Н., Духновский М.П. Проектирование и исследование технологии изготовления перспективной замедляющей системы для ЛБВ W-диапазона // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2016. Т. 1. №1. С. 148-152]. Однако использование алмаза в качестве теплоотводящего материала в вакуумных приборах не получило широкого распространения из-за графитизации алмаза при нагревании, чему способствует наличие в приборе различных металлов, часто являющихся катализатором этого процесса.
2. Сопротивление связи резко (по экспоненте) спадает при удалении от поверхности меандра, что налагает ограничения на толщину ленточного электронного потока (до нескольких десятков микрон в короткой части миллиметрового диапазона).
3. Оседание электронов на диэлектрическую подложку, приводящее к заряду диэлектрика, что нарушает прохождение пучка.
Технической проблемой полезной модели является создание цельнометаллического миниатюрного аналога меандровой замедляющей системы короткой части миллиметрового диапазона, способного пропускать один или несколько электронных потоков непосредственно через отверстия в меандре, что позволит значительно увеличить рабочий ток прибора и получить достаточно высокие мощности в данном частотном диапазоне и одновременно снизить плотность тока. Подобная структура обладает большей тепловой и механической прочностью по сравнению с пленочными системами, а также лишена недостатков, связанных с оседанием заряда на диэлектрик.
Техническим результатом является увеличение электронного тока в пространстве взаимодействия потока электронов с электромагнитной волной замедляющей системы, что обеспечивает возможность создания вакуумных приборов терагерцевого диапазона средней мощности (1-100 Вт).
Указанный технический результат достигается тем, что замедляющая система для лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн представляет собой проводник, выполненный в форме прямоугольного меандра, образованный параллельно расположенными металлическими пластинами, связанными между собой перемычками, при этом каждая из пластин снабжена сквозным прямоугольным отверстием для пролета плоского потока электронов, при этом отверстия в пластинах расположены с образованием прямоугольного канала для пролета плоского потока электронов через замедляющую систему.
Проводник может быть выполнен в виде единой цельнометаллической детали.
Прямоугольные отверстия ориентированы параллельно длинной стороне пластины и выполнены с одинаковыми геометрическими параметрами.
Количество пластин может быть выбрано не менее 50.
В диапазоне частот 40-70 ГГц пластины выполнены толщиной (w) 50-200 мкм, шириной (L) 800-1000 мкм и высотой (Т) 900-1000 мкм, шаг меандра (D) составляет 200-300 мкм, а отверстия в пластине выполнены высотой (t) 100-300 мкм и шириной (L-2w) 700-900 мкм.
Предлагаемая меандровая замедляющая система позволяет значительно увеличить поперечный размер пластины «Т», что практически не влияет на основные рабочие электродинамические параметры ЗС. Это позволяет расположить на поперечных пластинах, составляющих меандр, отверстия для одного или нескольких каналов для пролета ленточных (плоских) электронных потоков.
Наличие пролетного канала непосредственно в поперечных элементах меандровой ЗС позволит увеличить рабочий ток прибора без уменьшения сопротивления связи. Отсутствие диэлектрика в непосредственной близости от электронного потока, такого как диэлектрическая подложка в пленочной ЗС, сделает невозможным накопление нежелательного заряда вблизи пространства взаимодействия, что обеспечит стабильное прохождение пучка до коллектора
Полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлен общий вид замедляющей системы в волноводе с пролетными каналами, на Фиг. 2 - поперечное сечение ЗС, на Фиг. 3-расчетный вариант фрагмента замедляющей системы с двумя пролетными каналами, расположенный в прямоугольном волноводе, использованный для расчета параметров ЗС в диапазоне частот 50-70 ГГц, на Фиг. 4 представлен схематический чертеж традиционной ЛБВ О-типа с замедляющей системой «плоский меандр в волноводе» с электронным потоком над меандром, на Фиг. 5 представлены дисперсионные характеристики (зависимость ускоряющего напряжения от частоты) и зависимость сопротивления связи от частоты замедляющей системы для ЛБВ с двумя пролетными каналами.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - замедляющая система;
2 - металлическая пластина;
3 - перемычка;
4 - отверстие для пролета плоского потока электронов;
5 - сквозной прямоугольный канал для пролета плоского потока электронов;
6 - волновод;
7 - катод;
8 - поток электронов,
9 - замедляющая система,
10 - магнитная фокусирующая система,
11 - вход СВЧ-энергии;
12 - выход СВЧ-энергии;
13 - коллектор.
Предлагаемая замедляющая система Фиг. 1, 2, 3 представляет собой параллельно расположенные металлические пластины 2, связанные между собой поочередно с разных сторон перемычками 3 с образованием прямоугольного меандра в профиле. Каждая пластина 2 имеет одно или несколько сквозных одинаковых по размеру, форме и расположению прямоугольных отверстий 4, которые после соединения пластин между собой в виде меандра образуют соосные прямоугольные каналы 5 для пролета одного или нескольких (плоских) ленточных потоков электронов через замедляющую систему. При этом прямоугольные отверстия 4 ориентированы параллельно длинной стороне пластины и выполнены с одинаковыми геометрическими параметрами. Пластины 2 выполнены прямоугольной формы и также имеют одинаковые геометрические параметры.
Каждая пластина 2 может быть снабжена двумя отверстиями 4, расположенными с образованием двух параллельных каналов 5 для пролета плоских потоков электронов через замедляющую систему.
Металлические пластины 2 связаны между собой с образованием непрерывного проводника в виде единой цельнометаллической детали, при этом количество пластин может быть выбрано не менее 50 и определяется параметрами ЛБВ.
Предлагаемая замедляющая система может быть изготовлена, например, с использованием высокоточной электроискровой установки для резки металлов (например: электроэрозионный проволочно-вырезной 5-ти координатный станок А207.93-М5).
На Фиг. 4 представлено схематическое изображение ЛБВ, в которой используется традиционная замедляющая система О-типа.
При традиционном использовании меандровой ЗС с одним пролетным каналом, сформированный электронной пушкой плоский электронный поток поступает в пролетный канал замедляющей системы, который образован плоской меандровой ЗС и стенкой волновода и проходит вдоль оси замедляющей системы по направлению к коллектору ЛБВ. Для фокусировки электронного потока используют магнитную систему на постоянных магнитах. Входной СВЧ-сигнал через ввод СВЧ-энергии в волновод, в котором расположена ЗС и возбуждает электромагнитную волну, которая распространяется по замедляющей системе 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 электромагнитной энергии, которая в виде усиленного СВЧ-сигнала выводится из замедляющей системы через вывод СВЧ-энергии и поступает в нагрузку. Электронный поток, пройдя вдоль замедляющей системы, попадает в коллектор.
В предлагаемом устройстве электронная пушка формирует один или несколько плоских ленточных электронных потоков 8, каждый из которых проходит вблизи от металлических проводников, образующих зоны взаимодействия в замедляющей системе. Это позволяет повысить сопротивление связи каждого пучка с электромагнитной волной и увеличить полный ток при сохранении достижимых значений плотности тока с катода. Данные факторы будут способствовать повышению коэффициента усиления и выходной мощности прибора.
Для подтверждения достижения технического результата было проведено математическое моделирование двухлучевой меандровой замедляющей системы диапазона частот 40-70 ГГц с помощью программных комплексов ANSYS HFSS и COMSOL Multiphysics (Фиг. 3, 5).
Длина каждого участка проводника, образующего пространство взаимодействия электромагнитной волны с ленточными (плоскими) электронными потоками L=1000 мкм, толщина проводника w=50 мкм, период ЗС D=200 мкм, высота каждого отверстия для пролета электронов t=200 мкм, ширина каждого отверстия 900 мкм. Данные размеры определяют электродинамические параметры ЗС. На Фиг. 5 приведены рассчитанные электродинамические параметры ЗС: дисперсионная характеристика и сопротивление связи. Дисперсионная характеристика рассчитанной двухлучевой ЗС не изменилась по сравнению с однолучевой ЗС, а сопротивление связи в несколько раз превысило сопротивление связи прототипа. Учитывая возможность значительного увеличения общего тока, ЛБВ можно рассчитывать на значительное увеличение выходной мощности прибора.
Предлагаемая конструкция замедляющей системы для прибора с рабочим диапазоном частот 50-70 ГГц может обеспечить плотность тока до 100 А/см2 в пространстве взаимодействия при ускоряющем напряжении 20 кВ и сопротивлении связи 100 Ом.