Мощная спиральная лампа бегущей волны
POWERFUL SPIRAL TRAVELING WAVE TUBE

Изобретение относится к электровакуумным СВЧ-приборам О-типа, в частности, к мощным спиральным лампам бегущей волны (ЛБВ) и к миниатюрным низковольтным ЛБВ с высокой удельной тепловой нагрузкой на спираль.
Известна ЛБВ, содержащая электронную пушку, замедляющую систему спирального типа, магнитную фокусирующую систему и коллектор [Справочник по вакуумной электронике. Компоненты и устройства. // Под редакцией Дж. Айхмайера, М. Тамма. Перевод с английского Е.Б. Махияновой, под редакцией Н.А. Бушуева. Москва, изд. Техносфера, 2011. С. 39, 40.]. В данной ЛБВ используется конструкция замедляющей системы, которая включает в себя спираль, изготовленную из проволоки тугоплавкого металла, и три диэлектрические опоры спирали в виде стрежней. ЛБВ имеет высокий КПД (до 70%) в режиме насыщения выходной мощности.
Недостатком этой ЛБВ является ухудшение теплоотвода от спирали при увеличении мощности электронного потока.
Известна ЛБВ сантиметрового диапазона с замедляющей системой, состоящей из спирали прямоугольного сечения и трех металлокерамических комбинированных опор спирали [Г. Азов, Э. Танеев, С. Хриткин. Спиральная ЛБВ сантиметрового диапазона: методы проектирования и результаты разработки. Журнал «ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ», №1 (00151) 2016, с. 155-159]. Комбинированные опоры состоят из керамического стержня прямоугольного сечения и металлического держателя, соединенных между собой посредством термокомпрессионной сварки. Держатель опоры имеет внутренний паз, предназначенный для размещения керамического стержня, а его боковые поверхности представляют собой элементы, создающие продольную проводимость в системе. При изменении высоты боковых металлических поверхностей опоры обеспечивается возможность эффективного управления дисперсионной характеристикой замедляющей системы. ЛБВ обеспечивает выходную мощность 300-600 Вт в полосах частот различной ширины.
Недостатком описанной ЛБВ является конструкция замедляющей системы. При такой конструкции увеличение сопротивления связи, возникающее при достаточно близком (особенно для низковольтных ЛБВ) расположении боковых металлических поверхностей опоры к поверхности спирали, осуществляется в ущерб механической прочности и термоустойчивости замедляющей системы, а также же за счет уменьшения возможности управления диэлектрическими потерями с помощью выбора формы и размеров керамических опор.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является ЛБВ, содержащая экранирующий корпус, являющийся частью вакуумной оболочки, магнитную периодическую фокусирующую систему, замедляющую систему, включающую спираль, закрепленную тремя теплоотводящими керамическими опорами прямоугольного сечения (прототип) [Патент №2285310 МПК H01J 25/34]. Несомненными достоинствами такой конструкции является непосредственный контакт опоры спирали с внутренней поверхностью наконечников магнитопровода, что позволяет эффективно отводить тепло от спирали.
Недостатком такого технического решения является выполнение керамических опор спирали из материала ВеО, который имеет коэффициент теплопроводности 210 Вт/м⋅К и токсичен при обработке. А так же механический контакт между соприкасающимися поверхностями деталей (спираль - опоры) обеспечивается в трех местах на небольшой площади, что значительно увеличивает тепловое сопротивление и ухудшает теплоотвод от спирали.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение выходной мощности спиральных ЛБВ в широкой полосе рабочих частот при обеспечении повышенного сопротивления связи и эффективного теплоотвода от замедляющей системы.
Технический результат достигается тем, что мощная спиральная лампа бегущей волны содержит экранирующий корпус, являющийся частью вакуумной оболочки, магнитную систему, замедляющую систему спирального типа, закрепленную вдоль оси корпуса с помощью диэлектрических опор, выполненных из материала с высокой теплопроводностью. Спираль имеет прямоугольное сечение и закреплена в корпусе с помощью двух диэлектрических опор, шириной не более λ/2, где λ - длина волны, выполненных в виде полого полуцилиндра с прямоугольными пластинами на концах, расстояние между которыми составляет L≥2t, где t - толщина проводника спирали, причем каждая опора соединена с внутренней поверхностью экранирующего корпуса или находится на расстоянии d от нее, определяемом из соотношения , где n - коэффициент замедления СВЧ-волны.
Диэлектрические опоры могут быть выполнены из CVD алмаза.
Использование проводника спирали прямоугольного сечения обеспечивает лучший механический и тепловой контакт с опорами. Закрепление спирали двумя диэлектрическими опорами с развитой поверхностью обеспечивает увеличение площади контакта (практически по всему периметру) между соприкасающимися поверхностями деталей (спираль-опоры) замедляющей системы ЛБВ. Этим обеспечивается отвод тепла с каждого витка спирали к экрану по кратчайшему пути, в результате чего снижается температура спирали, а, следовательно, увеличивается допустимая тепловая мощность. Ширина опоры не должна превышать λ/2 для предотвращения возникновения паразитных видов колебаний. Для ввода/вывода СВЧ-мощности между пластинами опор расстояние L, определяемое исходя из толщины проводника спирали.
Необходимые кривизна и ширина полосы пропускания дисперсионной характеристики и сопротивления связи замедляющей системы ЛБВ достигаются за счет различных вариантов расположения диэлектрических опор относительно внутренней поверхности экранирующего корпуса, расширяя функциональные возможности ЛБВ. Опора может быть соединена с внутренней поверхностью экранирующего корпуса или находится на расстоянии d от внутренней поверхности экранирующего корпуса, что уменьшает паразитную емкость и эффективно увеличивает сопротивление связи. Расстояние d определяется в зависимости от коэффициента замедления СВЧ-волны.
Выполнение диэлектрических опор из доступного и безопасного материала - CVD алмаза, имеющего теплопроводность от 700 Вт/м⋅К, позволяет улучшить теплорассеивающие свойства замедляющей системы. Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемой мощной спиральной ЛБВ, где:
- экранирующий корпус 1,
- магнитная система 2,
- замедляющая система спирального типа 3,
- диэлектрическая опора 4.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез мощной спиральной ЛБВ, где:
- экранирующий корпус 1,
- проводник прямоугольного сечения 5 спирали 3,
- полый полуцилиндр 6 диэлектрической опоры 4,
- прямоугольная пластина 7 диэлектрической опоры 4,
- L расстояние между пластинами 7,
- d расстояние между внутренней поверхностью экранирующего корпуса 1 и диэлектрической опорой 4,
- пролетный канал 8.
Пример 1
Конструкция мощной спиральной ЛБВ включает в себя экранирующий корпус 1, выполненный из меди марки MB (1083°С), магнитную систему 2, замедляющую систему 3 и диэлектрические опоры 4. Замедляющая система 3 спирального типа содержит проводник прямоугольного сечения 5 размером 100×50 мкм, выполненный из золота. Диэлектрические опоры 4 выполнены из CVD алмаза толщиной 150 мкм. Полый полуцилиндр 6 диэлектрической опоры 4 имеет внутренний диаметр 300 мкм и внешний диаметр 600 мкм, а прямоугольная пластина 7 имеет размер 200×65 мкм. Каждая опора 4 соединена с внутренней поверхностью экранирующего корпуса 1. Расстояние L между пластинами 7 диэлектрических опор 4 равно 100 мкм, при толщине проводника 5 равном 50 мкм. Вдоль продольной оси проводник прямоугольного сечения 5 замедляющей системы 3 в виде спирали образует пролетный канал 8, радиус которого равен 150 мкм.
Пример 2
Конструкция мощной спиральной ЛБВ включает в себя экранирующий корпус 1, выполненный из меди марки MB (1083°С), магнитную систему 2, замедляющую систему 3 и диэлектрические опоры 4. Замедляющая система 3 спирального типа содержит проводник прямоугольного сечения 5 размером 100×50 мкм, выполненный из золота. Диэлектрические опоры 4 выполнены из CVD алмаза толщиной 150 мкм. Полый полуцилиндр 6 диэлектрической опоры 4 имеет внутренний диаметр 300 мкм и внешний диаметр 600 мкм, а прямоугольная пластина 7 имеет размер 200×65 мкм. Расстояние L между пластинами 7 диэлектрических опор 4 равно 100 мкм, при толщине проводника 5 равном 50 мкм. Каждая диэлектрическая опора 4 закреплена на расстоянии d равном 100 мкм от внутренней поверхности экранирующего корпуса 1, при n=6. Вдоль продольной оси замедляющей системы 3 проводником прямоугольного сечения 5 в виде спирали образован пролетный канал 8, радиус которого равен 150 мкм.
Предлагаемая мощная спиральная ЛБВ работает следующим образом. Электронная пушка создает трубчатый или цилиндрический электронный поток, который двигается в пролетном канале 8 спиральной замедляющей системы 3 к коллектору. Магнитная система 2 создает магнитное поле, которое удерживает электронный поток во внешних границах меньше границ пролетного канала 8. В ЛБВ через ввод энергии в спиральную замедляющую систему 3 подают входную СВЧ-мощность. В спиральной замедляющей системе 3 распространяется бегущая волна вдоль проводника 5. Электронный поток проходит внутри пролетного канала 8, образованного проводником прямоугольного сечения 5 в виде спирали, закрепленной в экранирующем корпусе 1 с помощью двух диэлектрических опор 4. Усиление бегущих вдоль спиральной замедляющей системы 3 волн происходит за счет их взаимодействия с трубчатым или цилиндрическим потоком, скорость которого приблизительно равна фазовой скорости электромагнитной волны в спиральной замедляющей системе 3. Усиленная СВЧ-волна через вывод энергии поступает в полезную нагрузку. Эффект взаимодействия СВЧ-волны с электронным потоком осуществляется в определенной части полосы прозрачности замедляющей системы (рабочем диапазоне). Длина спиральной замедляющей системы 3 определяется положением максимума амплитудной характеристики.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить выходную мощность до 50 Вт в спиральной ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн с усилением 50 дБ в рабочей полосе частот от 10-40% при низком питающем напряжении 6,3 кВ, обеспечивая необходимые условия теплового режима прибора.