ГЕНЕРАТОР СВЧ

Заявляемая полезная модель относится к нерелятивистской сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике, а именно к широкополосным генераторам, и может найти применение в системах радиопротиводействия и подавления, системах связи и областях медицины, использующих терапевтическое воздействие электромагнитным излучением.
Известен генератор на лампе бегущей волны (ЛБВ-генератор) с запаздывающей обратной связью, называемый также шумотрон (Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием. // Радиотехника и электроника, 1979, т. 24, N 6, с. 1118). Шумотрон включает электронную пушку, две секции ЛБВ (пространство взаимодействия и замедляющая система), коллектор, обратную связь в виде коаксиального кабеля, соединяющего выход второй ЛБВ с входом первой, вывод энергии. Кроме того, в СВЧ электронике существует целый ряд различных вакуумных приборов, используемых для генерации хаотических шумоподобных колебаний, так называемые генераторы хаоса (Афанасьев В.В., Трубецков Д.И. Динамический хаос в электронных сверхвысокочастотных приборах. Ч. I. Вакуумные нерелятивистские приборы. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ, вып. 3 (1614), 1991, 40 с, ч. II. Приборы релятивисткой электроники, вып. 4 (1615), 1991, 32 с).
Однако в известных вакуумных приборах СВЧ диапазона, в том числе шумотронах, используются замедляющие системы, параметры которых (период) определяются рабочей длиной волны. Соответственно, переход к более коротким волнам должен сопровождаться уменьшением размеров электродинамической системы, в результате размеры пролетного канала у ламп терагерцового диапазона будут составлять доли миллиметра. Это ограничивает величину максимального тока пучка, который можно пропустить через пролетный канал замедляющей системы - с ростом плотности тока увеличиваются силы пространственного заряда, рассеивающие пучок. С другой стороны увеличение тока пучка необходимо для получения сигнала достаточного уровня мощности. Другим следствием использования замедляющих систем является сильная изрезанность спектра выходного сигнала и недостаточная ширина рабочей полосы частот - около 20%.
Известны так называемые низковольтные виркаторы - нерелятивистские вакуумные приборы, использующие для генерации широкополосных шумоподобных СВЧ сигналов сложную динамику виртуального катода (см. патенты РФ на изобретение №2288519 и №2431902). Низковольтный виркатор содержит источник электронов - пушку с термокатодом, ускоряющий электрод, анод, систему сеток, создающих область тормозящего электрического поля, отрезок спирали для вывода энергии и коллектор. В электронном пучке, сформированном коллектором и попадающем в область тормозящего электрического поля, создаются условия для возникновения плоскости отражения электронов - виртуального катода. В этой плоскости возникает область повышенной электронной плотности, формируемая медленными электронами. Осцилляции виртуального катода являются источником СВЧ излучения.
Однако рассмотренные схемы характеризуются высокой изрезанностью спектра выходного сигнала.
Известны генераторы, использующие турбулентные электронные потоки (см. патент РФ на изобретение №2420825, патент РФ на полезную модель №94762). Генератор на турбулентном электронном потоке включает электронную пушку с катодом, фокусирующим электродом и анодом, область модуляции электронного потока, систему электродов фокусировки, область усиления, электродинамическую систему, вывод СВЧ-энергии и коллектор. Ламинарный электронный поток, формируемый электронной пушкой трансформируется в турбулентный путем его модуляции неоднородными электрическим и магнитным полями. При этом в потоке возникают электронные сгустки, колеблющиеся во времени и пространстве и являющиеся источником широкополосного шумоподобного СВЧ излучения. В отличие от традиционной конструкции генератора с ВК, область повышенной электронной плотности не локализована в определенном месте электронного пучка, а распределена по всему его протяжению. В каждой точке пучка направление и величина скорости электронов, а также плотность пространственного заряда непрерывно меняются во времени, что позволяет сравнивать такой электронный поток с турбулентным потоком жидкости. Существенную роль здесь играет неоднородность электронного пучка - чем более сложный характер движения имеют электроны, тем более шумящим оказывается такой пучок, в первую очередь, на неоднородность влияет величина разброса скоростей электронов.
Известные генераторы на турбулентном электронном потоке характеризуются слабой изрезанностью спектра выходного сигнала, и широкой полосой генерации, однако выходная мощность оказывается мала, поскольку малые сгустки, распределенные по пучку, являются источником более слабого излучения, чем в случае одного мощного и локализованного в пучке сгустка.
Известен СВЧ генератор со встречными катодами, содержащий два термокатода с общим ускоряющим анодом и электродинамическую систему с двумя выводами энергии, при этом термокатоды расположены с противоположных сторон от ускоряющего анода. Это позволяет увеличить электронную плотность в пространстве дрейфа и приводит к возникновению более интенсивных СВЧ-колебаний (см. патент РФ на изобретение №2325724).
Однако введение дополнительного катода существенно усложняет конструкцию прибора и увеличивает габариты готового устройства. Встречные пучки требуют дополнительных мер направленных на предотвращение перегрева конструкции, параметры пушек должны быть тщательно подогнаны друг под друга, что требует долгой настройки в процессе сборки прибора. Немаловажным моментом является общее снижение надежности такого генератора.
Наиболее близким к заявляемому устройству является конструкция генератора СВЧ сигналов на виртуальном катоде, использующая трубчатый электронный поток, формируемый магнетронно-инжекторной пушкой с эмитирующим полоском (см. патент РФ на изобретение №2444082). Генератор содержит катод с эмитирующим полоском, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, статическую магнитную фокусирующую систему. Полосок позволяет формировать пучок, обладающий большим разбросом скоростей электронов, обусловленным различными начальными условиями на краях полоска, причем ширина последнего является одним из существенных факторов, влияющих на генерацию. Широкий полосок обеспечивает большую неоднородность электронного пучка, тем самым влияя на изрезанность спектра выходного сигнала. Кроме того широкий полосок увеличивает токоотбор с катода и позволяет получать большие токи пучка. Выходная мощность может достигать величины порядка 70 Вт при максимальной ширине полоска h=3 мм, что выше, чем в других подобных конструкциях. Ширина полосы частот доходит до 100% от основной частоты в спектре колебаний.
Однако конструкция прототипа также характеризуется низким уровнем выходной мощности, что ограничивает область ее возможного применения. Дальнейшее увеличение ширины эмитирующего полоска не решает проблемы - с одной стороны улучшается характеристика выходного сигнала в рабочей полосе частот, но с другой стороны пушка с очень широким полоском становится чрезвычайно трудно управляемой. Сформировать и удержать протяженный пучок становится трудно - нужно совершенствовать систему фокусировки и искать подходящую конфигурацию магнитного поля. Рассмотренная конструкция не позволяет получить большие значения тока, что ограничивает мощность и максимальную рабочую частоту.
Задачей заявляемой полезной модели является создание СВЧ генератора на турбулентном электронном пучке с повышенной выходной мощностью и максимальной рабочей частотой в терагерцовом диапазоне.
Технический результат, достигаемый в предложенном генераторе СВЧ, заключается в повышении выходной мощности и увеличении рабочего диапазона частот в сторону высоких частот за счет возможности достижения более высоких токов пучка при сохранении требуемых характеристик выходного сигнала (широкая полоса частот и слабая изрезанность спектра) без существенного усложнения конструкции прибора и сохранении малых габаритов устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе СВЧ, включающем последовательно расположенные катод конической формы с эмиттирующим полоском, ускоряющие электроды, статическую магнитную фокусирующую систему, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектор, согласно решению катод в центральной части выполнен вогнутой сферической формы и имеет центральное термоэмитирующее покрытие, образующее, по крайней мере, одну дополнительную эмитирующую зону; перед центральным термоэмитирующим покрытием катода, между катодом и электродинамической системой расположена модулирующая сетка с поперечными размерами, соответствующими размерам дополнительной эмитирующей зоны.
Полезная модель поясняется с помощью чертежа, где представлен общий вид устройства. Позициями на чертеже обозначены:
1 - катод;
2 - эмитирующий полосок;
3 - термоэмитирующее покрытие;
4 - ускоряющие электроды;
5 - электродинамическая система;
6 - вывод энергии;
7 - магнитная фокусирующая система
8 - коллектор;
9 - сетка;
Генератор СВЧ включает последовательно расположенные катод 1 конической формы с эмитирующим полоском 2 и центральным термоэмитирующим покрытием 3, ускоряющие электроды 4, расположенные по периметру пояска, модулирующая сетка 9, статическую магнитную фокусирующую систему 8, электродинамическую систему 5 с выводом 6 энергии и коллектор 7.
Дополнительная эмитирующая зона, снабженная центральным термоэмитирующим покрытием 3, формирует дополнительный внутренний электронный пучок, который после смешивания с внешним трубчатым пучком, формируемым полоском, существенно увеличивает полный ток электронного потока и тем самым выходную мощность. Известно, что одним из факторов определяющих нестационарную динамику электронного потока является кулоновское поле пространственного заряда электронов в потоке, поэтому рост тока пучка ведет к росту и плазменной частоты, а она в свою очередь увеличивает характерную частоту колебаний в электронном потоке [Трубецков Д.И. Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Ч. 2.]. В результате спектр выходного сигнала смещается в область более высоких частот, что в перспективе позволит перейти и в терагерцовый диапазон. С целью предотвращения рассеяния центрального пучка под действием кулоновских сил пространственного заряда в условиях возросшего тока пучка, дополнительная эмитирующая зона, снабженная центральным термоэмитирующим покрытием, имеет вид вогнутой сферической поверхности, создавая тем самым сжатие пучка в направлении оси прибора. Как было экспериментально показано ранее, существенное влияние на характеристики выходного сигнала в генераторе на турбулентном пучке оказывает величина скоростного разброса, определяющая степень неоднородности пучка. Перед центральной эмитирующей частью перпендикулярно направлению центрального пучка установлена модулирующая сетка, являющаяся также ускоряющим электродом для центрального пучка. Сетка оказывает возмущающее воздействие на электроны, увеличивая скоростной разброс. Кроме того позволяет легко управлять центральным пучком, меняя ток или вид функции распределения электронов по скоростям, оказывая тем самым влияние на характеристики выходного сигнала. Размеры сетки определяются таким образом, чтобы оказывать возмущающее воздействие только на центральный пучок, для управления работой прибора. Стоит отметить, что формирование внешнего пучка с помощью конического катода в скрещенных полях (магнетронно-инжекторная пушка) обеспечивает получение гораздо больших скоростных разбросов, чем это может быть достижимо в других конструкциях, а заявленное усовершенствование позволяет устранить один из главных недостатков подобных приборов - низкую выходную мощность.
Устройство работает следующим образом. Катод 1, имеющий полосок 2 и центральное термоэмитирующее покрытие 3, формирует два электронных пучка. Внешний пучок - трубчатый и за счет большой ширины полоска 2 обеспечивается значительный разброс скоростей электронов. Попадая в область нарастающего магнитного поля, создаваемого внешней магнитной фокусирующей системой 7, внешний пучок «прижимается» к оси и турбулизуется под действием приобретенного скоростного разброса. Центральный пучок, проходя через модулирующую сетку 9, являющуюся для него также ускоряющим электродом, приобретает дополнительный разброс скоростей, а затем смешивается с внешним трубчатым, увеличивая полный ток пучка. Управление пучками осуществляется с помощью ускоряющих электродов 4, позволяющих менять питч-фактор внешнего пучка (отношение продольной компоненты скорости электрона к поперечной), а также центральной сеткой 9, управляющей внутренним пучком. Осцилляции электронных сгустков, возникающих в турбулентном пучке возбуждают электродинамическую систему 5, с которой выводится выходной СВЧ сигнал через вывод 6. Отработанный пучок рассеивается на коллекторе 8.