СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ЦИКЛОТРОННОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО
ULTRAHIGH FREQUENCY CYCLOTRON PROTECTIVE 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.
В современных радиолокационных системах (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны быть надежно и качественно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при предельно малом времени восстановления параметров после окончания СВЧ-импульса. Всем этим требованиям в значительной степени удовлетворяют циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), работающие на быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока.
Известно ЦЗУ по патенту Российской Федерации №2167480, в основу работы которого положено взаимодействие электродинамической структуры с БЦВ электронного потока [1]. Это устройство обеспечивает надежную защиту от СВЧ-мощности высокого уровня при малом времени восстановления, однако оно имеет узкую полосу рабочих частот в режиме пропускания сигнала, составляющую 2-4% в 3-см диапазоне длин волн. Ограничения по ширине полосы рабочих частот обусловлены двумя физическими факторами: недостаточной электронной нагрузкой резонаторов и плохим качеством согласования проводимости электронного потока и электродинамической структуры с проводимостью внешних входных и выходных СВЧ-линий. Электронная нагрузка резонаторов этого устройства ограничена величинами тока (100…200 мкА) и напряжений резонаторной системы (20…40В), в пределах которых еще выполняются жесткие требования на уровень токопрохождения (выше 99%) для обеспечения требуемых шумовых параметров ЦЗУ.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является ЦЗУ по патенту Российской Федерации №2453018 [2]. Его резонаторная система состоит из входного и выходного резонаторов, имеющих однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенных диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока. Резонаторы соединены с внешними СВЧ-линиями своими трактами передачи сигнала, каждый из которых разделен диэлектрическим окном на вакуумную и не вакуумную части. В невакуумных частях каждого тракта расположены подстроечные элементы (проводящие выступы в виде штырей или продольных пластин), с помощью которых полоса рабочих частот расширена до 6%. Однако во многих случаях эта величина недостаточна из-за постоянно возрастающих требований к современным РЛС. Очевидно, что для дальнейшего расширения полосы рабочих частот ЦЗУ необходимо повышать электронную нагрузку резонаторной системы путем увеличения тока (микропервеанса) ленточного электронного потока, повышения плотности тока в резонаторных зазорах, сужения резонаторных зазоров при обязательном жестком условии обеспечения токопрохождения в ЦЗУ на уровне выше 99%.
Актуальной проблемой в области разработок ЦЗУ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн является расширение полосы рабочих частот в режиме входного сигнала малого уровня путем повышения электронной нагрузки резонаторной системы.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот сверхвысокочастотного ЦЗУ 3-см диапазона длин волн.
Предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит электронную пушку с ленточным катодом, фокусирующим и вытягивающим электродами, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием, образующим пролетный канал, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля соосного с электронным потоком, уровень индукции которого обеспечивает вращение электронов с циклотронной частотой, равной средней частоте рабочей полосы частот устройства, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, который разделен на части, вакуумную и не вакуумную с подстроечными элементами. Фокусирующий электрод выполнен в виде прямоугольной пластины, расположенной перед ленточным катодом вдоль его длины, края которой по длине загнуты под прямым углом по направлению к катоду. Плоскость симметрии зазора выходного резонатора образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α, при этом 3°≤α≤5°.
Выполнение фокусирующего электрода в виде прямоугольной пластины, расположенной перед ленточным катодом по направлению движения электронов вдоль его длины, края которой по длине загнуты под прямым углом по направлению к катоду, позволяет обеспечить необходимую величину катодного тока и плавное падение плотности тока по краям эмитирующей поверхности катода. Это приводит к уменьшению S-образного искажения краев ленточного электронного потока под влиянием собственного пространственного заряда. Оптимальное распределение плотности тока вдоль катода достигается путем подачи отрицательного (по отношению к катоду) потенциала на фокусирующий электрод, положительного потенциала на вытягивающий электрод и последующей их настройки на заданную величину тока и максимальное токопрохождение.
Расположение выходного резонатора таким образом, что плоскость симметрии его зазора образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α в диапазоне 3°≤α≤5° позволяет улучшить токопрохождение на коллектор и повысить микропервеанс ленточного электронного потока, т.е повысить электронную нагрузку резонаторов и, следовательно, расширить его полосу рабочих частот ЦЗУ.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого ЦЗУ, где изображены:
1 - электронная пушка,
2 - ленточный катод,
3 - фокусирующий электрод,
4 - вытягивающий электрод (первый анод),
5 - входной резонатор,
6 - выходной резонатор,
7 - ленточный электронный поток,
8 - диафрагма с отверстием (пролетный канал),
9 - коллектор,
0
10 - средство (магнитная система) для создания однородного магнитного поля с уровнем индукции В,
11 - тракт передачи сигнала во входной резонатор,
12 - тракт передачи сигнала из выходного резонатора,
13 - зазор входного резонатора,
14 - зазор выходного резонатора.
На фиг.2 приведено схематическое изображение электронной пушки предлагаемого ЦЗУ, где
2 - ленточный катод,
3 - фокусирующий электрод,
4 - вытягивающий электрод (первый анод),
15 - подогреватель (держатель) катода.
На фиг.3 показаны результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе ЦЗУ - прототипа с удвоенной величиной тока электронного потока.
На фиг.4 показаны результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе предлагаемого ЦЗУ с удвоенной величиной тока электронного потока.
На фиг.5 показаны экспериментальные графики частотных зависимостей КСВН входа (выхода) устройства-прототипа и экспериментального образца предлагаемого устройства 3-см диапазона длин волн.
Примером выполнения предлагаемого устройства может служить конструкция ЦЗУ 3-см диапазона длин волн (см. фиг.1).
0
Устройство содержит электронную пушку 1, блок резонаторной системы, содержащий входной 5 и выходной 6 объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через ленточный электронный поток 7 и разделенные диафрагмой 8 с прямоугольным отверстием для прохождения электронного потока 7, коллектор 9 и магнитную систему 10 для формирования продольного однородного магнитного поля с индукцией В в области резонаторов.
В электронной пушке 1 вдоль координатной оси Z последовательно друг за другом расположены: фокусирующий электрод 3, ленточный катод 2 и вытягивающий электрод 4 (первый анод). Входной 5 и выходной 6 резонаторы с емкостными зазорами 13 и 14 с центрами в плоскостях Z1 и Z2 разделены запредельной секцией в виде диафрагмы 8 с прямоугольным отверстием, которое служит в качестве пролетного канала и обеспечивает однонаправленную связь между резонаторами через электронный поток 7. Входной 5 и выходной 6 резонаторы соединены и согласованы с внешней СВЧ-линией своими трактами передачи сигнала 11 и 12 соответственно. В их невакуумных частях установлены подстроечные элементы в виде штырей и продольных пластин. Для предотвращения возможного оседания электронов на стенки емкостного зазора 14 выходной резонатор 6 установлен таким образом, что плоскость симметрии его емкостного зазора 14 образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α=4°.
На фиг.2 приведено схематическое изображение электронной пушки 1 предлагаемого ЦЗУ. Оси декартовой системы координат Х, Y и Z ориентированы соответственно вдоль ширины и длины эмитирующей поверхности катода и по направлению движения электронов. Элементы 2, 3, 4 миниатюрной конструкции пушки 1 раздвинуты вдоль оси Z для наглядности рисунка. Ленточный катод 2 установлен на держателе 15, выполненном в виде П-образной рамки из круглой проволоки, который является одновременно подогревателем катода. Фокусирующий электрод 3 имеет вид прямоугольной пластины, продольные края которой с двух сторон загнуты под прямым углом к ленточному катоду 2. Фокусирующий электрод 3 установлен перед катодом 2 и оказывает экранирующее действие на три обращенные к нему наружные поверхности ленточного катода 2. Узкая прямоугольная поверхность катода 2, обращенная в сторону вытягивающего электрода 4, служит в качестве эмиттера. Вытягивающий электрод 4 представляет собой первый анод электронной пушки 1 и выполнен в виде тонкой пластины с продольным прямоугольным отверстием, ориентированным вдоль длины катода 2.
Предлагаемое сверхвысокочастотное ЦЗУ работает следующим образом.
0
В режиме пропускания входной сигнал поступает в устройство из внешней линии по входному тракту 11, связанному с резонатором 5. Электронная пушка 1 формирует электронный поток 7, который проходит через зазор 13 входного резонатора 5, пролетный канал диафрагмы 8, зазор 14 выходного резонатора 6 и и улавливается коллектором 9. Уровень индукции В однородного магнитного поля обеспечивает циклотронную частоту вращения электронов в протяженных резонаторных зазорах 13 и 14, приблизительно равную средней частоте в полосе согласования резонаторов 5 и 6, нагруженных электронным потоком 7, с внешними СВЧ-линиями. В электронном потоке 7 возбуждается БЦВ электронного потока, осуществляющая передачу энергии сигнала из входного резонатора 5 в выходной резонатор 6. От выходного резонатора 6 по выходному тракту 12 обеспечивается передача энергии сигнала во внешнюю СВЧ-линию.
Ленточный электронный поток 7 формируется следующим образом. На фокусирующий электрод 3 и первый анод 4 подают регулируемые потенциалы от двух независимых источников питания: отрицательный (по отношению к нулевому потенциалу катода) потенциал Uфок фокусирующего электрода 3 в диапазоне -50 В<Uфок<0 и положительный потенциал Ua1 первого анода пушки в диапазоне 0<Ua1<+50 B. Путем регулировки указанных потенциалов обеспечивается настройка электрического режима пушки 1 на необходимую величину тока (микропервеанса) электронного потока 7 и максимальное токопрохождение (выше 99%).
Основные трудности решения проблемы качественного формирования тонкого высокопервеансного ленточного электронного потока связаны с возмущениями его поперечного сечения в процессе его движения в однородном продольном магнитном поле [3]. Они проявляются в виде двух одновременно действующих факторов: S-образного загиба краев ленточного электронного потока конечной длины и его монотонного поворота (вращения вокруг центральной оси симметрии X=Y=0 пролетного канала) по мере приближения к коллектору. Совокупное воздействие указанных факторов снижает токопрохождение и ограничивает электронную нагрузку резонаторов.
S-образное искажение краев ленточного электронного потока обусловлено действием пространственного заряда на краях ленточного электронного потока конечной длины. В предлагаемой конструкции электронной пушки путем настройки потенциалов фокусирующего и вытягивающего электродов достигается оптимальное распределение плотности эмиссионного тока вдоль длины электронного эмиттера: постоянная плотность тока в центральной части эмиттера и плавно спадающая до нуля на краях эмиттера. Это ослабляет действие сил собственного пространственного заряда ленточного электронного потока и S-образное искажение его краев.
Поворот плоскости симметрии зазора 14 выходного резонатора 6 на угол α относительно центральной плоскости пролетного канала в диафрагме 8 уменьшает оседание электронов на стенки его резонаторного зазора, повышает токопрохождение на коллектор 9 и обеспечивает низкие шумовые параметры ЦЗУ. Численное значение диапазона изменения угла α получены методом компьютерного моделировании с последующей аппроксимацией полученных результатов аналитическим выражением:
2
µ
0
Бр
2
µ
0
Бр
0
Бр
1/2
-1
3/2
α°=kZ(Pt/w) (B/B), 5≤k≤7, где α° - угол между плоскостью симметрии емкостного зазора 14 выходного резонатора 6 и центральной плоскостью симметрии пролетного канала в диафрагме 8 (град). Z - расстояние от центра эмитирующей поверхности катода 2 до центра емкостного зазора 14 выходного резонатора 6 (мм), Р - микропервеанс ленточного электронного потока 7 (мкА/В), t/w - отношение ширины эмитирующей поверхности катода 2 к ее длине, B/B - отношение индукции действующего В магнитного поля к бриллюэновскому В (величина «запаса» по магнитному полю).
Технические преимущества предлагаемой конструкции ЦЗУ по сравнению с прототипом подтверждены методом компьютерного моделирования и экспериментально.
Компьютерные модели и расчеты выполнялись в декартовой системе координат XYZ (см. фиг1 и фиг.2). Оси декартовой системы координат Х, Y и Z ориентированы соответственно вдоль ширины t и длины w эмитирующей поверхности катода 2 и по направлению движения электронов(см. фиг.2).
о
µ
0
Бр
3/2
2
2
На фиг.3 приведены результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе ЦЗУ - прототипа. В собранном узле пушки этого устройства (при фиксированных межэлектродных зазорах) изменения (увеличения) катодного тока можно осуществлять только путем изменения (повышения) потенциала вытягивающего электрода (первого анода пушки), расположенного на фиксированном расстоянии от эмитирующей поверхности катода. Поэтому в этой пушке не контролируется распределение плотности эмиссионного тока вдоль катода, которая имеет тенденцию повышаться на краях катода и увеличивать S-образные искажения краев ленточного потока. Для повышения тока (микропервеанса) электронного потока до уровня I=400 мкА(Р=4.47 мкA/B) в этом устройстве потенциал вытягивающего электрода задавался равным Ua1=+9.5 B. Потенциалы резонаторов и коллектора задавались равными Uo=+20 B и Uкол=+250 В. На фиг.3,а показано распределение плотности тока на эмитирующей поверхности катода в виде объемной математической поверхности S. Размеры эмиттера (длина эмиттера w и ширина t) заданы относительно ширины зазора резонаторов d и равны соответственно w/d=75, t/d=2.2. Слева на фиг.3,а приведена черно-белая шкала плотности тока, позволяющая определить плотность эмиссионного тока в центральной части (1.5 А/см) и ее увеличение до 2.2 А/см на краях эмиттера. На фиг.3,б показаны траектории электронов (их проекции на плоскость Z=0) на всей длине формирования электронного потока в однородном магнитном поле с величиной «запаса» В/В=4.2, соответствующем 3-см диапазону длин волн. Видно, что траектории электронов, находящихся на противоположных краях ленточного потока, отклоняются в направлении координаты Х во взаимно противоположных направлениях, образуя S-образного искажения его краев. На фиг.3,в в верхней части рисунка показан «след» ленточного электронного потока в виде распределения плотности тока по его сечению в двух плоскостях Z: на входе в зазор (Р5, вход) и на выходе из зазора (Р5, выход) входного резонатора. В нижней части рисунка на фиг.3,в показаны аналогичные «следы» электронного потока на входе в зазор (Р6, вход) и на выходе из зазора (Р6, выход) выходного резонатора. Видно, что возмущение структуры потока, обусловленное S-образным искажением краев и вращением всего ленточного потока, приводят к частичному оседанию электронов на стенки зазора выходного резонатора. Расчетная величина токопрохождения на коллектор в данном случае составляет 90%, при котором нарушается работа устройства.
о
µ
0
Бр
3/2
На фиг.4 приведены результаты компьютерного моделирования ЭОС предлагаемой конструкции ЦЗУ. При одинаковых относительных размерах эмиттера (w/d=75, t/d=2.2) для достижения удвоенной величины тока (I=400 мкА) и микропервеанса (Р=4,47 мкА/В) задавался отрицательный потенциал фокусирующего электрода 3 (Uфок=-43 В) и положительный потенциал вытягивающего электрода 4 (Ua1=+9.5 B). Расчет формирования ленточного потока 7 в области резонаторной системы проводился в продольном магнитном поле при том же «запасе» (B/B=4.2) для 3-см диапазона длин волн и при потенциалах резонаторов 5, 6 и диафрагмы 8 (Uo=+20 B) и потенциале коллектора 9 (Uкол=+250 В). Величина угла между плоскостью симметрии зазора 14 выходного резонатора 6 и центральной плоскостью симметрии пролетного канала в диафрагме 8 задавалась равной α=4°.
На фиг.4,а показано распределение плотности тока вдоль длины эмиттера: однородная плотность тока в центральной части и плавный ее спад по краям эмиттера, при которой снижается действие сил расталкивания собственного пространственного заряда и S-образное искажение краев ленточного электронного потока. На фиг.4,б показаны проекции траектории электронов плоскость Z=0 в области от катода 2 до коллектора 9. Сверху на фиг.4,в показаны «следы» ленточного электронного потока 7 на входе в зазор 13 (Р5, вход) и на выходе из зазора 13 (Р5, выход) входного резонатора 5. Снизу показаны «следы» потока на входе в зазор 14 (Р6, вход) и на выходе из зазора 14 (Р6, выход) выходного резонатора 6.
Полученные результаты компьютерного моделирования подтвердили 100% токопрохождение на коллектор 9 ленточного электронного потока 7 в предлагаемом циклотронном устройстве при удвоенной величине тока (микропервеанса) по сравнению с устройством-прототипом.
Измерения частотных зависимостей КСВН входа (выхода) проводились на экспериментальном образце предлагаемой конструкции ЦЗУ, результаты которых сравнивались с аналогичными измерениями на промышленном образце устройства-прототипа.
0
0
0
Результаты сравнения приведены на фиг.5 в виде графиков 1, 2, 3. По оси абсцисс отложена ширина полосы частот (f-f)/f, %, где f - частота входного сигнала, f - частота входного сигнала в центре рабочей полосы частот. Ширина полосы рабочих частот определялась по уровню КСВН входа (выхода), равному 1.25.
о
µ
3/2
График 1 относится к устройству - прототипу при стандартных величинах тока I=200 мкА и микропервеанса Р=2.23 мкА/В электронного потока, увеличенной вдвое (по сравнению с предлагаемым устройством) шириной резонаторных зазоров и настроенных трактах передачи сигнала от резонаторов на внешние СВЧ-линии. В соответствии с графиком 1 ширина рабочей полосы частот этого устройства-прототипа составляет 6.4%.
о
µ
µ
3/2
3/2
Графики 2 и 3 относятся к экспериментальному образцу предлагаемого циклотронного устройства. При тех же значениях тока I=200 мкА (микропервеанса Р=2.23 мкА/В) и всех прочих равных условиях полоса рабочих частот в нем увеличилась до 7.8% (см. график 2). Кроме того, на этом же образце в полном соответствии с приведенными выше результатами компьютерного моделирования был вдвое увеличен ток Iо=400 мкА и микропервеанс Р=4.47 мкА/В электронного потока, и обеспечено 100% - токопрохождение на коллектор. В результате достигнутого повышения электронной нагрузки резонаторной системы полоса рабочих частот в предлагаемом устройстве расширилась до 9.8%. (см. график 3).
Таким образом, предлагаемая конструкция циклотронного защитного устройства позволяет в 1.5 раза расширить полосу рабочих частот по сравнению с существующим циклотронным устройством-прототипом 3-см диапазона длин волн.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2167480, МПК Н02Н 7/12.
2. Патент Российской Федерации №2453018, МПК Н02Н 7/00.
3. И.И. Голеницкий, Н.Г. Духина, Е.И. Каневский. Комплексный расчет трехмерных электронно-оптических и магнитных фокусирующих систем ЭВП СВЧ. Раздел 4. Ленточный электронный поток в ЦЗУ. // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. Материаалы Юбилейной научно-технической конференции по СВЧ-технике (ФГУП НПП ИСТОК, 29-30 мая 2003 г. Часть 2 Вып.2 (482). 2003 г. С.55-65.