СПИРАЛЬНАЯ ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЛБВ
HELICAL SLOW-WAVE STRUCTURE OF TWT

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к спиральным замедляющим системам СВЧ-приборов О-типа, в частности, для ламп бегущей волны (ЛБВ).
Известна спиральная замедляющая система (ЗС), содержащая металлическую упруго деформированную или термомеханически сжатую металлическую оболочку, диэлектрические стержни и спираль из тугоплавкого и обладающего высокой упругостью металла, вольфрама, закрепленную в диэлектрических стержнях за счет давления упруго деформированной или термомеханически сжатой металлической оболочки на диэлектрические стержни и, через них, на спираль. [Н. Bierman "Microwave tube design efforts yield steady performance improvements" // Microwave Journal, 1988, Vol.31, No 6, PP. 52-73], [Бушуев H.A., Шалаев П.Д., Кириченко Д.И., Бабанов А.Ж. "Результаты разработки технологии замедляющих систем ЛБВ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн" // Сборник статей Пятой всероссийской конференции "Электроника и микроэлектроника СВЧ". Издательство "СПбГЭТУ "ЛЭТИ ". Санкт-Петербург. 2016. Том 1. С.135-139]. Однако такие ЗС не могут применяться в ЛБВ с высокими надежностью и КПД из-за следующих недостатков. Удельное электрическое сопротивление вольфрама более чем в 3 раза превышает удельное электрическое сопротивление меди. Поэтому СВЧ-потери в таких ЗС больше чем в ЗС с медным или покрытым медью проводником, что приводит к снижению КПД ЛБВ. Второй существенный недостаток состоит в том, что нет пластической деформации материала спирали в местах контакта с диэлектрическими стержнями, так как вольфрам обладает высокой твердостью, поэтому в такой конструкции ЗС тепловые контакты спирали с диэлектрическими стержнями имеют площадь намного меньшую площади проекции спирали на диэлектрические стержни в местах их пересечения и контакта. Отсутствие тепловых контактов с площадью, близкой по величине к площади проекции спирали на диэлектрические стержни в местах их пересечения и контакта приводит при работе ЗС в составе ЛБВ к существенному ухудшению теплопередачи от спирали к оболочке ЗС, увеличению температуры спирали в ЛБВ и соответствующему увеличению потерь СВЧ-мощности, снижению выходной мощности, КПД и срока службы ЛБВ.
Известна также ЗС, содержащая металлическую оболочку, диэлектрические стержни и спираль из медного проводника, закрепленную в диэлектрических стержнях и металлической оболочке путем пайки спирали к диэлектрическим стержням, которые, в свою очередь, припаяны к металлической оболочке [А.С. Гилмор-мл. "Лампы с бегущей волной" // Перевод с английского А.Г. Кудряшова под редакцией Н.А. Бушуева. Издательство "Техносфера". Москва. 2013. С.338]. Материал спирали в такой конструкции ЛБВ - медь, обладает пластичностью, достаточной для образования тепловых контактов с площадью, близкой по величине к площади проекции спирали на диэлектрические стержни в местах их пересечения и контакта. Применение в конструкции ЗС спирали из меди позволяет снизить температуру спирали, снизить потери СВЧ-мощности, увеличить контурный и общий КПД ЛБВ. Недостатком такой конструкции ЗС является низкая формоустойчивость спирали из меди, что приводит к снижению надежности ЛБВ. Кроме этого, невысокая идентичность паяных контактов спирали с диэлектрическими стержнями, ухудшающая однородность электродинамических характеристик по длине ЗС, и наличие на части поверхности спирали припоя с низкой по сравнению с медью электропроводимостью снижают КПД ЛБВ.
Известна также ЗС, содержащая металлическую оболочку, диэлектрические стержни и спираль, выполненную из проводника, состоящего из тугоплавкого металла, молибдена или вольфрама, покрытого медью по всей внешней границе проводника, спираль закреплена в диэлектрических стержнях и металлической оболочке путем пайки к диэлектрическим стержням, которые, в свою очередь, припаяны к металлической оболочке [А.С. Гилмор-мл "Лампы с бегущей волной" // Перевод с английского А.Г. Кудряшова под редакцией Н.А. Бушуева. Издательство "Техносфера". Москва. 2013. С.338]. Недостатками данной конструкции ЗС являются: низкая плотность медного покрытия по сравнению с медью, полученной методом плавки, а также наличие медного покрытия на внутренней поверхности спирали, подвергающейся электронной бомбардировке при работе ЛБВ. Это приводит к снижению электропроводимости медного покрытия до уровня 75%-85% от электропроводимости меди, полученной методом плавки, и соответствующему увеличению потерь СВЧ-мощности в ЗС, увеличению температуры спирали из-за увеличения потерь СВЧ-мощности, уменьшению срока службы и КПД ЛБВ. Пониженная плотность меди в медном покрытии приводит к снижению устойчивости медного покрытия к электронной бомбардировке при работе ЛБВ. Наличие на внутренней поверхности спирали медного покрытия с низкой устойчивостью к электронной бомбардировке при работе ЛБВ увеличивает вероятность распыления меди с внутренней поверхности спирали и напыления ее на диэлектрические стержни между витками спирали, что также сокращает срок службы ЛБВ.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является ЗС, содержащая металлическую оболочку, диэлектрические стержни и спираль из биметаллического проводника закрепленную в диэлектрических стержнях и металлической оболочке. Биметаллический проводник выполнен в виде двух металлических лент, имеющих контакт по общей границе, причем металл одной ленты является тугоплавким и обладает высокой упругостью, а металл второй ленты обладает высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью. Спираль ЗС выполнена так, что лента из металла с высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью образует внешнюю часть спирали, а лента из тугоплавкого металла с высокой упругостью образует внутреннюю часть спирали [Santonja Noel; Henry Dominique FR 2646286 (A1) - Travelling-wave tube provided with a bimetallic helix delay line structure (Thomson Tubes Electroniques), 1990-10-26, H01J 23/26]. Такая конструкция спирали обеспечивает получение хороших тепловых контактов спирали с диэлектрическими стержнями. Недостатком такой конструкции являются более высокие СВЧ-потери в ЗС по сравнению с ЗС со сплошным медным проводником спирали и с проводником, покрытым по всей поверхности медью. СВЧ-потери возрастают из-за того, что часть проводника из тугоплавкого и обладающего высокой упругостью металла, молибдена или вольфрама, имеет высокое удельное электросопротивление, более чем в 3 раза превышающее удельное электрическое сопротивление меди, при этом термический коэффициент сопротивления у вольфрама и молибдена также больше чем у меди. Увеличение СВЧ-потерь в такой ЗС по сравнению с ЗС с медным проводником и с ЗС с проводником покрытым по всей поверхности медью приводит к увеличению температуры спирали и снижению КПД ЛБВ.
Задача настоящего изобретения заключается в снижении удельного электрического сопротивления проводника спирали, уменьшении потерь СВЧ-мощности в ЗС и снижении температуры спирали за счет уменьшения в ней потерь СВЧ-мощности.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение срока службы и КПД ЛБВ.
Технический результат достигается тем, что спиральная замедляющая система ЛБВ содержит упруго деформированную или термомеханически сжатую металлическую оболочку, диэлектрические стержни и закрепленную в диэлектрических стержнях за счет давления упруго деформированной или термомеханически сжатой металлической оболочки спираль из биметаллического проводника. Биметаллический проводник выполнен в виде двух металлических лент, имеющих контакт по общей границе: ленты из тугоплавкого с высокой упругостью металла и ленты из металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью. При этом лента из тугоплавкого с высокой упругостью металла покрыта слоем металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, толщиной 0,005-0,015 мм. Покрытие ленты из тугоплавкого металла с высокой упругостью слоем металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, снижает суммарное удельное электрическое сопротивление биметаллического проводника спирали ЗС, в результате чего уменьшаются потери СВЧ-мощности в ЗС, соответственно уменьшается температура спирали, увеличиваются срок службы и КПД ЛБВ. Слой металла, обладающий высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, позволяет получить хорошие тепловые контакты между спиралью и диэлектрическими стержнями за счет пластической деформации материала этого слоя и обеспечить хорошую электропроводимость в СВЧ-диапазоне переменного тока по спирали. Это позволяет снизить температуру спирали и СВЧ-потери в ЗС и, как следствие, повысить надежность и КПД ЛБВ. Минимальная толщина слоя металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, должна быть не менее суммарной толщины 4-х скин-слоев - 0,005 мм в сантиметровом диапазоне длин волн. На такой толщине течет более 98% СВЧ-тока. Максимальная толщина слоя металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, должна быть не более 0,015 мм. При большей толщине способность слоя к совместной деформации с лентой из тугоплавкого с высокой упругостью металла при изменении температуры спирали в процессе производства и в работающей ЛБВ снижается настолько, что возникают условия для отслоения металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, от ленты.
В частных случаях осуществления изобретения лента из металла с высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью может быть изготовлена из меди или из композитного материала на основе меди. Слой металла, обладающий высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, покрывающий ленту из тугоплавкого с высокой упругостью металла, может быть изготовлен из меди. Лента из тугоплавкого металла с высокой упругостью может быть изготовлена из вольфрамовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 4%, из молибденовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 8%, или из сплава вольфрама с рением.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлена ЗС прототипа со спиралью из биметаллического проводника, где:
1 - металлическая оболочка;
2 - диэлектрические стержни;
3 - спираль;
4 - биметаллический проводник спирали;
5 - лента из тугоплавкого металла с высокой упругостью;
6 - лента из металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью;
7 - тепловые контакты спирали с диэлектрическими стержнями.
На Фиг. 2 представлена ЗС, соответствующая настоящему изобретению в частном случае его осуществления, при котором лента из тугоплавкого с высокой упругостью металла покрыта слоем металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, по всей поверхности. При этом лента с высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью образует внутреннюю часть спирали, а лента из тугоплавкого металла с высокой упругостью вместе с покрытием образует внешнюю часть спирали, где:
1 - металлическая оболочка;
2 - диэлектрические стержни;
3 - спираль;
4 - биметаллический проводник спирали;
5 - лента из тугоплавкого металла с высокой упругостью;
6 - лента из металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью;
7 - тепловые контакты спирали с диэлектрическими стержнями;
8 - слой металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, покрывающий ленту из тугоплавкого металла с высокой упругостью.
Спиральная замедляющая система содержит: металлическую оболочку (1), упруго деформированную или термомеханически сжатую, диэлектрические стержни (2) и спираль (3), закрепленную в диэлектрических стержнях (2) за счет давления упруго деформированной или термомеханически сжатой металлической оболочки (1) на диэлектрические стержни (2) и через них на спираль (3). Спираль (3) выполнена из биметаллического проводника (4), содержащего две металлических ленты имеющих контакт по общей границе, ленты (5) из тугоплавкого с высокой упругостью металла и ленты (6) из металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью. Согласно предлагаемому решению лента (5) из тугоплавкого с высокой упругостью металла покрыта слоем, толщиной 0,005-0,015 мм, металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью (8).
В частных случаях осуществления изобретения:
1) лента (6) из металла с высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью изготовлена из меди;
2) лента (6) из металла с высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью изготовлена из композитного материала на основе меди;
3) слой металла, обладающего высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью (8), покрывающий ленту (5) из тугоплавкого с высокой упругостью металла изготовлен из меди;
4) лента (5) изготовлена из вольфрамовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 4%;
5) лента (5) изготовлена из молибденовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 8%;
6) лента (5) изготовлена из сплава вольфрама с рением;
3
6
Замедляющая система работает следующим образом: металлическая оболочка (1) в результате упругой деформации или термомеханического сжатия давит на диэлектрические стержни (2), диэлектрические стержни (2) передают это давление на биметаллический проводник (4) спирали (3), состоящий из ленты (5) из тугоплавкого с высокой упругостью металла и ленты (6) из металла с высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью. Спираль (3) ЗС под давлением диэлектрических стержней (2) подвергается упругой деформации. Наличие в биметаллическом проводнике (4) ленты (5) из тугоплавкого с высокой упругостью металла способствует увеличению силы упругой деформации спирали (3) и, соответственно, сил давления диэлектрических стержней (2) на спираль (3) в местах их контактов (7). При работе ЛБВ в ЗС от входа ЛБВ к ее выходу распространяется электромагнитная волна СВЧ-диапазона, мощность которой в результате взаимодействия с электронным потоком ЛБВ по пути распространения увеличивается к концу ЗС в 10-10 раз. Электромагнитная волна наводит в биметаллическом проводнике (4) спирали (3) переменный электрический ток той же частоты, что и частота электромагнитной волны.
эфф
0
эфф
0
0,5
При прохождении переменного электрического тока по проводнику (4) спирали (3) часть энергии электромагнитного поля расходуется на нагревание проводника (4). Эта часть прямо пропорциональна электрическому сопротивлению проводника и является основной долей потерь СВЧ-энергии в ЗС. Потери СВЧ-энергии в проводнике спирали ЗС (здесь в биметаллическом проводнике (4) спирали (3)) прямо пропорциональны эффективному электрическому сопротивлению проводника R=(2π⋅f⋅μ⋅μ⋅ρ), где R - эффективное электрическое сопротивление проводника, Ом, f - частота электромагнитной волны, Гц, μ - магнитная постоянная, μ - удельная магнитная проницаемость материала проводника, Гн/м, ρ - удельное электрическое сопротивление материала проводника при постоянном токе, Ом м. [Р.А. Силин, В.П. Сазонов "Замедляющие системы" // Издательство "Советское радио". Москва. 1966. С.632].
Тугоплавкие с высокой упругостью металлы имеют большое удельное электрическое сопротивление, в частности у вольфрама и молибдена в 3 раза больше чем у меди, а у сплава вольфрама с рением удельное электрическое сопротивление еще больше чем у вольфрама и молибдена. При работе ЛБВ, из-за большого удельного электрического сопротивления тугоплавкого с высокой упругостью металла, потери СВЧ-мощности в ленте (5) из тугоплавкого с высокой упругостью металла значительно больше, чем в ленте из металла с высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью. Поэтому суммарные потери СВЧ-мощности в биметаллическом проводнике (4) больше чем проводнике такого же сечения, изготовленном только из металла с высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью. Плотность переменного тока в проводнике уменьшается в е раз (е ≈ 2,718) на толщине от поверхности проводника равной толщине одного скин слоя. Слой из металла с высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью (8), покрывающий ленту (5) из тугоплавкого с высокой упругостью металла обеспечивает прохождение более 98% СВЧ-тока по спирали (3) в металле с высокими пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, что обеспечивает снижение потерь СВЧ-энергии в биметаллическом проводнике (4) спирали (3). При снижении потерь СВЧ-энергии в биметаллическом проводнике (4) спирали (3) его температура понижается, что приводит к дополнительному снижении потерь СВЧ-энергии, т.к. при снижении температуры электропроводимость материалов повышается. Снижение потерь СВЧ-энергии в спирали (3) и снижение ее температуры обеспечивают увеличение срока службы и КПД ЛБВ.
В частных случаях осуществления изобретения лента из металла с высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью может быть изготовлена из меди или из композитного материала на основе меди. Слой металла, обладающий высокой пластичностью, электропроводимостью и теплопроводностью, покрывающий ленту из тугоплавкого с высокой упругостью металла, может быть изготовлен из меди. Лента из тугоплавкого металла с высокой упругостью может быть изготовлена из вольфрамовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 4%, из молибденовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 8%, или из сплава вольфрама с рением.
Источники информации:
1. Н. Bierman "Microwave tube design efforts yield steady performance improvements" // Microwave Journal, 1988, Vol.31, No 6, PP. 52-73.
2. Бунгуев H.A., Шалаев П.Д., Кириченко Д.И., Бабанов А.Ж. "Результаты разработки технологии замедляющих систем ЛБВ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн"// Сборник статей Пятой всероссийской конференции "Электроника и микроэлектроника СВЧ". Издательство "СПбГЭТУ "ЛЭТИ ". Санкт-Петербург.2016. Том 1. С.135-139.
3. А.С. Гилмор-мл. "Лампы с бегущей волной" // Перевод с английского А.Г. Кудряшова под редакцией Н.А. Бушуева. Издательство "Техносфера". Москва. 2013. С.338.
4. А.С. Гилмор-мл. "Лампы с бегущей волной" // Перевод с английского А.Г. Кудряшова под редакцией Н.А. Бушуева. Издательство "Техносфера". Москва. 2013. С.338.
5. Santonja Noel; Henry Dominique FR 2646286 (A1) - Travelling-wave tube provided with a bimetallic helix delay line structure (Thomson Tubes Electroniques), 1990-10-26, H01J 23/26.