Свч-прибор
Реферат
Использование: в СВЧ-приборах с кольцевыми волноводными резонаторами для повышения коэффициента усиления и расширения рабочей полости частот. Сущность изобретения: выходной волноводный резонатор выполнен четырехзазорным за счет кольцевого П-образного элемента и кольцевого выступа, расположенных в соответствии с формулой изобретения. Дополнительное повышение КПД достигается при выполнении условий п.2 формулы изобретения. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электронной технике, в частности к СВЧ-усилителям и генераторам, работающим в длинноволновом диапазоне СВЧ. Известны СВЧ-усилители клистронного типа, работающие в телевизионных передающих станциях в длинноволновой части СВЧ-диапазона. Однако они имеют сравнительно узкую полосу частот и для получения большого коэффициента должны иметь большое число резонаторов, что приводит к увеличению массы и габаритов прибора. Расширение рабочей полосы частот за счет многозазорных клистронных резонаторов коаксиального типа не дает хороших результатов по массогабаритным характеристикам. Более эффективным является прибор с электронным потоком, модулированным по плотности в модуляторной зоне, отдающим энергию в выходном устройстве, представляющем собой электродинамическую систему клистронного типа. Недостатком приборов такого типа является узкая полоса усиливаемых частот, определяемая резонаторной системой, работающей на стоячей волне. От этого недостатка свободен СВЧ-усилитель для диапазона частот 300 МГц-3 ГГц. Этот прибор (триротрон) наиболее близок по техническому решению и выбран в качестве прототипа. Это СВЧ-прбиор, состоящий из кольцеобразных катодного узла, входного и выходного резонаторов и коллектора, подключенных к источникам питания и расположенных один за другим в направлении оси. В резонаторах выполнены отверстия для пропускания электронов в виде кольцевых щелей. Каждый из резонаторов имеет в поперечном сечении П-образную форму. Сжатая по форме центральная область входного резонатора представляет собой ВЧ-зазор. На внешней торцовой поверхности входного резонатора расположены две петли, сдвинутые по кольцу друг относительно друга на 90о, предназначенные для возбуждения в резонаторе бегущей волны. Недостатком этого прибора является низкий коэффициент усиления и сравнительно небольшая полоса усиливаемых частот. Это объясняется тем, что эффективное характеристическое сопротивление на резонансной частоте для кольцевого однозазорного резонатора с бегущей волной мало, так как электроны взаимодействуют с СВЧ-полем в выходном зазоре резонатора только один раз, а активная составляющая нагрузочного сопротивления резонатора в полосе рабочих частот невелика. Пролетные отверстия выполнены в виде щелей, в которых электрические поля ВЧ-зазора сильно неоднородны, так как электрическое поле проникает в щель глубже, чем в отверстие. Это уменьшает величину продольной составляющей, в направлении движения пучка. Цель изобретения - повышение коэффициента усиления и расширение полосы усиливаемых частот. На фиг. 1 представлено поперечное сечение СВЧ-прибора; на фиг. 2 - аксонометрическое изображение этого прибора. СВЧ-прибор содержит катодный узел 1, состоящий из кольца, на котором равномерно укреплены катоды 2, введены в отверстия ближайшей стенки кольцевого входного резонатора 3, затем по направлению оси 4 прибора размещен кольцевой выходной резонатор 5, за ним - кольцевой коллектор 6. На входном резонаторе 3 расположены две петли связи 7, сдвинутые по кольцу друг относительно друга на 90о. В качестве примера предлагаемой конструкции выбран прибор, выходной резонатор 5 которого выполнен четырехзазорным и содержит укрепленный на кольцевом ребре 8 П-образный элемент 9 и кольцевой выступ 10 на противоположной стенке резонатора. Выступы П-образного элемента 9 охватывают кольцевой выступ 10 на стенке и параллельны более длинным стенкам резонатора 5. В П-образном элементе, в кольцевом выступе и длинных стенках выходного 5 и входного 3 резонаторов выполнены соосные отверстия 11 для пропускания электронов, расположенные напротив соответствующих катодов 2 катодного узла 1. Благодаря наличию П-образного элемента и кольцевого выступа выходной резонатор 5 имеет четыре высокочастотных зазора 12 с противофазными напряжениями. Центральная П-образная область входного резонатора 3 образует высокочастотный зазор 13. Катодный узел 1 расположен внутри П-образной центральной области входного резонатора 3 перед ВЧ-зазором 13. Катодный узел 1, резонаторы 3 и 5 и коллектор 6 соединены с источниками питания 14 и 15 так, что положительный и отрицательный полюса источника питания 14 подключены соответственно к катодному узлу 1 и корпусу входного резонатора 3, а к отрицательному и положительному полюсам источника питания 15 подключены соответственно корпуса входного 3 и выходного 5 резонаторов. Коллектор 6 электрически связан с выходным резонатором 5. Предлагаемый СВЧ-прибор работает следующим образом. При подаче на две входные петли связи 7 двух ВЧ-сигналов, сдвинутых по фазе на 90о, во входном резонаторе 3, конструкция которого выполнена так, что длина средней линии во внешней П-образной области составляет целое число длин волн, при сложении волн, возбуждаемых с помощью двух петель связи 7, образуется бегущая волна и резко возрастает напряженность электрического поля по направлению оси 4 прибора в области ВЧ-зазора 13, что является типичным признаком резонанса. Прибор работает в режиме отсечки катодного тока. Эмиссия электронов с катодов 2 катодного узла 1 возникает во время действия отрицательной полуволны ВЧ-колебаний, определяющей отрицательный потенциал от источника питания 14 на стенке входного резонатора 3, в которую введены катоды 2. В это время на противоположной стенке входного резонатора 3, расположенной вблизи корпуса выходного резонатора 5, действует положительный ВЧ-потенциал. Электронные пучки в каждом из катодов 2 сдвинуты по фазе, определяемой сдвигом фаз в бегущей волне. Во время действия отрицательного ВЧ-потенциала на выходной стенке входного резонатора 3 лампа заперта. Введение катодов 2 внутрь отверстий приближает их к выходной стенке резонатора 3 в область, где действует постоянный ускоряющий потенциал резонатора 5. Приближение катодов 2 уменьшает ВЧ-зазор 13 и обеспечивает более оптимальное, чем в прототипе, взаимодействие СВЧ-поля с электронным потоком. Выполнение пролетных каналов в виде дискретных отверстий 11 позволяет повысить однородность СВЧ-поля в зазоре 13, т.е. "провисание" поля в отверстия меньше, чем в щели. Таким образом, СВЧ-поле играет роль электронного ключа для потока электронов, которые выходят из входного резонатора 3 периодическими группами, т.е. происходит процесс модуляции по плотности. В выходном резонаторе 5 каждая пара электронных пучков, расположенных со сдвигом фаз 90о, возбуждает в резонаторе 5 бегущую волну. Электроны, ускоренные разностью потенциалов от источника питания 15, попадают в тормозящую фазу, наводимого ими СВЧ-поля, передавая ему кинетическую энергию. Так как разброс скоростей электронов в сгустках мал, а их генерация происходит только во время действия положительной полувоны напряжения, действующего на входном зазоре 13 резонатора 3, то КПД прибора будет максимальным. Электронный пучок, затормозившись в выходном резонаторе 5, рассеивается в коллекторе 6. Пространство взаимодействия в выходном резонаторе 5, который в данном примере выполнен четырехзазорным, представляет четыре высокочастотных зазора 12 с противофазными напряжениями, с которыми последовательно взаимодействует пучок. В результате суммарное эффективное напряжение на выходном зазоре 4 в раза больше, чем в прототипе, и соответственно выше коэффициент усиления по напряжению. Электронный пучок возбуждает в выходном резонаторе волну типа НЕ10, у которой все электрическое поле сосредоточено в области емкостного зазора, образованного выступами элементов 9 и 10, расположенными параллельно данной стенке. Длина выступов элементов 9 и 10 выбрана такой, что она на порядок меньше длины волны в волноводе, которую можно вычислить по формуле 2C , где С - скорость света; Сэ - емкость зазора многозазорного резонатора; Zэ - эквивалентная индуктивность, которая определяется площадью поперечного сечения волновода. Коэффициент широкополосности такого резонатора может достигать больших значений (10 и более) в то время, как у кольцеобразного резонатора бегущей волны, выполненного на основе П-волновода, эта величина равна 3,6. Ускоряющее напряжение и угол пролета выходного резонатора 5, определяемые источником питания 15 и зазорами между выступами, выбираются такими, чтобы обеспечить оптимальное взаимодействие электронов с СВЧ-полем. Расстояние между выступами d, определяющее длину элементарного СВЧ-зазора, вы- бирается из условия, что 1 2 , где а - радиус отверстия 11. Это обеспечивает наиболее однородное ВЧ электрическое поле в зазоре выходного резонатора 5. Наилучший энергообмен достигается при равенстве размеров всех четырех зазоров, образованных стенками резонатора, П-образным элементом и кольцевым выступом. Таким образом, предлагаемый прибор по сравнению с прототипом имеет в 2,5 раза большую полосу усиливаемых частот и коэффициент усиления по напряжению больше в 4 раза. При наличии обратной связи между резонаторами прибор из усилителя превращается в генератор.
Формула изобретения
1. СВЧ-ПРИБОР, содержащий кольцевые катодный узел, входной и выходной волноводные резонаторы с отверстиями для электронов и узкими стенками, параллельными оси прибора, и коллектор, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления и расширения рабочей полосы частот, выходной волноводный резонатор выполнен четырехзазорным и содержит П-образный кольцевой элемент с выступами с отверстиями для пролета электронов, основание которого соединено с кольцевым ребром, закрепленным на внешней узкой стенке резонатора, во внутреннюю полость П-образного элемента введен кольцевой выступ с отверстиями для пролета электронов, соединенный с внутренней узкой стенкой резонатора, причем выступы и кольцевое ребро параллельны широкой стенке резонатора. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, должны быть выполнены условия d1 = d2= d3= d4= d ; 1 d/a 2, где a - радиус отверстий для пролета электронов, м; d1 и d4 - расстояния широких стенок резонатора до выступов П-образного элемента, м; d2 и d3 - расстояние от выступов П-образного элемента до кольцевого выступа, м.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000
Извещение опубликовано: 10.11.2000