Усилитель вч-колебаний

О П И С А Н И Е 1154 т 1 оо Союз Советсккн Социалнсткцеских РеспублккИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ г(51) Я, Кл . Н 03 Р 3/00 с присоединением заявкиГасударственный комитет Совета Министров СССР аа делам иэобретении н открытий(4 о) Дата опубликования описания 04,05.77(54) УСИЛИТЕЛЬ ВЧ-КО.ЕЬ 111 И Изэбретение относится к технике генерации ВЧ-колебаний и может быть использовано при создании мошных ВЧ-генератэров метрового диапазона,Известен усилитель ВЧ-колебаний, со держаший ВЧ-триоды, подключенные к источникам постоянной и усиливаемэй мошности 1 1, усилие вхэднэгэ сигнала и генерация мэшных ВЧ-колебаний в нем эсу цествля - ется за счет электростатическогэ управления 10 электронным потоком. Однако этот усилитель отличается низким коэффициентом усиления - не бэлее 8-10 дб.Известен усилитель ВЧ-колебания, содер жаший электронную пушку, фэрмируюшую ленточный или цилиндрический пучок, анэд которой подключен к источнику постоянного напряжения, вхэднэй резэнатэр и выходной резонатор с установленным в нем кэллектэ ром электронов, дрейфовый промежутэк, соединенный с корпу.сами резонаторов, выполненный в виде металлическэгэ параллелепипеда или цилиндра и расположенный внутри соосной с ним магнитной системы 2125 За счет динамическэго управа .и ;,ктронным погоком вэ входном разэна,.; и группировке в прэстранстве,дрейф в известном устрэйстве Вэзнтэжнэ получение козлатциента усиления дэ 30-50 дб, в сантиметрэвом диапазэне.Однакэ при использовании егэ в к" естве ВЧ-усилителя метрэвэгэ диапазона ег ; эбариты становятся неприемлемо бэлш;ми. причем при этом снижается к.п.д, и к э,енциент усиления,Бель изобретен - уменьшение габари - тэв устройства, г.эвышенпе егэ к.п.д. и коэффициента усиления,Достигается это тем, чтэ эсь электронной пушки смешена относительно эси магнитнэй системы и располэжена пэд утлом к ней, а внутри дрейфэвэгэ промежу гкд установлены две мишени, выполненные в виде металлических пластин, плоскость к.п.бурых пересекает ось магнитной системы, . коллектор электронов подключен к истэчн.ку дэзовжительпэгэ напряжения,На чертеже дана схема усилителя ВЧ-колебаний с электронной пушкой, формирующейленточный пучок.Предлагаемый усилитель ВЧ-кэлебанийсостоит из электронной пушки, формирующейленточный пучок 1 и имеющей ленточныйкатод 2, фэкусируюший электрод 3 и вытягиваюший электрод 4, из входного 5 и выхэднэгэ 6 резонаторов, между которымирасположен тормозящий электрод 7, эбразую ший эквипатенциальнэе пролетное пространство (тормозяший электэод 7 является запредельным вэлнэвэдом на рабочей частоте)из магнитной катушки 8, создающей однородное продольное магнитное поле в пролетнэм пространстве, из двух поперечных мишеней типа "ножей" 9, установленныходин в начале, а второй в конце пролетногоканала и находящихся пэд потенциалам тормозящего электрода 7, из ускоряющего анэда 10, в статическом поле которого ускоряют импульсы тока, образованные за счетотсечки тока пучка на "ножах" 9.Плоский электрический зазор управляющего резонатора 5 образован вытягиваюшимэлектродом 4 и торцовой поверхностью тэрмэзящегэ электрода 7, а электрический зазэр выходного резонатора 6 образованы анэдэм 10 и другой тэрцэвэй поверхностьютормозящего электрода 7. Кроме того, тэрцэвые области тормозящего электрода выпэлняют роль магнитных экранов для зазороврезонаторов и электронной пушки. Конфигурацию торцовых областей тормозящего электрода и конфигурацию магнитного поля в 35этих областях выбирают из условия прахэждения потока с минимальными пэтерями взазоре управляющего резонатора и в области перехода из пролетного пространства ввыходной резонатор,40Резонаторы 5, 6 и тормозящий электрэд7 с мишенями 9 заземлены пэ постоянномупотенциалу.Вытягивающий электрод 4 и анод 1 Оизэлирэваны эт резонаторов на величины вы тягивающегэ и ускэряюшегэ напряжений, ана катод 2 подают отрицательное смешение,определяемое необходимой продольной скоростью влета электронного потока в областьпродольного магнитного поля (В), 50С помощью электронной пушки, установленной под некоторым углом () к прэдэл ной аси ( 1 ) пролетного канала и резонаторов, на входе зазора управляюшегэрезонатора формируют прямолинейный лентэч ный поток толщиной 2 хэ и шириной 2 уэ,при этом 2 х 2 э, В зазоре потокэмэдулируют па продольной скэрэсти ( ") д ),а постоянную составляющую продольной скорости уменьшают дэ величины ( А ), апределяемай потенциалом смещения ( От ) катода,Прамодулированный и заторможенный пэпродольной составляющей скорости поток через щель в тормозящем электроде подаютв эквипэтенциальный пролетный канал, приэтом поток проходит область неоднородногомагнитного пал ., а угол влета потока в область однородного магнитного поля увеличивается за счет торможения в статическом поле тормозящего электрода и становится равным заданной величине) )"2Конструкцию пушки и угол влета )"выбирают так, чтобы собственный угол вылета( "э) потока из вытягиваюшегэ канала былзначительно меньше и )"Начальная пэлутэлшина пучка хэ на вхэде в магнитное поле должна быть равна равновесной пэлуталшине 8 э, тогда движениечастиц в поперечном направлении ( х ) магнитного канала определяется только заданным углом влета уи продольной скоростью . на входе магнитного канала, Поскольку продольная скорость частиц на вхэде в магнитное пэле изменяется пэ гармэническому закэну мадулируюшего напряжению, а поток влетает в магнитное поле пэдзаданным углом, тэ в прэлетнэм канале частицы движутся по спиральным траекториямс радиусом и изменяющимся шагом спирали,Шаг спирали изменяется по закону модулируюшегэ напряжения. Величина изиененияшага спирали на периоде мэдулирующегэ напряжения определяется глубиной мэдуляцииО /э, где О - амплитуда модулируюшегэ ВЧ-напряжения.Таким образом, в поперечном направлении ( х ) поток совершает периодическиеколебания относительно заданного равновесного уровня О . Длина волны ( Л ч) колебаний изменяется по гармоническому законумэдулирующего напряжения, а величина изменения длины волны(а)ма периоде мэдулирующегэ ВЧ-напряжения определяется глубиной модуляции потока пэ продольной скарэсти в управляющем резонаторе. Изменениедлины волны колебаний пучка па закону модулируюшегэ напряжения приводит к тэму,чтэ мгновенное отклонение частиц потокаХ(Е У ) в любом заданном пэперечнэм сечении вдоль длины пролетного пространства( х ) при заданной амплитуде колебаний (Я)зависит от фазы ( Ф) мэдулируюшего напряжения. При заданных параметрах Мяо В иамплитуда поперечных колебаний 3 неменяется вдаль длины прэлетнэгэ прэстранства (ось Е ), Мгновенное отклонение частиц потока Х (,) при заданной глубинемодуляции для выбранного поперечного сечения пролетного пространства определяетсятолько фазой ( М ) модулируюшего напряжения.Поперечное препятствие типа "ножа" с заданной высотой ( д) и тэлшиной 1 Л установленное в заданном сечении ( 1 ) йролетнного пространства, осушествляет сортировку частиц по фазам, Частицы, имеющие мгновенное отклонение Х(н, )Ъ, проходят за"нож", а остальные высаживаются на нем.Таким образом, на "ноже" осуШествляется отсечка частиц в заданном интервале фазмодулируюшего напряжения и из сплошногопотока с током пучка Э формируются импульсы тока с амплитудой Эп , следующие с частотой модулируюшего напряжения( м 1 и заданным углэм отсечки ( В ), Из-за набега фаз колебаний частиц в пролетном пространстве величина угла отсечки зависит от местопэлэжения "ножа" ( Е ),другими словами, эт номера периода кэлебаний ( К ) потока в магнитном поле. При заданных значениях 3 и И с увеличениемномера периода, на котором устанавливается"нож", угол отсечки уменьшается и увеличивается к,п.д но при этом на периэде модулируюшегэ напряж ния за "нэжэм", появляются дэпэлнительные паразитные импульсытока и число их растет с увеличением номера периода, Появление паразитных импульсов тока приводит к снижению эффективности З 0взаимодействия с зазором выходногэ резонатора и, соответственно, к уменьшениюк.п.д,Поэтому для получения высоких значенийк,п.д. вдэль прэлетногэ пространства устанавливают два "ножа"; эдин - основной, другой - вспомогательный. Вспомогательный"нож" устанавливают в начале пролетногопространства. Он формирует один импульстока на периоде мэдулируюшего напряжения 40с углом отсечки 9 =50 - 80 э и исключаетпэявление паразитных импульсов за основным "ножом", Основной "нэж" устанавливают в конце пролетного канала при входе ввыходной резонатор, Он уменьшает угол отсечки до необходимой величины, исходя иззаданного к,п,д.Таким образом, длина пролетного пространства определяется длиной вэлны поперечных колебаний потока и заданным углом отсечки.50 Импульсы тока, сформированные за основным "ножом", с ч.-.стэтэй модулируюшего напряжения следуют в зазор выходного резонатора, где они ускоряются в статическом поле анода и осушествляют преобразование энергии анодного источника в энергию ВЧ - колебаний выходного резэнатора.Для уменьшения снижения к,п.д, из-за потерь на "ножах" и уменьшения длины пролетного пространства поток тормозится по продольной скорости на входе в пролетное пространство до потенциала значительно меньшего потенциала анода относительно катода пушки.При уменьшении продольной скорости одновременно с уменьшением потерь на "ножах" уменьшается длина волны поперечных колебаний ( Л), чтэ снижает требования к величине магнитного поля для получения заданной длины пролетного пространства,В предлагаемом способе усиления ВЧ- колебания выгодно сочетание испэльзования механизма скоростной модуляции в управляющем резонаторе с механизмом фокусировки промодулирэванного потока в магнитнэм поле и сортировкой частиц пэ фазам на поперечных препятствиях типа "ножей", причем. отсеченные электроны не попадают вэ входной и выходной резонаторы.В предлагаемом способе при малых затратах мошности на управление обеспечивается формирование коротких импульсэв тэка на входе в выходной резонатор, при зтэм к.л,д, и коэффициент усиления имеют значение не хуже, чем у приборов, пспэльзуюших способ преобразования скоростной мэд - ляции в модуляцию по плотности за сче группировки в пролетном пространстве, В предлагаемом способе длина прэлетпэгэ прэстранства не определяется длиной волны мэдулируюшегэ сигнала и при работе в метрэвом диапазоне длин вэлн может сэставлять (7-;10) Лпри А=1-5 см, чтэ значительно меньше, чем длина дрейфэвого пространства у многорезонаторных пролетных клистронов в указанном диапазоне длин вэ,;.т., которэе составляет 1-6 м.Таким эбразом, предлагаемый способ силения ВЧ-кэлебаний позволяет создаватьзлектрэнные прибэры метровэгэ диапазэнадлин волн с высокими значениями кэзффиц. -ента усиления и злектрэнногэ к.п.д. прималых габаритах, что, в первую эчередь,необходимо для зкономичнэго питания ма;:эгабаритных линейных ускорителей протонов,а также может быть полезно в мэшных ради опередаюших системах,Формула изобретенияУсилитель ВЧ-колебаний, содержашии =:лектронную пушку, формирующую ленточный цилиндрический пучок, анод котэрэй подключен к источнику постоянного напряжения, входной резонатор и выходной резэнатэр с установленным в нем коллектором электрэнэв, дрейфовый промежуток, соединенный с корпусами резонаторов, выполненный в вид металлического параллелепипеда или цилинЗаказ 838/70 Тираж 1052 Подписное ПНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская набд. 4/5филиал ППП " Патентф, г, Ужгород, ул, Проектная, 4 дра и расположенный внутри соосной с ниммагнитной системы, о т л и ч а ю ш и йс я тем, что, с целью уменьшения габаритов, повышения к,п,д. и коэффициента усиления, ось электронной пушки смещена относи-тельно оси магнитной системы и расголоженапод углом к ней, а внутри дрейфового промежутка установлены дь мишени, выполненные в виде металлических пластин, плоскость которых пересекает ось магнитной сис 40 темы, а коллектор электронов подключен к источнику положительного напряжения,Источники .информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Кнапп Э, А. "Труды 11 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц," М., "Наука", 1972 т,2, с, 139.2. Молоковский С. И., Сушков А, Д. Интенсивные электронные и ионные пучки Л"Энергия", 1973, (прототип) .