Импульсный свч-прибор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 8 РЕСПУБЛИК 19 5/00 514 Н ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ДЕТЕЛЬСТВ Н АВТОРСКОМУ(21 (22 зонае вьгру имые оти имеющгенерапричембрано аннии ка, изолиров ыходной секц подключения о напряжения у пластинами выполнения сл ного пучтора иводы дляпульсноние междусловия сстоя 3отно" едующи ени д 17 расст длите прибо иТ.ояниеЧсржду пластинамиимпульса тока е 1,иост)ное ения плаеао п о т л что выходная ка замедляющ секцияй ор по п.1, о т л я тем, что выхо на в виде перест аиваевы ато мог Мюй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт прикладной физики АНСССР(56) Патент США У 4209755, кл, 33183, опублик. 1980.Канавец В.И., Копылов В.В.,Пикунов В.М. Преобразование сложногосигнала с произвольными частотами вдвухсекционной гибридном приборе.Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. У 3 (327), 1981, с. 25.(54)(57).содержащий электронную пушку, модулирующий резонатор и выходную секцию,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения диапазона пере"стройки частоты, между резонатороми выходной секцией введены по крайнемере две металлические пластины сотверстиями для прохождения электрон" длитель сть импульсажения м жду пластинамиЧ - усредненная скоростьэлектронного пучка междстинами.2. СВЧ-прибор пю.щий с я тем,выполнена из отрезИзобретение относится к областиСВЧ электроники и может быть исполь-зовано в.качестве перестраиваемогоисточника СВЧ излучения.В настоящее время в качестве пе 5рестраиваемых источников СВЧ излучения широко используются отражательные клистроны, лампы обратной волныЫОВ), а также пролетные клистроныгенераторы,Известен перестраиваемый клистронный генератор, содержащий электронную пушку, соосно ей входной и выходной резонаторы, последний имеет меха-;5ническую перестройку. Нри этом резонаторы настроены на разные частотыи связаны регенеративной обратнойсвязью,Недостатком этого прибора является длительное время установлениячастоты генерируемых колебаний, чтообусловлено механической перестройкойчастоты, а также достаточно узкийдиапазон перестоойки. 25Из известных перестраиваемых генераторов наибольшей полосой обладаетЗОВВ ЛОВ резонансные элементы отсутствуют и перестройка ее достигается30изменением напряжения пучка, Однакоиз-за ухудшения условий взаимодейст=;ия пучка с полем замедляющей системы при изменении напряжения полосаперестройки ЛОВ не превышает (2(50)Х от средней частоты.35Наиболее близким техническим решением является импульсный СВЧ приоор, содержащий электронную пушку,модулирующий резонатор и выходнуюсекцию,. выполненную в виде отрезказамедляющей системы.Выходная секция имеет ввод дополнительного внешнего сигналов.Недостатком этого прибора являет 4ся узкий диапазон перестройки частоты, что обусловлено наличием нелинейных процессов перекачки энергии покомбинационным гармоникам,Целью изобретения является расши 50рение диапазона перестройки частоты,Ноставленная цель достигаетсятем, что в импульсный СВЧ прибор,содержащий электронную пушку, модулирующий резонатор и выходную секЯ 5цию, между резонатором и выходнойсекции введены две металлические пластины с отверстиями для прохожденияэлектронного пучка, изолированные от резонатора и выходной секции и имеющие выводы для подключения к генератору импульсного напряжения, причем,расстояние между пластинами выбраноиз условия выполнения следующих со-отношенийЧ с и ь. сРгде Е - расстояние между пластинами;длительность импульса токаприбора;ль - длительность импульсного напряжения между пластинами;усредненная скорость движения электронного пучка между пластинами,Выходная секция выполнена из отрезка замедляющей системы или в видеперестраиваемого резонатора.На чертеже изображен предложенныйСВЧ-притворИмпульсный СВЧ-прибор содержитэлектронную пушку 1, состоящую из катода и ускоряющего электрода 2, исоосные ей модулирующий резонатор 3и ьыходную секцию 4.В общем случае выходная секцияможет иметь различные конструктивныерешения, В варианте, изображенном начер.еже, выходная секция 4 выполненав виде отрезка спиральной замедляющейсистемы, формирующей электромагнитнуюволну с постоянной фазовой скоростьюЧ, определяемой геометрическими раэмерами спирали Ч=с с 1/ Й+(21 а),где а - радиус спирали, д - шаг спи"рали, с - скорость света, В другомварианте выходная секция может бытьвыполнена, например в виде перестраиваемого резонатора. Между резонатором 3 и отрезком выходной секции 4 установлены жестко закрепленные отрезками 56,7 трубы, выполненными из изолирующего материала, металлические пластины 8 и 9 с отверстиями. Центры отверстий расположены на продольной оси прибора, а их геометрия определяется геометрией поперечного сечения электронного пучка. Так, если пучок в поперечном се" чении круглый или кольцевой, то отверстия целесообразно выполнить в виде круга, Если же пучок ленточный, то отверстия целесообразно выполнить прямоугольными, Отрезки 5,6,7 вакуум- но плотно соединены .с металлическими пластинами 8,9, резонатором 3 и выходной секцией 4 н образует вместес отверстиями в пластинах 8, 9 канал 10 дрейфа.Для обеспечения равномерного распределения поля в канале 10 между пластинами 8,9, выполняющими функцию.5 обкладок конденсатора,. -в варианте, изображенном на чертеже, линейные раз" меры пластин 8,9,значительно превышают линейные размеры отверстий в них, В другом варианте исполнения обеспечение равномерного распределения .,поля в канале 10 может быть достигнуто установкой в плоскости отверстий металлических стоек. Расстояние 1 между 15 пластинами целесообразно выбрать 1 И - линейный размер отверстий), при этом достигается равномерное распределение потенциала в поперечном сечении пучка. 20В варианте, изображенном на чертеже, число пластин п=2. В общем случае число пластин зависит от расстояния между резонатором 3 и выходной секцией 4 и определяется из соот1.ношения и- + 1 где Ь в длина каФ нала 10 дрейфа.Для эффективной работы прибора требуется выполнение ряда режимных ЗО соотношений.Так, длительностьимпульса тока электронного пучка, формируемого в пушке при подаче напряжения на ускоряющий электрод 2, должна удовлетворять условию с с(Ь/Чс где Чссредняя скорость частиц в канале 10 дрейфа. Длительность 2 импульса напряжения Чз, подаваемого от генератора 11 импульсного напряжения 40 на пластины 8,9, должна быть ь, сЬоЧс - где 1 =Ч - длина электрононого пучка, сформированного электрон 452 еЦ 1ной пушкой Ч = --- скорость электрронного пучка, определяемая напряже-. нием П , поданным на ускоряющий.;электрод пушки, е,ш - заряд и масса электрона.Момент подачи импульса. от генератора 11 на пластины 8,9 сдвинут по времени на г.=1 /У, по отношению к импульсу напряжения, подаваемому на ускоряющий электрод 2 электронной пушки 1,Уровень модуляции У/Ч, электронов по скорости в резонаторе 3 при заданных длине Ь канала дрейфа и частоте со, модуляции должен меняться всоответствии с изменением среднейскорости в канале дрейфа по законуЧ 21 Ь 14 е1срСВЧ-прибор работает следующим образом. Импульсный электронный пучок,формируемый электронной пушкой 1, пролетая через резонатор Э со скоростьюЧ модулируется по скорости подаваемьм во входной резонатор сигналом частоты р,. В результате по мере движения в канале 10 дрейфа электроны собираются в сгустки, центры которыхотстоят друг от друга в пространстве2 пч,на расстоянии 1 = в в . Посколькудлительность импульса тока электрон-ного пучка ограничена условием1.1 с( в в , то весь электронный пучок всрмомент времени с=1 /Ч , отсчитываемыйот момента появления электронногопучка в канале 10 дрейфа, оказывается между пластинами 8,9. В этот момент на пластины 8, 9 подается напряжение от генератора 11, в результатечего в канале дрейфа создается однородное ускоряющее электрическое полеЕ(С). В соответствии с условиемл ( Ьеу - воздействие электрическогоСрполя на электроны прекращается до то" го, как электронный пучок достигнет пластины 9. При выполнении вышеуказанного условия, а также вследствие того, что линейные размеры пластин 8,9 значительно превьппают линейные размеры отверстий в них, а расстояние между пластинами выбрано 1 д, все электроны пучка ускоряются одинаково и получают одинаковое приращение скорости 5 Ч = 1 йе. Во ш результате скорость пучка становяся равной Ч =Ч,+йЧ, Так, как период 1 следованйя сгустков в пространстве при одинаковом ускорении всех частиц не меняется, то после ускорения между пластинами 8, 9 сгустки будут влетать в выходную секцию 4 с часто 2 НУг Чтой 41 в , -Ьд на которой сос 10822редоточена большая часть энергии пучка. В случае выполнения выходной секции в виде отрезка спиральной замедляющей системы электронная перестройка СВЧ-прибора осуществляется5 изменением значений скоростей 7, и 72, путем изменения напряжений на ускоряющем электроде 2 и пластинах 8, 9. При этом значения начальной Ч и конечной 7 скоростей пучка полностью определяются фазовой скоростью Чф, формируемой в замедляющей системе волны, так как для совпадения частоты и пространственного периода сле дования сгустков с частотой и пространственным периодом электромагнитной волны эти скорости должны бытьФ 17 = - 7 Ч =Н а напряжения пода фф 2 фф92 20 ваемые" на ускоряющий электрод 2 и пластины 8,9, соответственно 32()г П - г (1/ )т и ш21(д,ф ф 3,8 дФПомимо принципиальных ограничении на диапазон перестройки, вытекающих из того факта, что скорость электронов не может превышать скорости света, на практике реальные ограничения связаны с конечностью полосы +о пропускания любой замедляющей системы. Так, при наличии спиральной замедляющей системы, имеющей полосу пропускания в несколько октав, СВЧ- прибор может изменять выходную час тоту в 3-5 раз, в то время как в приборе, выбранном в качестве прототипа, перестройка частоты из-за наличия нелинейной связи между различными комбинационными гармониками, не мо жет превышать нескольких десятков процентов.В случае выполнения выходной секции в виде перестраиваемого резонатора настройка на требуемую выходнуючастоту ы 2 осуществляется одним лишь 21 6напряжением на пластинах 8, 9, Поскольку начальная скорость 7, здесьпроизвольна (важно лишь отношениеЧ 2/7,), то свободу в выборе напряжения на ускоряющем электроде 2 можноиспольэовать для расширения диапазонаперестройки еще на октаву,Таким образом, введение в СВЧприбор, содержащий электронную пушку,модулирующий резонатор и выходнуюсекцию металлических пластин позволяет управлять процессом формированияэлектронных сгустков путем изменениянапряжения на металлических пластинах, за счет чего и достигается положительный эффект - расширяется диапазон перестройки.В данном приборе имеется возможность обеспечения высокого КПД исоответственно постоянной выходноймощности во всем диапазоне перестройки. Это достигаются за счет того,что в предложенной конструкции обеспечиваются оптимальные условия форЧмирования электронных сгустков ( -= в в в ) за счет изменения уровняь,7модулирующего сигнала.П р и м е р, конкретной реализации. Диаметр металлических пластинР=10 см и диаметр отверстий.в пластинах 6=1 см. При длине канала дрейфа1.Ь=5 см число пластин п = - +1 =б.йЧастота модуляции и), соответствуетдлине волны 1 =8 мм, джазовая скоростьволны, формируемой в спиральной за-.медляющей системе, Ч =0,063 С, Тогдапри изменении напряжения на ускоряющем электроде 2 от 4 кВ до 250 В, ана пластинах 8, 9 от 3 кВ до 750 В(знак - соответствует тормозящему потенциалу между пластинами), выходнаячастота И 2 прибора будет менятьсяна 2 октавы,1082221 Ооставительгика Техред М.Дидык Коррект Шекмар ктор ираж 746Подписное комитета по изобретениям и отк Москва, Ж, Раушская наб., д СССР Прои род, ул, Проектная, 4 твенно-полиграФическое предприятие, г Заказ 7359ВНИИПИ Государственно11303 тиям при4/5