Резонансный генератор свч-колебаний

83 У 6 Ю Целью изобретения является повышение- коэффициента полезного действиягенератораУказанная цель достигается тем,что в генераторе СВЧ-колебаний, со:держащем источник электронов, формирую"щий плоский электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и основную периодическую структуру, раполо"женную в открытом резонаторе междуисточником электронов и коллекторомвдоль плоскости движения электронногопучка, конец основной периодическойструктуры со стороны коллектора выполнен с продольной выемкой, глубинакоторой максимальна на продольной осиструктуры и уменьшается по направле"нию к ее боковым краям,Генератор может содержать такжедополнительную периодическую структуру, расположенную на одной продольной оси с основной периодическойструктурой между последней и коллектором, причем начальный участок еевходит в выемку на конце основной периодинеской структуры, а расстояниемежду поверхностью дополнительной периодической структуры, обращенной кплоскости движения электронного пучка,и указанной плоскостью превышает расстояние между этой плоскостью и обращенной к ней поверхностью основной.периодической структурой. Указанная конструкция также обладает. сравнительно низким электронным коэФфициентом полезного действия, 40 достигающим в лучшем случае величины порядка 15-171 при реальном коэффициенте полезного действия 4-53. 2. Генератор по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что он содержит дополнительную периодическую структуру, расположенную на одной продольной оси с основной периодической структурой между последней и коллектором, причем начальный участок ее входит в выемку на конце периодической струкИзобретение относится к области электровакуумных. приборов СВЧ, а более конкретно - к устройству генератора СВЧ-колебаний .с открытым резонатором.Известен генератор СВЧ-колебаний оротрон ) содержащий источник электронов, формирующий плоский электронный пучок, коллектор, открытый резонатор, периодическую структуру расположенную, например, на поверхности одного из зеркал открытого резонатора на всем протяжении от источника электронов до коллектора .1 ),Недостатком данной конструкции является низкий коэффициент полез - ного действия прибора, равный 1-3. Известен также резонансный генератор СВЧ-колебаний (генератор дифракционного излучения), содержащий источник электронов, формирующий плоский электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и периодическую структуру, расположенную в центральной части резонатора между источником электронов и коллектором вдоль плоскости движения электронного пучка, при этом расстояние между указан-ной плоскостью и обращенной к ней по верхностью основной периодической структуры выбрано из условия эффективного взаимодействия электронов с од" ной. из пространственных гармоник собственного колебания открытого резона- З 5 тора Г 2 Д,туры, а расстояние между поверхностьюдополнительной периодической структуры, обращенной к плоскости движенияэлектронного пучка, и указанной плос.костью превышает расстояние междуэтой плоскостью и обращенной к нейповерхностью основной периодическойструктуры,На фиг.1,и 2 схематически показан вариант конструкции предложенногоЭгенератора с основной периодической структурой; на фиг.3, 4 - вариант конструкции генератора с основной и дополнительной периодическими структу; рами.Генератор СВЧ-колебаний (Фиг.1 и 2 ) содержит открытый резонатор, образо3 8352 ванный вогнутым 1 и плоским 2 зеркалами, с устройством для вывода энергии в виде прорезей 3 в вогнутом зеркале 1, источник электронов 1, кол" лектор 5 и основную периодическую структуру б в виде гребенки, нанесенной на плоском зеркале 2 и расположенной между источником 1 и коллектором 5 вдоль плоскости ЕЕдвижения электронного пучка. Расстояние Н между плос О костью ЕЕ и обращенной к ней поверх.ностью структуры 6 выбрано из условия эффективного взаимодействия электронов с одной иэ пространственных гармоник собственного колебания открцтого 15 резонатора, а период Р структуры 6 выбран иэ условия синхронизма электронов с этой гармоникой, как в известных генераторах аналогичного типа. Конец основной периодической структуры 6 со.щ стороны коллектора 5 выполнен с продольной выемкой ТАТ, глубина которой Д максимальна на,продольной оси СС структуры 6 и уменьшается по направлению к ее боковым краям 7 Глу бину Д выемки ТАТ на оси СС структуры б выбирает в зависимости отширины электронного пучка и положения основной периодической структуры, в частности ее коллекторного конца, от- Зо носительно оси 00 симметрии резонатора. При ширине электронного пучка, равной диаметру 3 каустической поверхности поля основного колебания открытого резонатора в плоскости движения этого пучка, и расположении35коллекторного конца структуры 6 у кря зеркала 2 укаэанная глубинаможет составлять 0,5-0,6 от всей длины основной периодической структурц 640 1,фиг.1 и 2 ). При уменьшении шириныпучка и смещении коллекторного конца структуры 6 к оси 00 симметрии резонатора указанная глубина Д умень-. шается, и при минимальной реально используемой ширине пучка ( 0,2 д)и45расположении коллекторного конца вблизи.оси 00симметрии глубина Д может составлять 0,03"0,05 от всей длинц основной периодической структуры 6. Глубина выемки ТАТ в показанном на фиг, 1 варианте изменяется вдоль ширины периодической структуры 6 по параболическому закону, Наряду с этимона может изменяться йо лйнейному. закону, ступенчатообраэно и т,п.1В другом варианте предлагаемого генератора между основной периодической структурой 6 и коллектором 5 расположена дополнительная периодическая структура 8, начальный участок которой входит в выемку ТАТ основной периодической структуры 6, а расстояние Н 2 между поверхностью дополнительной .периодической структуры 8, обращенной к плоскости ЕЕ движения электронного думка превышает расстояние Н между этой плоскостью и обращенной к неи поверхностью основной периодической структуры 6.Период дополнительной периодической структуры 8 может быть равен периоду Й основной периодической струк" туру 6 (фиг.2), но может и отличать" ся от него.Предложенный генератор работает следующим образом.При пропускании плоского электрон" ного пучка, формируемого источником электронов 11 (фиг.1, 2) и фокусируемого однородным магнитеаа полем б, создаваемым внешним магнитом (на фиг.1, 2 не показан ), вблизи основной периодической структурц 6 происходит взаимодействие электронного пучка с .высокочастотным электрическим полем открытого резонатора. Поскольку период й выбран меньше длины волны основного колебания открытого резонатора, вблизи основной периодической структуры 6 формируются медленные пространственные гармоники этого колебания, фаэовые скорости которых определяется периодомосновной периодической структуры 6,.Эффективное взаимодействие электронного пучка с одной из пространственных гармоник будет иметь место при скорости элек" тронов, близкой к фазовой скорости этой пространственной гармоники, т.е, при синхронизме электронного пучка с пространственной гармоникой, ПриУ увеличении тока электронного пучка выше его пускового значения происходит самовозбуждение системы, и в при.- боре возникают высокочастотные колебания, Которые выводятся в .нагрузку . через:,щизрези 3Поскольку амплитуда высокочастотного электрического поля .взаимодействующего с электронным пучком, уменьшается от оси симметрии 00 резонатора к его краям, электроны, движущиеся вблизи продольной осевой линии СС основной периодичвс" кой структуры 6, быстрее тормозятся высокочастотным электрическим, полем открытого резонатора и выходят иэ синхронизма с пространственной гар"Ф83526 моникой, чем электроны, более уда-ленные от продольной оси СС структуры 6 по направлению к ее краям 7.С другой стороны, удаленные от продольной оси СС структуры 6 электроны к моменту выхода из синхронизма центральных электронов еще продолжают группироваться и максимумэффектности их взаимодействия с по 1 Олем пространственной гармоники ненаступил. Поэтому, если оборвать взаимодействие всего электронного пучкас пространственной гармоникой нарасстоянии 5 от источника электронов,при котороммаксимальную эффективностьГ 5взаимодействия имеют электроны дви-жущиеся над продольной осью СС , суммарная эффективность взаимодействияэлектронного пучка будет невелика,как в известных конструкциях генератора аналогичного типа,В предлагаемом генераторе благодаря наличию выемки ТАТ на коллекторном конце периодической структуры бдлина взаимодействия электронов по25ширине пучка увеличивается по направлению от продольной оси СС к боковымкраям 7 структуры 6. Другими словами,взаимодействие с полем пространственной гармоники. резонатора электронов,движущихся на расстоянии К от продольной оси СС периодической струка 6туры 6 длится больше, чем взаимодействие электронов, движущихся вблизи этой оси СС . Это увеличивает эффек" тивность взаимодействия электронов с указанной гармоникой по всей ширине "электронного пучка и следовательно, повышает коэффициент полезного действия генератора. Принцип работы генератора, показанного на фиг,3 и В, аналогичен вписанному выше. Введение дооолнительйай периодической структуры 3 уивньэюат дифракционные потеРи, возникающие в области коллекторноГо ежЦа ТАТ 4 Ж". новйой периодической структуры 6, ЙРи этом на участке, где распсютожена до" волнительная структура 8,. эФфектиЕ ность взаимодействия электронного пучка с пространственной гармоникой основного собственного колебания от-,:. крытого резонатора .не происходит:.благодаря тому, что Н 2 .Н , Как ежаэали проведенные исследования,в"пред" лагаемом генераторе возмокно,еюу- чение электронного коэф 4 ицйента по" лезного деиствия порядка 304 .Ми ши" рине электронного пучка, составляющей примерно 0,23, 25 Ф при ширийе электронного пучка порядка 0,М .и 20 при ширине электронного пучка примерно 0,63.