Способ отбора высокочастотной энергии от модулированного электронного потока

ОЮЗ СОВЕТСКИ ЦИА ЛИСТ ИЧЕСК СПУБЛИН 3511 Н 01 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ЗОБРЕТЕНИ ОП Н АВ ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) (22)46 че ро действиа выходной электродикой системы и последующегсогласованного торможениянов, отличающи йчто, с целью повышения эфностиотбора энергии, в вэлектродинамической систенительно возбуждают электное поле кратных частот,и фаза которого удовлетводующим соотношениям:оА 1 д -к-(к-г)+ - Ч а"Советское лнцев В.А.тной элекадиою ол итуда лехин А.В альности ка электро- -"Радио 80, Р 9,К = 2, 3, 4, Д - амплитудгармоник А- амплитудгармоник 9- сдвиг фаи первой генапряжени РА ВЫСОКОЧАСТОТИРОВАННОГО ЭЛЕКТчающий операциюнного электронанство взаиморвой(54)(57) СПО НОЙ ЭНЕРГИИ О РОННОГО ПОТО введения сгру ного потока в ОБ ОТБТ МОДУЛКА, вклюппи ровпростр н апряже ни о ы между полямигармоник,3441583/18-2125.05.82(56) 1 Вайншт СЛекции по свер ттронике. М.,1973,2. Кочетова В.А МалыПетров Д.М, Критерии оптии форма оптимального сгуснов в пролетном клистронетехника и электроника", 1с. 1936.,8010485 само электя ектив ыходно е доп омаг мплит яютИзобретение относится к Ьректронной технике, а именно к приборамО"типа СВЧ диапазона.Известно, что в приборах О-типаэффективность преобразования энергиипучка в энергию поля определяетсягруппировкой пучка в группнрователеи его взаимодействием с полем ввходной электродинамической системз.Известным способом увеличения КПДтаких приборов является получение 10на ввходе,группирователя д -сгустковс последующим их введением в прост.ранство взаимодействия выходной электродинамической сИстемы, где происходит самосогласованное торможение 15электронов и преобразование энергиидвижения в энергию электромагнитного поля 13.Однако для реальных электронныхпотоков, используемых в СВЧ приборахд -сгустки не могут бйть реализованв в полной мере вследствиеввсокога уровня сил кулоновскогорасталкивания в сгустке при глубо"кой модуляции и в ввсокопервеанснвх 25пучках. При этом за счет увеличения Фазовой протяженности сгустков нарушается оптимальность энергообмена между потоком и полем основной частотв выходной электродинамической системы, что приводит кснижению КПД устройства.Наиболее близким к предлагаемомуявляется способ отбора ввсокочастотной энергии от модулированногоэлектронного потока, включающий опе- З 5рации введения сгруппированногоэлектронного потока со сгусткамиэлектронов, имеющих конечную Фазовуюпротяженность и слетающееся распределение скоростей в ввходную40злектродинамическую систему и последующего самосогласованного торможения электронов в выходной системе 2)1Недостаток известного способа в том, что при увеличении интенсивности и степени группировки электронного потока, выполнение условий оптюааЯъности Фазовой протяженности сгустков и распределение скоростей ие обеспечиваются, так как возраста" ние сил кулоновского расталкивания ограничивает величину минимальной Фазовой протяженности сгустков и приводит к ввравниванию скоростей электронов в них, что обусловлива ет уменьшение эффективности преобразования.Цель изобретения - повышение эффективности отбора энергии и увеличение КПД преобразования энергии, 60Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отбора ввсокочастотной энергии от модулированного электронного потока, включающем операцию введения сгуппиро- у ванного электронного потока в пространство взаимодействия выходнойэлектродинамической системы и последующего самосогласованного торможения электронов, в выходной электродинамической системе дополнительновозбуждают электромагнитное полекратных частот, амплитуда и Фазакоторого удовлетворяют соотношениям:ОАк А 1%1 К, - сдвиг фазы между полями К-ойи первой гармоник.На Фиг. 1 и 2 представленв возможные варианты конструкции; наФиг. 3-8 - зависимости формы и амплитуды результирующего электромагнитного поля при сложении основнойи кратнвх гармоник с различной амплитудой и сдвигом фаз.На фиг. 1 схематично представленаодна из конструкций, реализующаяпредлагаемый способ. Усилитель состоит из резонансной группирующей системы 1, ввходиого резонатора 2, элемента 3 связи и нагрузки 4, в которую установлен направленный ответвитель 5 дпя ВЧ мощности кратных частот, который высокочастотным трактом 6 и элементом 7 связи обеспечивает возбуждение в выходной резонансной системе полей кратнвх частотс амплитудой и Фазой, регулируемойаттенюатором 8 и Фазовращателем 9.фиг, 2 характеризует другуювозможную реализацию йредлагаемогоспособа, Усилитель пролетного типа,содержит замедляющую систему 10 иввходную систему 11, связанную черезэлемент 12 связи с нагрузкой 13.Имеется дополнительный резонанснвйэлемент 14, установленный за основной ввходиой системой усилителяпо ходу пучка, связаннвй ВЧ трактсе 415 с основной выходной резонанснойсистемой, который обеспечивает перМ"дачу, мощности кративх частот с амплитудой и Фазой, регулируемой аттенюатором 16 и фазовращателем 17 Эвыходную систему 11,На Фиг. 3 представленв графикизависимости результирующих полей отфазы при сложении основной (.кривая18) и второй гармоник (кривая 19)при относительной Фазе 9= + 904и соотноыении амплитуд А/ А= О,кривая 20) и А 2/В = 0,33 криваяНа Фиг. 4 представленв графикизависимости результирующих полейот фазы при сложении основной волны (кривая 22) и второй гармоники. при отношении амплитуды А 2/А =0,25 и относительной фазе % = +90(кривая 23), Ф= +105(кривая 24),Ф 4 =+135 О(кривая 25)Ва Фиг. 5 представлены графики результирующих полей при сложении первой (26) и третьей(27) гармоник при нулевой относительной фазе исоотношении амплитуд А/ А =1/9(кривая 28) и. А/А =1/5 (кривая 29) .Ва Фиг. 6 представлены графики результирующего поля при сложении первой (кривая 30) и четвертой гармоник (кривая 31) при относительнойфазе 4 = -90 О и соотношении амплитуд Д 4/А = 0,22 (кривая 32)На фиг, 7 представлены графики. результирующего поля (кривая 33) /ри сложении основной (кривая 34) и пятой (кривая 35) гармоник с относительной фазой - 180 ф и отношении амплитуд А/ "= 01На Фиг, 8 представлена зависимость результирующего поля от фазы(кривая 36) при сложении полей основной (кривая 37) и шестой ( кривая38 ) .гармоник при соотношении амплитуд А 6/ Д = 0,15 и Фаз 6= -270.Разность фаз мехду основным и дополнительный полем тК= -- +Н / ЗКЯ. С является оптимальной для стабилизации результирующего поля по Фазе и обеспечивает однородность энерго- обмена. Для поля второй и основной частоты с соотношением амплитуд Ау/ А =0,25, как следует из рассмотренных кривых Фиг, 4, при применении Фазы полей от 90 до 105 ф ( кривые 23 и 24) стабильность результирующего тормозящего поля ухудшается, оставаясь существенно выше однородности по Фазе основной частоты. Однако.при разности фаз, отличающейся от оптимальной более чем на 30 ф, стабильность по фазе результирующего тормо,зяцего поля падает, становясь ниже однородности /о Фазе поля основной частоты, В частности, на Фиг. 4 (кривая 25) представлена зависимость результируюцего поля от Фазы в этом случае при ф = 135. Что каЯ.сается соотношения амплитуд гармонических составляющих, то легко по-казать что результирующее поле имеет максимальную стабильность амплитуды по фазе при соотношении слагаемых Дк/А = 1/Кф. Этот случай характеризуется кривыми 20 и 28 Фиг.1 и фиг. 3 соответственно.С увеличением времени взаимодействия частиц и поля в зоне выходной электродинамической системы отно шеиие амплитуд, соответствующее наиболее однородному по Фазе вэаи 510 модействию частиц и поля, уменьшается. При отношении амплитуд дополнительного и основного полей выше оптимального стабильность по фазе тормозящего поля ухудшается, оставаясь выше стабильности поля основной частоты до величины АК/ А 1/к (кривые 21 и 29 фиг, 1 н 3 и кривые 32, 33, 36 на фиг, 6,7,8).При суперпозиции полей основной и кратной частот в зоне выходной электродинамической системы при соотношении амплитуд Ос Д/А1/К и Фаз+ (К 2)с,ЮГ 15 тс-(К) - , К = 2, 3, 4осуществляется стабилизация амплитуды тормозящего поля по фазе, чтов соответствии с критериями оптимальности энергообмена позволяетобеспечить оптимальные, однородныепо Фазе влета условия преобразования энергии модулированного потокас протяженными сгустками и малымразбросом скоростей частиц в немв энергию электромагнитных колебаний основной частоты. Предлагаемоерешение обеспечивает повышение КПДпреобразования и в случаях, когдаФормирование сгустков в соответст 30 вии с критериями оптимальности ихФормы невозможно, т.е. в случаяхвысокопервеансных электронных потоков. Для сверхмощных электронныхпучков, суперпозиция в выходной35 системе полей основной и кратныхчастот обеспечИвает повышение эффективности энергообмена как стабилизацией тормозящего поля, таки уширением его Фазы по основа 40 нию, что пРиводит к уменьшению числа частиц, ускоряемых в выходнойсистеме. Сложение двух гармоническихсоставляюцих прн определенных условиях, обеспечивает стабилизацию ам плитуды тормозящего поля по фазе иуширение его протяженности. Такаяфаэовая структура поля в зоне возбуждения позволяет обеспечить оптимальные, однородные по фазе влетаусловия торможения частиц протяжен ного сгустка, модулированного сигналом основной частоты, что позволяет повысить эффективность энергообмена, а соответственно и КПД усилителей, не использующих высоко первеансные электронные потоки.При сложении полей основной иудвоенной частоты, результирующееполе ьаряду со стабилизацией амплитуды тормозящего поля по Фазе имеето 60 фазовую протяженность свыше 180.В случае суперпозиции полей основной и полей более высокой кратностичастот (чем вторая), результирую"цее поле характеризует только ста билиэация амплитуды по фазе, 1048531В частности, при сложении полей основной и удвоенной частоты при соотношении максимальных амплитуд А/А 1=0, 1 и разности фаз ф +90 ф Фазовая протяженность тормозящего поля по его основанию составляет 190,5 О а на уровне 0,5 и 0,9 егоР амплитуды увеличивается с 120 до 135 и с 50 до 63 фсоответственно, т,е, на 112,5 в первом и 126 во второМ случаях. Суперпозиция полей основ ной и третьей гармоники усиливаемого сигнала при А/ А = 0,1 и нулевой разности фаз стабилизирует как:. ускоряющую, так и тормозящую Фазы поля, при этом уширение фаз на уров не 0,5 и 0,9 амплитуды результирующего поля составляет 120 и 190 соответственно.Реализация предлагаемого способа может быть осуществлена несколькими 20 путями.1.Созданием резонансных условий для возбуждения в выходной системе усилителей сигналов основной и кратной частот и обеспечения связи выходной системы с внешним источником сигнала на дополнительной частоте. Оптимизация амплитуды и Фазы дополнительного сигнала по отношению к основному, возбуждаемому пучком,30 осуществляется изменением выходных параметров этого источника.2. Создание резонансных условии для возбуждения в выходном резонаторе 2 усилителя основной и кратной частот, ответвления сигнала высшей 1 гармоники из основного выходного тракта ( фиг. 1) связанного с нагруз,кой через направленный ответвитель 5, и передачу этого сигнала в зону возбуждения по ВЧ тракту б 40 элементом 7 связи, Обеспечение оптимальных соотношений амплитуд и фаз производится благодаря наличию.в тракте 6 переменного аттенюатора 8 и фазовращателя 9. 453. Для приборов пролетного типа путем возбуждения дополнительного резонансного элемента 14 ( Фиг. 2), стоящего за основной выходной резонансной системой, на кратной .частоте электронным потоком, провзаимодействовавшим с выходной резонанснойсистемой, и передачи и оптимизациипараметров этого сигнала,4, Возбуждение резонансной системы электронным потоком, имеющим высакий уровень модуляции на частоте дополнительного сигнала, и обеспечение ее настройки в области нижеполосы возбуждения сигналов высшихгармоник таким образом, что изменение частоты резонансной системы вобласти кратных частот позволяетизменить характер сопротивлениявыходной резонансной системы, и соответственно, фазу и амплитуду полявысших гармоник. Это дает возможность оптимизировать соотношениеамплитуд и фаз основного и дополнительного полей в соответствии спредлагаемым решением.Предлагаемое решение позволяетповысить КПД усилителей электромагнитных колебаний. Применение пред- .лагаемого решения наиболее эффективно в случае усиления электромагнитных колебаний с использованиемсверхмощных и высокопервеансныхэлектронных потоков. Так, например,если считать, что оптимальные условия торможения частиц моноэнергетического сгустка осуществляются призначении амплитуды поля в пределах0,8-1 максимального значения, возбуждение дополнительного сигналавторой гармоники в зоне возбужденияпри соотношении Фаз по отношению косновной 90 фобеспечивает увеличение фазовой протяженности областиоптимального значения амплитуды тормозящего поля с 72 до 114 О при отношении максимальных амплитуд второй и основной гармоник А/А 1 = 0,2и с 72 до 143 при АЯ= О,ЗЗ. Приэтом увеличивается тормозящая фазаполя по его основанию до 1956 впервом и до 210 во втором случаях.Так что при взаимодействии высокопервеансного модулированного потокас минимально достижимой при группировке фазовой шириной сгустков0,4 периода эффективность преобразования при указанной структуре поляповышается в 2 раза.