Генератор дифракционного излучения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ИЯ о гд,(О, 55 дричОО- соо мальный и максимал бочей поверхности ка 2 ч ая си ой, в де конного ккалу зи, в ческо ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И 01 МРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИВТОРСКОМУ СВИДЕТ(71) Ордена Трудового КрасногоЗнамени институт радиотехники иэлектроники АН СССР им.В.И.Ленина(56) 1. Авторское свидетельство СССР9 195557, кл, Н 01 Ю 25/00, 1967.2. Авторское свидетельство СССРУ 472598, кл. Н 01 7 23/24, 1976(54)(57) 1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий открытыйрезонатор, выполненный в виде коаксиально расположенных внешнего цилиндрического и внутреннего зеркал,цилиндрическую периодическую систему, расположенную на внутренней поверхности цилиндрического зеркала,кольцевую электронно-оптическую систему и- систему связи выводного ка-нала с открытым резонатором, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения конструкции и обеспечения разреженияспектра генери.80.1129670 А руемых колебаний, поверхность в реннего зеркала выполнена в вид усеченного конуса в соответстви следующими соотношениямиа, а- =Й- =ЬЪ " Ъ 2 2- нижняя и верхняя границы области существо вания колебаний на внутреннем коническом зеркале открытого резонатора, лежащие в интервале значений 65 б(0,75;иус внешнего цилин"еского зеркала;ветственно миниьный радиусы равнутреннего зерГенератор по и, 1, о т л ищ и й с я тем, что периодичес- Вам стема выполнена полупрозрач ваиа ыводной канал выполнен в ви- фф ического зеркала, расположен- р оаксиально цилиндрическому зер- фра наружи него над системой свяптолненной в стенке цилиндрио зеркала,1129670 15кала.Периодическая структара можетбыть выполнена полупрозрачной, выводной канал - в виде коническогозеркала, расположенного коаксиально цилиндрическому зеркалу снаружинего над системой связи, выполненной в стенке цилиндрического зеркала.На фиг, 1 и 2 приведены продольные разрезы двух вариантов генераторов дифракционного излучателя,на фиг. 3, - зависимость поперечныхсобственных чисел Хтв магнитныхволн Нюруп для ряда значений , в ЗО зависимости от Д = б/ 5 - отношениятекущего радиуса внутреннего конического зеркала к радиусу внешнего зеркала открытого резонатора,а, а :ь - =Дг 4 11 Изобретение относится к электронике СВЧ миллиметрового диапазона, вчастности к СВЧ генераторам с открытым резонатором.Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ), содержащийоткрытый резонатор (ОР), образованный сферическим и плоским зеркалами, периодическую структуру ввиде дифракционной решетки, нанесенной на плоское зеркало ОР, электронную пушку (катод), коллектор,систему вывода энергии из ГДИ, размещенные внутри магнитной системы(соленоида) или между полюсами постоянного магнита 1,Указанный ГДИ имеет недостаточно разреженный спектр.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсягенератор дифракционного излучения,содержащий открытый резонатор, выполненный в виде коаксиально расположенных ьнешенго цилиндрическогои внутреннего зеркал, цилиндрическую периодическую систему, расйоложенную на внутренней поверхностицилиндрического зеркала, кольцевуюэлектронно-оптическую систему и систему связи выводного канала с открытым резонатором, причем пушка иколлектор электронно-оптическойсистемы размещены у краев периодической структуры 2).Недостатки известного устройствазаключаются в сложности конструкциии недостаточной разреженности спектра генерируемых колебаний.Цель изобретения - упрощение конструкции и разрежение спектра генерируемых колебаний.Поставленная цель достигаетсятем, что в генераторе дифракционного излучения, содержащем открытыйрезонатор, выполненный в виде коаксиально расположенных внешнего цилиндрического и внутреннего зеркал,цилиндрическую периодическую систему,расположеннуй на внутренней поверхности цилиндрического зеркала,кольцевую электронно-оптическую систему и систему связи выводного канала с открытым резонатором, поверхность внутреннего зеркала выполненав виде усе онуса в соответствии со следующими соотношениями где Д и д - нижняя и верхняя гра 1 рницы области существования колебаний на внутреннем коническом зеркале открытого резонатора, лежащего в интервале значений0,3 д,0,55, 0,65 д(0,75Ь - радиус внешнего цилиндрического зеркала;Д 1 уа 2 - соответственно мини-.мальный и максимальный радиусы рабочей поверхности внутреннего зерГДИ по первому варианту ( фиг. 1) содержит внешнее цилиндрическое зеркало 1, внутреннее коническое зеркало 2, кольцевую электронную пушку 3, кольцевой коллектор 4, цилиндрическую периодическую систему 5, выводной канал 6, систему 7 связи, поршень 8, электронный поток 9, магнитную систему 10, область 11 взаимодействия электронного потока и поля открытого резонатора. Магнитная система 10, внешЪнее и внутреннее зерка:.,а 1 и 2 расположены коаксиально, Бчешнее и внутреннее зеркала образуют открытую резонансную систему ГДИ. Периодическая система 5 расположена на внутренней поверхности внешнего зер" кала 1, а у ее краев размещены кольцевая электронная пушка 3 и кольцевой коллектор 4. Выводной канал 6 расположен внутри внутреннего зеркала 2 и в его невыходном конце установлен подвижный поршень 8,гд:.3, М50 55 3 11Согласно втораму варианту(ьиг,2) периодическая система 5 выполнена полупрозрачной, выводной канал 6 в виде конического кольцевого зеркала, система 7 связи - в зеркале 1, Магнитная система 10, внешнее и внутреннее зеркала 1 и 2 расположены коаксиально. Внешнее и внутреннее зеркала 1 и 2 образуют открытую резонансную систему ГДИ.Часть генератора дифракционного излучения, содержащая внешнее и внутреннее зеркала, пушку, коллектор, периодическую структуру, выполнена вакуумно-плотной и помещена во внутренний объем магнитной системы (соленоида) или размещена между полюсами постоянного магнита.Расстояние от электронного потока до периодической структуры в обоих вариантах ГДИ обычно для генераторов дифракционного излучения- электронный поток должен располагаться как можно ближе к периодической структуре, но не падать на нее, Поверхностная волна, с которой взаимодействует электронный поток, убывает по экспоненциальнаму закону, а поэтому электронный поток должен быть максимально прибли жен к периодической структуре, По конструктивным соображениям магнитное поле удобнр реализовать с помощью соленоида, создающего продольное магнитное поле. Для более эффективного возбуждения магнитных типов колебаний кольцевые щели периодической структуры должны быть наклонены под нехоторым углом ( к плоскости поперечного сечения прибора. Таким образом, периодическая структура представляет собой многозаходную спираль, выполненную в виде частопериодическай гофрированной поверхности. ГДИ по первому варианту работает следующим образом.Кольцевая электронная пушка 3 испускает кольцевой электронный поток 9 в сторону кольцевого коллектора 4, который под действием магнитного поля магнитной системы 10 формируется в кольцевой электронный поток 9. Сфокусированный магнитным полем кольцевой электронный поток 9 проходит в. непосредственной близости от кольцевой периодической системы 5 и, так как период систе 29670 4мы 5 меньше длины волны собственного колебания открытого резонатораГДИ, образованного зеркалами 1 и 2,то окало периодической структурыраспространяются пространственныегармоники этого колебания, имеющиефазовые скорости меньше скоростисвета и экспоненциально убываюшиепа амплитуде при удалении от поверх 1 О ности периодической системы 5. Прискорости электронов в потоке 9,близкой к фазавой скорости одной изпространственных гармоник, происходит эффективное взаимодействие элект 15 ранного пучка с высокочастотным полем открытого резонаТора, При токеэлектронного потока 9, прерывающемпусковое значение, система электронный латок - резонатор - периодичес 20 кая система самовазбуждается и генерирует высокочастотные электромагнитные колебания, а электронный пучок оседает на кольцевом коллекторе 4. Возбуждение электромагнитно 25 го колебания из пространства открытого резонатора через систему 7связи выводится в выводной канал 6,Режим бегущей волны в выводном канале 6 обеспечивается с помощьюнастроечного поршня 8,ГЦИ по второму варианту (фиг,2)рабатлет аналогично, только возникшиевысокочастотные колебания в открытом резонаторе ГДИ выводятся изГДИ через полупрозрачную периодическую систему 5, систему 7 связи,выполненную в стенке внешнего зеркала 1 и выводного канала 6, выполненного в виде конического зеркала.Рассмотрим физические основы работы предложенного ГДИ.Спектр поперечных собственных чисел Х магнитных волн Н,д в проствпранстве между зеркалами 1 и 2, обра 45 зующих открытый резонатор ГДИ, описывается дисперсионным уравнением 3 х 11 х М- (х М 1,( )=О, - Функции Бесселя1-га рода и Неймана;знакозначаетпроизводную отФункций Д, Мот их аргумента; и =О, 1,2, - азимутальный индекс (па координате ;(по координате Р ); - поперечные собственные числа магнитных волн Н ; 5 - отношение текущего радиуса внутреннего конического зеркала к радиусувнешнего зеркалаоткрытого резонатора.Численное решение этого уравнения представлено на фиг. 3. Характерный провал, имеющий место при 15 Ь"Ь й Ь, является рабочим участком ГДИ, а колебания справа и слева от этой области не возбуждаются, Магнитные волны Н,1, в области Ь, с ЬЬпи 1 обладают падающим участком, харак терным для приграничных магнитных волн, и растущим участком, характерным для объемных магнитных волн, Такие комбинированные волны, таким образом, имеют критические сечения 25 (обозначенные на фиг, 1 и 2 штриховыми линиями) и в расширяющейся и в сужающейся частях между внешним и внутренним зеркалами 1 и 2 ГДИ, и поэтому происходит значительное раз режение спектра приграничных магнитных колебаний слева от границы Ь, и справа от границы Ь . В первом приближении по степени разреженности спектра можно считать, что спектр магнитных колебаний в диапазоне Ь ьЬ Ь примерно равен спектру при:2граничных колебаний: одно колебание в октавной полосе частот, Величины Ь 1=а 1/ 5 и Ь = О /Ь, определяющие 40/ нижнюю и верхнюю границы области существования колебаний в ГДИ, находятся из численного решения. приведенного уравнения, графически представенного на фиг. 345Пусть для заданных значений длина волны в вакууме ф и Ь - поперечное собственное число, равное 13,75, то значения Ь и Ь, будут определены пересечением прямой, про о веденной из точки 13,75, параллельно горизонтальной оси , они равны Ь 10,5 и Ь = 0,65, откуда нахо 6706дятся О 1 и О . Магнитные волны, последовательно переотражаясь между критическими сечениями, проходящими через радиусы О, и О, формируют рабочее поле ГДИ в виде магнитных волн Н 1 р, где р - продольный индекс (по координате Е ) (фиг. 1 и 2). Целесообразен выбор р=1, так как при этом создается максимально равномерное поле поперек периодической системы 5, в связи с этим и ширина эоны между критическими сечениями (расстояние между радиусами а, и 0) выбирается равной нескольким длинам волн рабочей частоты,Тепловые потери (добротные свойства) резонатора ГДИ будем характеризовать приближенным частотнозанисимым параметрам Щ(" ср 12сргде Ь р - среднее по длине резонатора значение Ь . Для колебания Н 1 роценка дает значение= 12 (Ь ср =0,5),в то время как для приграничного колебания Н бд,1,5, а для приграничного колебания Н р 6:4,4, т,е.13 рв предложенном ГДИ; работающем намагнитных колебаниях Нр, добротность открытого резонатора существенно больше, чем в ГДИ, работающем на приграничном типе магнитныхколебаний Нщ, при сохранении высокой разреженности спектра последних.Злектрические типы колебаний втаком ГДИ не возникают и спектр генерируемых колебаний не искажают.Приведенные оценки омическойдобротности показывают, что приработе на колебаниях и = 3 добротность рабочего типа колебаний возрастает примерно на порядок. Зто ведет к резкому сужению ширины линиигенерации и, как следствие, к повышению электронного КПД (электронныйпоток блоее эффективно взаимодействует с полем рабочего типа колебаний), так и общего КПД предлагаемого ГДИ, а стало быть, и к увеличе-нию выходной мощности,1 12 967 е. Корректор М. Розман хред З.Палий едактор М. Келем каз 9458/4 Тираж 682 Подпися ВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 035, Москва, Ж, Раушская наб., д