электровакуумный прибор свч-диапазона

Формула изобретения

Электровакуумный прибор СВЧ, состоящий из источника электронов, электродинамической системы с элементами ввода и вывода энергии, коллектора с системой электродов, отличающийся тем, что он содержит дополнительную электродинамическую систему с элементом вывода энергии, расположенную в коллекторе и снабженную поглощающими вставками на входе, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в его пространстве виртуального катода, а элемент вывода дополнительной электродинамической системы соединен с элементом ввода основной электродинамической системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области СВЧ-техники и предназначено для увеличения функциональных возможностей усилителя СВЧ-сигнала - лампы бегущей волны (ЛБВ). Заявляемое устройство позволяет использовать лампу бегущей волны и как широкополосный усилитель и как генератор СВЧ-сигналов с возможностью перестройки режимов генерации от монохроматического до широкополосного шумоподобного сигнала с малой изрезанностью спектра и шириной полосы частот, достигающей 1-2 октав.

Из уровня техники известен генератор широкополосного шумоподобного сигнала на основе электронного пучка с виртуальным катодом, находящимся в тормозящем статическом поле, так называемый низковольтный виркатор (патент РФ на полезную модель № 46884, МПК: H 01 J 25/68), содержащий источник электронов, электродинамическую систему, коллектор, дополнительный коллектор-рекуператор энергии, расположенный между источником тока и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью улавливания отраженных от виртуального катода электронов. При этом коллектор выполнен в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Принцип функционирования генератора заключается в том, что нерелятивистский интенсивный пучок электронов инжектируется в пространство взаимодействия, имеющий потенциал, тормозящий пучок. В результате этого в пучке возникает виртуальный катод, колебания которого регистрируются широкополосной электродинамической системой, параметры которой подобраны таким образом, что не выполняется условие синхронизма волны и пучка. Подобный генератор способен демонстрировать различные режимы колебаний от монохроматического сигнала до хаотического среднего и малого уровня мощности с шириной полосы частот до 2 октав и малой изрезанностью.

Недостатком низковольтного виркатора является достаточно низкий уровень мощности излучения. Однако в ряде приложений требуются мощности более высокого уровня. Использование этого прибора в качестве источника сигнала в усилительной цепочке делает всю используемую конструкцию более громоздкой и трудоемкой по исполнению.

Классическим усилителем в электронике СВЧ является лампа бегущей волны (ЛБВ) (Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. T.1. M.: Физматлит, 2003), являющаяся наиболее близкой к заявляемому техническому решению. Основными конструктивными элементами ЛБВ являются источник электронов, широкополосная электродинамическая система (ЭДС) с вводом и выводом энергии и коллектор электронов. Главной особенностью ЛБВ является возможность усиливать СВЧ-сигналы в широком диапазоне частот, благодаря использованию в конструкции прибора широкополосной электродинамической системы (ЭДС). В качестве таковой в ЛБВ используется обычно спиральная замедляющая система со слабой аномальной дисперсией. При этом значения коэффициента усиления в пиковом режиме достигают величин порядка 60 дБ для узкополосного сигнала. В режиме широкополосного сигнала коэффициент усиления составляет величину порядка 30 дБ.

Лампа бегущей волны может быть использована в качестве генератора, для чего в конструкцию ЛБВ необходимо ввести цепь обратной связи. При выполнении определенных амплитудных и фазовых условий такая лампа позволяет генерировать одночастотный, многочастотный или хаотический СВЧ-сигнал (ЛБВ-шумотрон, см., например, Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием // Радиотехника и электроника, 1979, т.24, N 6, с.1118).

Однако ЛБВ-генератор СВЧ-сигналов обладает существенным недостатком, связанным с тем, что на цепь обратной связи в этом случае накладываются жесткие фазовые условия и условия согласования волноводов с прибором. Невозможность четкого выполнения этих условий во всем диапазоне частот приводит к тому, что амплитуда генерируемого сигнала будет сильно различаться для различных частот, что в свою очередь приводит к сильной изрезанности спектра генерации, особенно в режиме генерации хаоса. В то же время в последнее время с развитием техники систем связи, приборной базы информационно-коммуникационных систем и т.д. все более востребованными становятся СВЧ-приборы, способные генерировать широкополосные хаотические сигналы с малым перепадом между максимальным и минимальным уровнем мощности в пределах полосы генерации.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что, несмотря на рекордные по ширине полосы характеристики ЛБВ-усилителей, ЛБВ-генераторы с обратной связью не могут служить перспективными источниками широкополосных шумоподобных сигналов. Однако высокие значения коэффициента усиления и широкая полоса частот позволяют использовать лампу бегущей волны в качестве элемента усилительного каскада, где в качестве источника сигнала, как правило, широкополосного, может использоваться другой прибор с более подходящими генерационными характеристиками.

Задачей изобретения является создание универсального прибора СВЧ с возможностью генерации как широкополосного шумоподобного сигнала с шириной спектра до 2 октав, так и одночастотного сигнала с возможностью перестройки частоты генерации в пределах полосы при сохранении высоких параметров усиления, характерных для ЛБВ.

Изобретение основано на извлечении полезного эффекта - дополнительной энергии от отработанного электронного пучка на выходе ЛБВ. В результате использования колебаний виртуального катода в коллекторной области было обнаружено значительное улучшение генерационных характеристик ЛБВ, что позволило создать универсальный прибор, обеспечивающий генерацию широкополосного шумоподобного сигнала с высоким уровнем мощности. При этом удалось избежать трудностей, связанных с согласованием характеристик сигнала в цепочке обратной связи.

Поставленная задача решается тем, что электровакуумный прибор СВЧ, состоящий из источника электронов, электродинамической системы с элементами ввода и вывода энергии, коллектора с системой электродов, согласно изобретению содержит дополнительную электродинамическую систему с элементом вывода энергии, расположенную в коллекторе и снабженную поглощающими вставками на входе, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в его пространстве виртуального катода, а элемент вывода дополнительной электродинамической системы соединен с элементом ввода основной электродинамической системы.

Технический результат, достигаемый в предложенном многофункциональном приборе СВЧ, состоит в том, что существует возможность использовать данный прибор и как усилитель, и как мощный перестраиваемый генератор СВЧ-сигнала с возможностью генерирования монохроматического, многочастотного и шумоподобного сигнала с полосой частот до 2 октав.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема заявляемого генератора-усилителя СВЧ-сигнала, на фиг.2 - конструкция многоступенчатого коллектора-генератора, на фиг.3 - экспериментальные зависимости характерной мощности генерации (а) и технический к.п.д. (б) широкополосных шумоподобных колебаний в пучке с виртуальным катодом на выходе из коллектора-генератора в зависимости от потенциала V₁/V₀ - верхняя кривая и V₁=V₀ при V₁=V ₀ - нижняя кривая, на фиг.4 - зависимость мощности излучения (а) на выходе генератора и электронного и технического к.п.д. (б) прибора в зависимости от потенциала второй секции коллектора-генератора, нормированного на потенциал корпуса коллектора-генератора - V ₂/V₀. Позициями на чертежах обозначены: 1 - источник электронов, 2 - электродинамическая система усилительного модуля (ЭДСУ), 3 - многоступенчатый коллектор, 4 - цепь связи, соединяющая элемент вывода энергии коллектора и элемент ввода энергии ЭДСУ, 5 - элемент вывода энергии ЭДСУ. Позициями обозначены: 6 - электронный пучок, 7 - корпус коллектора, на который подается потенциал V₀, 8 - первая секция коллектора-генератора, на которую подается потенциал V₁ V₀, 9 - вторая секция коллектора-генератора, на которую подается потенциал V₂<V₁, 10 - третья секция коллектора-генератора, на которую подается потенциал V₃ V₂, 11 - отрезок широкополосной электродинамической системы коллектора-генератора (ЭДСК), 12 - поглощающая вставка, 13 - элемент вывода энергии широкополосной ЭДСК, 14 - образующийся в коллекторе-генераторе виртуальный катод.

Предложенный многофункциональный СВЧ-прибор содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). Усилительный модуль прибора содержит источник электронов 1, формирующий электронный пучок, который затем попадает в ЭДСУ 2. Далее, отработанный пучок попадает в модуль генерации - коллектор-генератор 3. СВЧ-сигнал, снимаемый в коллекторе-генераторе, по цепи связи 4 попадает на входной элемент ЭДСУ, далее, усиливаясь, выводится через элемент вывода энергии 5.

В данном случае представлен пример технического выполнения предложенного прибора в виде коллектора-генератора с тремя электродами, который устроен следующим образом (фиг.2). Имеется отработанный электронный пучок 6 с начальным разбросом электронов по скоростям. В корпус коллектора-генератора помещены: первая секция - электрод 8, вторая секция - электрод 9 и третья секция - электрод 10. Между первой и второй секциями в приборе расположен отрезок широкополосной ЭДСК 11 нагруженной поглощающей вставкой 12 и элементом вывода энергии 13. Между первой и второй секциями коллектора-генератора в области ЭДСК 11 образуется виртуальный катод 14. Для сбора электронов в коллекторе-генераторе предназначен третий электрод 10.

Устройство работает следующим образом.

Электронный пучок формируется источником электронов и проходит через область электродинамической системы, где под действием электромагнитного поля ЭДСУ группируется, а затем из области ЭДСУ попадает в коллектор-генератор. Далее в коллекторе-генераторе отработанный электронный пучок попадает в область тормозящего поля, образованного разностью потенциалов V₂ и V ₁ (V₂ V₁) и создает виртуальный катод 8, пространственно-временные колебания которого регистрируются отрезком ЭДСК с выводом энергии. Характер колебаний изменяется от одночастотных и многочастотных до шумоподобных в зависимости от отношения V₂/V ₁. При этом разброс электронов пучка по скоростям, который имеет место за счет группирования в усилительном модуле прибора, позволяет значительно улучшить характеристики СВЧ-сигнала в режиме хаотической генерации, т.е. спектр колебаний расширяется, а также уменьшается изрезанность спектра. Отраженные от виртуального катода электроны попадают на первую секцию 3 коллектора (V ₁<V₀), а проходящие - на третью секцию 4 (V₃<V₀). Сигнал, снимаемый отрезком ЭДСК, с элемента вывода энергии по цепи связи поступает на вход усилителя, где происходит усиление этого сигнала в ЭДСУ. Далее полученный усиленный сигнал выводится из прибора через элемент вывода энергии ЭДСУ.

Как показали экспериментальные исследования подобной схемы, изменяя тормозящий потенциал, существует возможность управлять как амплитудой хаотических СВЧ-колебаний, так и шириной полосы частот (от узкополосных, близких к одночастотным колебаниям, так и до широкополосных шумоподобных колебаний с шириной полосы более октавы).

Представленные на фиг.3 экспериментальные зависимости показывают, что коллектор-генератор данного многофункционального прибора может генерировать сигнал малого и среднего уровней мощности в зависимости от тормозящего потенциала на второй секции коллектора-генератора. Мощности генерации (фиг.3а) при этом достигают величин порядка 300 мВт в наиболее благоприятном режиме работы. При этом технический к.п.д. (фиг.3б) подобного генератора, используемого как коллектор прибора О-типа, достигает величин от 4 до 14% в зависимости от тормозящего потенциала V₂ и различного соотношения потенциалов электродов внутри коллектора-генератора.

Представленные на фиг.4 зависимости позволяют продемонстрировать преимущества подобной конструкции предложенного многофункционального прибора. Видно, что мощность колебаний, получаемая в коллекторе-генераторе, усиливается более чем в сто раз, что составляет усиление по мощности более 20 дБ. При этом технический к.п.д. такого «гибридного» прибора увеличивается более чем в два раза до 30%, а электронный составляет величину порядка 25%.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет получать средние величины мощности монохроматического, многочастотного и широкополосного хаотического сигнала с шириной полосы колебаний до 2 октав.