Свч-усилитель с длительным взаимодействием
t. СВЧ-УСИПИТЕЛЬ С ДЛИТЕЛЬНЫМ ВЗММОДЕЙСТВИЕМ, содержащий входную и выходную секции с замедляющей системой, между которыми расположен оптимизатор амплитудно фазовых соотношений , отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД в. полосы усиливаемых частот, уменьшения уровня паразитных высших гармоник , мощности, оптимизатор амплитуднофазовых соотношений выполнен в виде усилителя волн пространственного , заряда с пролетной секцией, выполнен .ной в соответствии с соотношением Щ l (mUV WffC где Т - |длинапролётной секции, м; п 0, .. 0,3 К 6 0,7; - удельный заряд электрона, Кл; Гускоряющее напряжение.. В; Ojj- круговая частота, соответствующая низкочастотному краю рабочего диапазона, рад/с; С- параметр усиления Пирса; Н параметр пространственного заряда. 2.СВЧ-усилитель по п, 1, о т л и чающийся тем, что пролетная осекция выполнена в виде трубки дрейфа . 3.СВЧ-усилитель по п. 1, о т л ичающийся тем, что пролетная секция выполнена в виде замедляющей системы, шаг которой меньше шага :замедляющей системы входной и выходп ной секций.. . : . 4.СВЧ-усилитель по п. 3, о т л ичающийся тем, что пролетная N9 ЭО &9 секция содержит цилиндрическую металлическую втулку, закрепленную на за/ медляющей системе.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
09) (и) эаю Н 01 Л 23 24 где 7 и
0,3
0—
Я— о ОСУДАРСТБЕКК 1Й КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3450914/24-21 .(22) 11.06. 82 (46) 07. 12 ° 84. Бюл. Р 45 (72) В.П.Кудряшов, В.И.Ииркин и Б. В.Песин .ъ (53) 621.385.632.12 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР
В 762629, кл. Н 01 5 25/34, 12.07.78.
2. Патент Франции Й 2.122. 463, кл. Н 01 J 25/00, 1972 (прототип). (54) (57) 1 . .СВЧ-УСИЛИТЕЛЪ С ДЛИТЕЛЬНЫИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ, содержащий входную и выходную секции с замедляющей системой, между которыми расположен оптимизатор амплитудно-.фазовых соотношений, отличающийся тем, что, с целью увеличения ICE в полосы усиливаемых частот, уменьшенйя . уровня паразитных высших гармоник мощности, оптимизатор амплитуднофазовых соотношений выполнен в виде усилителя волн пространственного .заряда с пролетной секцией, выполнен- .ной в соответствии с соотношением i 2g 0
Ь=СП+й ь)осЯ длийа пролетной секции, м;
0,.1,2;
6К а0,73 удельный заряд электрона, Кл; ускоряющее напряжение, В; круговая частота, соответствующая низкочастотному краю рабочего диапазона, рад/с) параметр усиления Пирса; параметр пространственного заряда.
2. СВЧ-усилитель по и, 1, о т л и.ч а ю шийся тем, что пролетная
„секция выполнена в виде трубки дрейфа.
3. СВЧ-усилитель. по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что пролетная секция выполнена в виде замедляющей системы, шаг которой меньше шага замедляющей системы входной и выход, ной секций.
4. СВЧ-усилитель по п. 3, о т л ич а ю шийся тем, что пролетная секция содержит цилиндрическую металлическую втулку, закрепленную на за- . медляющей системе.
1128304
Изобретение может быть использовано в технике СВЧ, в частности, в
1 широкополосньм усилительных каскадах; радиопрнемньм и радиопередающих устройств.
Известны лампы бегущей волны (ЛБВ) со схемой формирования компенсационного сигнала, содержащее оптимизатор амплитудно-фазовых соотноше.ний для подавления побочных колеба- 1О ний f1) .
Однако в данном устройстве невоз-. можно осуществить полное подавление побочных колебаний в,широкой полосе частот. 15
Известен также СВЧ-усилитель с длительным взаимодействием, содержащий входную и выходную секции с замедляющей системой, между которыми расположен оптимизатор амплитудно- 2О фазовых соотношений j2$ .
В рассматриваемых в этом решении вариантах конструкции ЛБВ полигарионический сигнал формируется в входной секции усилителя, являющейся 25 участком ЛБВ, за счет нелинейности взаимодействия пучка с полем электромагнитной волны, затем амплитудно фазные соотношения между гармониками изменяются с помощью диснерсионных элементов, а оконечная секция прибора работает в режиме усиления полигармонического сигнала.
В усилителе первого варианта оптимизатор фазоамплитудных соотношений между гармоникаии сигнала представляет собой локальный поглотитель ЛБВ со специальными свойствами: малым затуханием на частоте второй гармоники и большим на первой.
Однако известные локальные погло- тители в .требуемых полосах усиливаемых частот такими свойствами не обла" дают. 45
В усилителях второго и третьего вариантов изменение фазо-амплитудных соотношений между гармониками сигнала осуществляют с помощью дисперсионных волноведущих линий, расположенных вне 50 прибора или внутри его, но не связанных с электронным пучком.
Однако. в такой конструкции невозможно удовлетворить фаэовым соотношениям между полем и сгруппирован- gg ным током яа основной частоте в широкой полосе частот, что уменьшает
;рабочую полосу прибора.
В усилителе четвертого варианта оптимизатор представляет собой отре зок дисперсионной замедляющей системы
ЛБВ, установленный между входным и выходным участками и согласованный с ним с помощью локальных поглотите-, лей. Подбор фазовых соотношений осуществляется изменением длины и величины дисперсии промежуточного отрезка замедляющей системы.
Недостатком известного устройства является то",что необходимо при широкой полосе пропускания СВЧ-сигнала (более октавы) иметь крутую
L дисперсию и малую длину промежуточ ного отрезка замедляющей системы.
Реализация этих требований на известных замедляющих системах за.руднена..Использование слабодисперсных систем требует увеличения их длины, что, в свою очередь, снижает эффек тивность способа, уменьшает полосу усиливаемых частот, увеличивает габариты прибора.
Кроме того, расчеты таких конструкций на ЭВМ показывают, что при преобразовании полигармонического
СВЧ-сигнапа в поле замедляющей системы либо абсолютный уровень второй гармоники получается недостаточ". ным для достижения максимального эффекта, либо участок преобразования необходимо располагать близко к выходу прибора, что вызывает уменьшение КПД и полосы усиливаемых частот.
Целью изобретения является расширение полосы усилнваемых частот, уменьшение уровня паразитных высших гармоник мощности, увеличение КПД в полосе усиливаемых частот..
Поставленная цель достигается тем, что в СВЧ-усилителе с длительным взаимодействием, имеющем входную и выходную секции с замедляющей системой, между которыми расположен onтимизатор амплитудно-фазовых соотношений, последний выполнен в виде усилителя волн пространственного заряда с пролетной секцией, выполненной в соответствии с соотношением
"В 7
L in+ М)
4lOc % где — длина пролетной секции, м; п 0,1,21
093 Cа К и 0,73
1128304
15
3 — удельный заряд электрона, Кл;
Ц вЂ” ускоряющее напряжение, В; (д, — круговая частота, соответствующая низкочастотному краю диапазона рад/с; с — параметр усиления Пирса;
0 — параметр пространственного заряда.
Причем пролетная секция может быть выполнена в виде трубки дрейфа длиной 1,.
При этом пролетная секция мажет быть выполнена в виде замедля. ющей системы, шаг которой меньше шага замедляющей системы входной и выходной секций.
" Кроме того, пролетная секция может содержать цилиндрическую металлическую втулку, закрепленную на . замедляющей системе.
На фиг. 1 показана схема усилителя; на. фиг. 2-Ь - варианты выполнения оптимизатора; на фиг. 7-12характеристики прибора.
Устройство содержит генератор 1 ,гармоник — входная аекция, оптими. затор 2 амплитудно-фазовых соотношений, выходную секцию — усилитель 3 полигармонического сигнала, усиитель 4 волн пространственного заряда, пролетную секцию 5 усилителя волн пространственного заряда, локальный поглотитель 6 (фиг. 1-6), На фиг. 3 и 4 изображены конструкции секции усилителя 4 волн пространственного заряда с входным и выходным устройствами 7 и 8, в которых пролетная секция выполнена в виде разрыва в замедляющей системе .определенной длины (фиг. 3), с введением большого затухания в локальном поглотителе, сжатием или. закорачиванием нескольких витков спирали (фиг. 4). Для повьппения эффективности работы пролетной секции на ее длине елесообразно увеличить значение сопровождаемого магнитного поля (фиг. 5), На фиг. 7 и 8 представлены зависимости амплитуд 3 гармоник тока
1Д. и фазового сдвига между ними Ь(, от длины участка дрейфа; на фиг. 9 изображены теоретические зависимости КПД
ЛБВ 17 и уровня второй, гармоники
Р /Р1 от длины участка дрейфа; на фиг. 10 и 11 даны экспериментальные зависимос-.и КПД и уровня второй гармоники Р /Р от частоты входного сиг нала 4 /f для ЛБВ с секцией усиления о волн пространственного заряда и без нее.
Поясним работу устройства.
Группированне электронного потока . в пролетной секции усилителя волн пространственного заряда наиболее просто провести на примере секции дрейфа. Как показывают расчеты, в секции дрейфа происходит увеличение как.относительного, так и абсолютного уровня высших гармонических составляющих сгруппированного тока при одновременном изменении фазовых соотношений между ними. Подбором параметров секции дрейфа можно добиться оптимальных для дальнейшего взаимодействия в выходной секции ампли тудных и фазовых соотношений.
Ф.
20 .. Длина пролетной секции выбирается из условий необходимого увеличения амплитуд высших гармонических составляющих при максимальном фазовом сдвиге между ними, что достигается при значениях К=0,3-0,7; при этом обеспечиваются максимальные значения
КПД и минимальный уровень высших гармонических составляющих (фиг. 9) .
В предложенных конструкциях оп30 тимизатора амплитудно-фазовых соотношений достигается значительное (до 10 дБ и более) увеличение абсолютного уровня высших гармоник, что позволяет располагать оптимизатор достаточно далеко от выхода прибора, размещая его на участке расположения локального поглотителя.
Кроме того, пролетная секция обладает. слабой дисперсией волн
4р пространственного заряда,-что позволяет реализовывать сверхширокополосиые усилители.
Преимуществом предложенного усилителя СВЧ с длительным взаимодейст45 вием является простота его реализа-.: ции, не гребующая разработки новых технологических и конструктивных приемов или создания специальных замедl ляющих систем.
При экспериментальной апробации предлагаемое устройство (СВЧ-усилитель с длительным взаимодействием, включающий секцию усиления волн пространственного заряда) позволило уве- личить минимальный КПД более, чем в 1,5 раза, расширить полосу усиливаемых частот до двух октав, снизить
1128304 максимальный уровень второй гармо" йики до -1О дБ (на 6-7 дБ), Использование изобретения не ис-. ключает применения других средств улучшения энергетических характеристик усилителеи, в частности в приборах со скачками фазовой скорости и фазы поля в выходной секции замедля ющей системы, эффективность использования секции усиления волн пространственного заряда также велика, что подтверждают результаты эксперимента.
) 128304
-10
-15 фиг.Я
Ю 5 zp 25, ЗЯ 35 7/у, Фиа18 Составитель Н. Логутко Редактор А. Шиикина Техред А.Ач. . Корректор О. Билак: Тирам 682 Поднисное Заказ 9072/39 ВНИИПИ Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная, 4
