Генератор дифракционного излучения

 

1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГХ ) ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий открытый резонатор, вьтолненный в виде коаксиально расположенных внешнего цилиндричес .кого и внутреннего зеркал, цилиндрическую периодическую систему , расположенную на внутренней поверхности цилиндрического зеркала, кольцевую электронно-оптическую систему исистему связи выводного канала с открытым резонатором, О тличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и обеспечения разрежения спектра генерируемых колебаний, поверхность внутреннего зеркала выполнена в виде усеченного конуса в соответствии со следующими соотношениями а. а. Y u,VY--U2. где А и 4- - нижняя и верхняя границы области существования колебаний на внутреннем коническом зеркале открытого резонатора , лежащие в интервале значений 0,,0,55, 0,,75; b - радиус внешнего цилиндрического зеркала; (Л а, , соответственно минкмэльный и максимальньй радиусы рабочей поверхности внутреннего зеркала . 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что периодическая система выполнена полупрозрач ной, выводной канал выполнен в ви де конического зеркала, расположенОд ного коаксиально цилиндрическому зеркалу снаружи него над системой свя зи, вьтолненной в стенке цилиндрического зеркала.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК эбв Н 01 J 15/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И О 1МРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3535934/24-21 (22) 10.01.83 (46) 15.12.84. Бюл. Ф 46 (72) Г.И. Ежов, А.А. Кураев, Е.И. Нефедов, А.Я. Слепян и Г.Я. Слепян (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР им.В.И.Ленина (53) 621.385.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 195557, кл. Н 01 J 25/00, 1967 °

2. Авторское свидетельство СССР

У 472598, кл. Н 01 J 23/24, 1976 (прототип). (54)(57) 1. ГЕНЕРАТОР ДИФРАКЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий открытый резонатор, 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 шийся тем, что, с целью упрощения конструкции и обеспечения разрежения спектра генери..SUÄÄ 1129670 А руемых колебаний, поверхность внутреннего зеркала выполнена в виде усеченного конуса в соответствии со следующими соотношениями

9< а2 — =6. — =6

2 р где и b — нижняя и верхняя гра2 ницы области существования колебаний на внутреннем коническом зеркале открытого резонатора, лежащие в интервале значений

0,3с А,(0,55, 0,65< dqc0,75; радиус внешнего цилин- g дрического зеркала;

0,,0 - соответственно минимальный и максимальный радиусы рабочей поверхности внутреннего зеркала.

2. Генератор по и. 1, о т л ич а ю шийся тем, что периодичес- В < кая система выполнена полупрозрач- экий ной, выводной канал выполнен в ви- фф де конического зеркала, расположен- ф ного коаксиально цилиндрическому зер- а калу снаружи него над системой связи, выполненной в стенке цилиндрического зеркала.

1129670

15 кала.

Периодическая структара может быть выполнена полупрозрачной, выводной канал — в виде конического зеркала, расположенного коаксиально цилиндрическому зеркалу снаружи него 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 поперечных собственных чисел Xmn магнитных волн Harm для ряда значений, в зависимости от S - "0!/ b — отношения текущего радиуса внутреннего коНического зеркала к радиусу внешнего зеркала открытого резонатора.

Изобретение относится к электронике СВЧ миллиметрового диапазона, в частности к СВЧ генераторам с открытым резонатором.

Известен генератор дифракционного излучения (ГДИ), содержащий открытый резонатор (ОР), образованный сферическим и плоским зеркалами, периодическую структуру в виде дифракционной решетки, нане- 10 сенной 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 изобретению по технической сущности является генератор дифракционного излучения, содержащий открытый резонатор, выполненный.в виде коаксиально расположенных ьнешенго цилиндрического и внутреннего зеркал, цилиндрическую периодическую систему, расйоложенную на внутренней поверхности цилиндрического зеркала, кольцевую электронно-оптическую систему и систему связи выводного канала с Открытым резонатором, причем пушка и коллектор электронно-оптической системы размещены у краев периодической структуры (2).

Недостатки известного устройства заключаются в сложности конструкции и недостаточной разреженности спектра генерируемых колебаний.

Цель изобретения — упрощение конструкции и разрежение спектра ге- 40 нерируемых колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что в генераторе дифракционного излучения, содержащем Открытый резонатор, выполненный в виде ко- 45 аксиально расположенных внешнего цилиндрического и внутреннего зеркал, цилиндрическую периодическую систему, расположеннуй на внутренней поверхИОсти цилиндрического зepKcUIB у» кольцевую электронно-оптическую систему и систему связи выводного канала с открытым резонатором, поверхность внутреннего зеркала выполнена в виде усеченного конуса в соответствии со следующими соотношениями где Д и ф — нижняя и верхняя гра! 2 ницы области существования колебаний на внутреннем коническом зеркале открытого резонатора, лежащего в интервале значений

О,3 6!<0,55, 0,65(hz(0,75; — радиус внешнего цилиндрического зеркала; д„п — 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, внешнее 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.

3 11

Согласно втораму варианту(1 иг. 2) периодическая система 5 выполнена полупрозрачной, выводной канал 6 в виде конического кольцевого зеркала, система 7 связи — в зеркале I.

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 излученияэлектронный 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 систе29670 4 мы 5 меньше длины волны собственного колебания открытого резонатора

ГДИ, образованного зеркалами 1 и 2, то окало периодической структуры распространяются пространственные гармоники этого колебания, имеющие фазовые скорости меньше скорости света и экспоненциально убываюшие па амплитуде при удалении от поверх1О ности периодической системы 5. При скорости электронов в потоке 9, близкой к фазавой скорости одной из пространственных гармоник, происходит эффективное взаимодействие элект15 ранного пучка с высокочастотным полем открытого резонатора, При токе электронного потока 9, прерывающем пусковое значение, система электронный латок — резонатор — периодическая система самовазбуждается и генерирует высокочастотные электромагнитные колебания, а электронный пучок оседает на кольцевом коллекторе 4. Возбуждение электромагнитно25 rn колебания из пространства открытого резонатора через систему 7 связи выводится в выводной канал 6.

Режим бегущей волны в выводном канале 6 обеспечивается с помощью настроечного поршня 8.

ГЦИ по второму варианту (фиг,2) рабатлет аналогично, только возникшие высокочастотные колебания в открытом резонаторе ГДИ выводятся из

ГДИ 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 X магнитных волн Н„,д в простмп ранстве между зеркалами 1 и 2, обра45 зующих открытый резонатор ГДИ, описывается дисперсионным уравнением

3 (х „1 hI (х )3 (x „g й„„(x „) 0 — функции Бесселя

1-ro рода и Неймана; знак (I) означает производную от функций Д„„, Ц от их аргумента;

=О, 1,2..., — азимутальный индекс (па координате V) и =2,2,..., 4= а/

1129 — радиальный индекс (по координате г ); — поперечные собственные числа магнитных волн Н „; 5 — отношение текущего радиуса внутреннего конического зеркала к радиусу внешнего зеркала открытого резонатора.

Численное решение этого уравнения представлено на фиг. 3. Характерный провал, имеющий место при 15

41«А 4 4, является рабочим участком

ГДИ, а колебания справа и слева от этой области не возбуждаются, Магнитные волны Н,1 в области 4, «4 ««4 пn !«2 обладают падающим участком, харак- «0 терным для приграничных магнитных волн, и растущим участком, характерным для объемных магнитных волн. Такие комбинированные волны, таким образом, имеют критические сечения (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- 30 режение спектра приграничных магнитных колебаний слева от границы 41 и справа от границы 4 . В первом приближении по степени разреженности спектра можно считать, что спектр магнитных колебаний в диапазоне

g ад Ь примерно равен спектру при--:

« граничных колебаний: одно колебание в октавной полосе частот. Величины

41=a„ / b и 4 = a /Ь, определяющие 40

/ нижнюю и верхнюю границы области существования колебаний в ГДИ, находятся из численного решения. приведенного уравнения, графически представенного на фиг. 3 ° 45

Пусть для заданных значений длина волны в вакууме ф и о — поперечное собственное число, равное

13,75, то значения д и 61 будут определены пересечением прямой, про- So веденной из точки 13,75, параллельно горизонтальной оси, они равны

41 0,5 и Ар = 0,65, откуда нахо670

6 дятся Q 1v 0g . Магнитные волны, последовательно переотражаясь между критическими сечениями, проходящими через радиусы Q, и 0<, формируют рабочее поле ГДИ в виде магнитных волн

Н „„, 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 g, и 0<) выбирается равной нескольким длинам волн рабочей частоты.

Тепловые потери (добротные свой-. ства) резонатора ГДИ будем характеризовать приближенным частотнозанисимым параметрам

<ср4

4ср где h,ñp среднее по длине резонатора значение 4 Л я колебания Н113Р опенка дает значение = 12 (4 „=0,5), в то время как для приграничного колебания Н,, д,1,5, а для приграничного колебания н13 р 6 = 4,4, е.

11,, р в предложенном ГДИ; работающем на магнитных колебаниях Н „р, добротность открытого резонатора существенно больше, чем в ГДИ, работающем на приграничном типе магнитных колебаний Нщ„, при сохранении высокой разреженности спектра последних.

Злектрические типы колебаний в таком ГДИ не возникают и спектр генерируемых колебаний не искажают.

Приведенные оценки омической добротности показывают, что при работе на колебаниях и = 3 добротность рабочего типа колебаний возрастает примерно на порядок. Зто ведет к резкому сужению ширины линии генерации и, как следствие, к повышению электронного КПД (электронный поток блоее эффективно взаимодействует с полем рабочего типа колебаний), так и общего КПД предлагаемого ГДИ, а стало быть, и к увеличе- ° нию выходной мощности.

1129670

1129670

112967() 0,Я о ог ою

Рие. Ю

РедактоР М. Келемеш ТехРед З,Палий

Корректор М. Розман

Заказ 9458/42

Тираж 682 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г ° Ужгород, ул. Проектная, 4