Многорядная замедляющая система штыревого типа

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСНУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 3771014/21 (22) 17.07.84 (46) 15.11.93 Бюл. Йв 41-42 (71) Научно-исследовательский институт механики и физики Саратовского государственного универ(о) SU ап И6ИБ А1 (ЯЦ5 61333 24

2 ситета

P2) Шиндялина Н.Б (54) МНОГОРЯДНАЯ ЗАЫЕДДЯВЩАЯ СИСТЕМА ЩТЫРЕВОГО ТИПА

P с, Изобретение относится к области констру::.рования приборов и устройств СВЧ, В чаСтНОСтИ К МНОГОРЯДНЫМ ЗаМЕДЛЯЮЩИМ СИстемам (ЗС), находящим применение в приборах СВЧ типа ламп, бегущей волны и ламп

Обратной волны.

Цель изобретения — подавление паразитных колебаний в широком диапазоне частот, Данное изобретение позволяет также сохранить параметры рабочего типа волны без существенных усложнений конструкции и нарушений области пространства взаимодействия.

На фиг. 1 изображена плтирядная встречно-штыревая замедляющая система в разрезе, в плоскости, перпендикулярной штырям 1, Ограниченная двумя стенками 2; на фиг. 2 приведено поперечн(ое распред . ЛЕНИЕ ЗЛЕКтрИЧЕСКОГО.ПОЛЯ EZm (Е (EZm — значение поодольной компоненты поля в точках х; Ei — амплитуда поля) 0GHQBHorо и высших типов волн в пятирядной замедляющей системе с разным расположением ограничивающих стенок на фи" 3 поиведен"зависимость коэффициентов усреднения квадрата поля типОВ ВОлн многорядной си" стемы бх-. О г попеРечного сдвига фазь поля межд!I рядами у) Я1 н.. фи г, пострОена зависимость коэффкцие! та

r под.,влсн..я r,„- 3,;i.:„, .««,(для r.„TB

РОГО И 1 РЕТЬЕГО ТИПОВ ВОЛНb! ПЯТИРЯДНО!I замедляющей- системы.

Додавлвние пзразитных колебаний, соОтветствующих Высшим типам волн, В дан ной многорядной замедляющей системе . штыревого типа объясняется тем с4актом, что изменение расположения ограничивающих стенок сугцественно изменяет поперечное распределение поля и соответственно усредненн чо Величину его для различных типов волн. Подбирая это положение, можно добиться значительного снижения усредненного поля высших типов воли по отношению к основному и тем самым снизить эффективность возбуждения их В СВЧприборе.

Влияние расположения Ограничивающих стенок на поперечное распределение поля различных типов волн (rn = 1, 2, 3) пятирядной системы штыревого типа проиллюстрировано .На фиг, 2 (расположение рядов и стенок дано схематично). Кривые

РаСПРЕДЕЛЕНИЯ РаССЧИтаны ПО фОРМУЛаМ, полученным в предложении, так., что потенциалы поля на штырях в направлении оси х изменяются по синусоидальному закону с фазовым сдвигом фm между рядами, зависящим для данной замедляющей системы от расстояния Р между крайним рядом и стенкой. Пунктирные линии соответствуют случаю расположения стенок в плоскостях

5 симметрии системы (Р = ), сплошные—

1 случаю, когда Р = 5A, VBx вид«но из фиг,2, поперечное распределение поля в многорядной системе носит сложный характер, поэтому при определении эффективности

1I3 взаимодействия его с электронным пучком, характеризующей также и эффективность возбуждения данного типа Волны, необходимо усреднять зна «ение поля по оси х.

Исследование зависимости коэффици15 ента усреднения квадрата поля высших типов Волн системы с различным числом рядов

От фаэОВОГО СДВИГа «P m ОПРЕДЕЛЯЕМОГО ВЕличиной Р;

J„E,,„(х) d x xm

Д М I=,(< )<

-показало наличие Областей rnav u min на

25 кривых д xm(9;- ) (см.фиг,З).

Воли чина ф„, может быть Определена либо экспериментально -- по двум значени м квадрата поля, иэмеренн6;м В разных точках х«и х; между рядами, или на основаВ нии упрощаю цего предположения, что В наи:1авлении оси х между ограничивающими стенками при произвольном расстоянии Р укладывает» " :елсп число Вд иавий поля, СООТВЕТСТВ ЧОЩИ> И1-;ДЕ;:;GУ ТИПа ВОЛНЫ П«(КВК

З5 и в случае расположения стенок в плоско1/, стях симметрии с«GTBI «bI при Р =- — "), тогда (4О <" " " "" 3:",7й5 i + (1 — <

Таким Образом, располагая Ограничивающие стенки на расстоянии Р, соответствуЮЩЕМ %In д xm ДОЯ ДВННОГО Bb!GNPro ТИПа волны, можно добиться снижения эффективности его возбуждения В СВч-приборе.

Необходимо так>ке отметить, что величина ф п1 не зависит от частоты, и снижение уровня поля Высшего типа волны за счет подбора положения стенок Осуществляется во всей полосе частот данного 1ипа волны, т.е, в отличие от прототипа В данном случае подавление парзэитных колебаний широкоп.олоснО, Для Определения ф „min, соответствующего минимальным значениям коэффициента ускорения 6

1256595 исследовать их на min. Подобные выкладки довольно громоздки ввиду сложности выражений E2m/x/Å и соответственно д xm поэтому для определения Qm min использовался более простой подход. Было уста- 5 новлено, что при усреднении дискретных величин Е .— амплИтуд поля над штыряk) ми, где к - 1,2,...,N — номер ряда, и при усреднении поля по,непрерывной координате х полажение.miri коэффициента усред- 10 нения сохрaняeтся неизменным.

Следовательно, gm min можно определить .из боле простого выражения — коэффициен та усреднения амплитуд поля над штырями (о}, 15

1 у )2

3 zt фэ п Ь = — —.

2 N

Как видно из уравнения (5), расстояние Р в

35 данном устройстве определяется числом ря, дов и расстоянием между нйми, частотной зависимости нет.

Следует ограничить количество рядов в пределах 3 N 8. При N < 3 (N = 2)

40 рассмотренный механизм подавления высших типов волн не работает, т.к, паразитный тип. (m = 2) не имеет экстремальной области тЫ на зависимости д х2 (ф 2 ) При больших Й(И > 8), как показывает сравнение

45 с экспериментом у,ращение, допущенное выше при определении оптимального расстояния Р, оказывается слишком грубым.

Это объясняется тем, что при больших N оптимальное значение P (Р = 0,5ЧЧ (N+1)

0 значительно возрастает по сравнению с Р =

В соответствии с выражением (3) уравнение для определения . tPmmin имеет вид:

Nng йф =ctg tPm, (4) Обычно используемые в СВ".-приборах повышенной мощности многорядные. штыревые замедляющие системы содержат 3-6 рядов, Из рассмотрения зависимости д xm(фп} в случае систем с оазным.чис. лом рядов (пример для пятирядной штыревой системы дан на фиг.3) можно отметить, что коэффициент -усреднения поля основного типа волны (m =. 1) расчет с уменьшением поперечного фазового сдвига ф m (что соответствует отделению стенок от крайних рядов), для второго типа (m = 2) вначале растет, затем сйадает, для третьего типа (а =

= 3) зависимость д xm(gm} имеет max и min,, для более высоких m max u min чередуются.

Расчет коэффициента усреднения (выражение д xm приведено ниже) для пятирядной системы при 0,5 W/i = 0,577 показал, что при расположении стенок на расстоянии . Р/0,5W 6, соответствующем min д хз (третьего типа) и ф з = 0,3, величина д хз = 0,132, что в 2,2 раза меньше коэффициента усреднения основного типа (дх = 0,295). Если сравнить эти величины со случаем расположения стенок в плоскости симметрии (Р

0.5W. ф э = — л), где д х1/д хз - 1,2, -о вйдно

3 существенное увеличение подавления третьеготипа волны в предложенномслучае (Р/0,5ЧЧ = 5).

Типы волн с номерами m > 3 отдалены по частоте от рабочего диапазона и не представляют опасности при работе прибора, поэтому положение ограничивающих стенок относительно крайних рядов штырей выбирается из условия оптимального подавления второго и третьего типа волн, ближайших к основному. Учитывая, чTО коэффициент усреднения поля второго типа волны уменьшается с отдалением стенок от крайних рядов, а для третьего типа при определенном расстоянии Р между стенками и рядами, соответствующими gm min, имеется минимум t3», то для снижения относительного уровня полей высших типов волн, ближайших к основному, предлагается располагать стенки в положении, сооТэетствующем минимуму поля третьего типа волны, Величина gmmin npum =3 определяется из уравнения (4):

С учетом зависимости расстояния Р от поперечного фазового. сдвига фи, - (2) получают простое соотношение для определения расположения ограничивающих стенок по геометрическим параметрам замедляющей системы:

Р =0,5(N+1) W. (5) 0,5W, соответствует случаю,. когда стенки лежат в плоскости симметрии замедляющей системы и выполняется строго синусоидальное распределение амплитуд поля по рядам в поперечном направлении. Это приводит к существенному отличию распределения поля от синусоидального с целым числом вариаций между. стенками, т.е..нарушению

1256595 фициента подавления r> на величину не более чем 10 для совокупности двух высших типов волн m = 2,3, ближайших к основному, что вызвано необходимостью создания за5 медляющих систем с низким уровнем палей высших типОВ Волн.для шиаакапаласных

СВЧ-приборов повышенной мощности.

С целью обоснования выбранных пределов изменения величины Р приводится

10 таблица расчетных зна:".íèé коэффициента подавления rm (д} и его изменений

15 для 2 -го и 3 ro типов волн многорядных систем (К = 3.4;5,6,7Я 0,5W/I = О,:::-77, p= 10/12л ) при различных смещениях ограничивающих стенок из положения, 20 СаатВЕТСТВу ащЕГО mirI д х, (СМ,табЛИцу). )десь д параметр, характеризующий из менение Р. Он апределяетсл как относительное изменение фазаваro угла ф, зависящего сТ Р (па отношению к фазе (P щз Nlfl — O,„э 71 ITI! N cooTBBTcTBvioLLIBA гтнп д хз и равен

Stn mN - \.) CaLàÑ

2é

3Li

Данный параматp корм»рован к Гь 0н е зависит ат номера типа волны» более удобен, чегл ф щ, для свЯзи с конструктивным параметром P. за:,-»с»масть дат Р можно получить на основан»и выражения (2):

4 N QÜlI "P

1<- Как видна из таблицы, при смещении ограничивающих стенок из аптимальнага положения Р = 0,5(hi+1)W (соответствует д =- О) в сторону увеличения Р (д > О) величина коэффициента подавления т второго типа вазра4 стает (Ь г2 > О}, а в остальных случаях: гп = 2, Р

<О(д< -О)игл=-З,р 0(д О)rIII

< < уменьшается (ArIII < О), Кз анализа табличных данных r I a изменению казффициента падавле0 ния второго и третьего т»пов волн с учетам максимальна допустимой величины уменьи ения коэффициента подавления br порядка 1О границы изменения д для совокупности типов волн m =-- 2 и гл = 3 составляют, -0,08 д:- + 0,15.

+ ать,„. rh 2 a — 1 . вй 2а

Здесь 0 — продольный периОД ЗС, 5 ф- фазовый сдвиг поля на периоде 0, График зависимости коэффициента по-. давления г (фл,) д x /ä х п для второго и третьего типов волны пятирядной системы с

0,5Wil 0 =0,577 приведен на фиг.4. Кривая для 5

m = 3 имеет острый max в области ф з =- 0,5, что соответствует 2PIW - 6.

Допустимые пределы изменения величины Р выбраны из условия снижения козфупрощающих предположений и росту погрешности в определении р.

Однако количество рядов:в многорядных.замедляющих системах обычно не пре. вышает 8, т,к. эффективность повышения мощности СВЧ-прибора при дальнейшем увеличении N снижается и усложнение конструкции не оправдано.

Пределы допустимых изменений Величины Р, в которых работает предложенное устройство, Выбраны иэ условия, чта максимальное снижение коэффициента подавления r :86IÑøèÕ типав волн п1 = 2 и m = 3, определяемого как отношение козффициентОВ д Х1/д хщ (ОснОВнога и Высших fA = 2,3}, порядка 10 .

Для обоснования пределоь измерения

Р был проведен расчет коэффициента д х1/д xп1 с использованием выражения для коэффициента усреднения квадрата поля mro типа волны многорядной штыревой системы с произвольным расположением ограни »вающих стенок:

)+

"i;2Q — COS" III, СО ЩСЬ2(Х-".1 (sl 2ф — зЬ2 -Р— а) -2a), 1 СЬ2а-соs а

Axe = —.(.; +

2 2а — 3!1а а = р - 5//О P = р Р/О . д —. j — ф,л, ((0 5 .г п1 ) Г,„ }

0,5

1:-+ Г цс,я2 р7л — 1 т

На основании полученных величин можно вычислить границы допустимых изменений расстояния Р, уч»тывая приведенную i0 выше зависимость д (P) и проводя дифференцирование:

Д(Р)/Д(д) =вW(a +

+(1/И) -(2 Р/й/ — 1)32.

В точке оптимального значения Р0,5(И+ А/ имеют:

Следовательно при отклонении д от оптимальной величины д - О в пределах—

0,08 . а д « + 0,16 величина Р изменяется в пределах:

0,5 (Й + 3 ) Nf — 0,8 Й 8/ < Р == 0,5(N+ 3.) W+,16N××.

Таким образом, зто расстояние между крайними рядами штырей и стенками обеспечивает подавление высоких типов волн в многорядной, замедляющей системе.

10 (56) Авторское свидетельство СССР

М 3 348059, кл. Н 01 3 23/24, 16,08.83.

Андрушко Л.M. Экспериментальное исследование двумерно-периодической за15 медляющей системе типа "встречные пластины". Сборник. Вопросы электросвязи, Киев, Технйкэ, 1970, с. 141-345.. Продолжение таблицы д =+0,2 д =+0,24

rm arm, Arm, Лг, rm

+3,3, 2,895

2 213

2;663 .

2 425 + 44,4

3,165

2 083

+58

-102

-23

+ 42,6

2,715

2,009

+ 31;5

2,504

2 186

2,962

1,913

-97

-17

2,615

2,413

2,091

2,851

- 15,2

1,862

-20

+ 47,6:.- 14,5

+ 30,7

2,357

2 044

2,552 1,924

2,781

1,83

-19

-92

2,318 . 1,983

2.,51

1,904

+ 30,6

-9;0

2,734

1,815

41,4

+ 54

-14

+ 30;5

-88

2:,29 .

1,997. 2,479 .

1 841

2.699

-17

-135 . 1816

Формула изобретения

МНОГОРЯДНАЯ ЗАМЕДЛЯ!ОЩАЯ СИСТЕМА ШТЫРЕВОГО ТИПА; содержащая . равноотстоящие один от другого ряды атырвй и ограниченная в пойервчнои направлении стенками, отлйчающаяся тем, что, с целью подавления парааитных KOEle".

Продолжение таблицы баний в широком диапазоне частот, крайние ряды расположены от стенок на расстоянии Р, определяемом выражением

0.5 (й + 1)W - 0,08 МВ/. Р 0,5(N +, +1)МЧ+ 0;16ИМ(, где N-число рядов, причем 3 N 8;

Nf - расстояние между рядами.

1256595

Заказ 3241

Тираж Подписное

НПО "Поиск"- Роспатента

113035, Москва, Ж.З5. Раушская наб;, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель Н.Логутко

Редактор Т.К)рчикова Техред М.Моргентал Корректор С,Патрушева