Варактор на основе магнетронного диода

 

Использование: в вакуумной электронике большой мощности, а также в радиотехнических системах, содержащих управляемые реактивные элементы. Сущность изобретения: варактор большой мощности выполнен в виде обращенного диода, а для уменьшения мощности накала катода он выполнен в виде сетки с проницаемостью от 0,01 до 0,05 и коэффициентом заполнения от 0,01 до 0,05. 1 ил.

Изобретение относится к вакуумной электронике большой мощности и может быть использовано в радиотехнических системах, содержащих управляемые реактивные элементы. В частности, предлагаемый вариатор может быть применен в технике ускорителей заряженных частиц для безынерционной перестройки частоты ускоряющих резонаторов.

В настоящее время в радиотехнических системах применяются управляемые реактивные элементы с использованием ферритов, изменение характеристик которых приводит к изменению эквивалентной индуктивности. Применение ферритов для перестройки частоты ускоряющих резонаторов [1] в современных ускорителях заряженных частиц связано с трудностями как в охлаждении, обусловленными низкой теплопроводностью ферритов, так и ограничениями в скорости перестройки частоты из-за возрастания вихревых токов в элементах конструкции.

Известен варактор магнетронного типа, механизм работы которого основан на использовании реактивных свойств магнетронного диода в режиме отсечки [2] При ограничении эмиссии катода пространственным зарядом заряд на поверхности анода равен по величине заряду электронного облака. Отношение этого заряда к анодному напряжению, т.е. скорость магнетронного диода, существенно зависит от отношения анодного напряжения к критическому. Благодаря этому она может управляться как постоянной составляющей анодного напряжения, так и напряженностью магнитного поля. На частотах ω << eB/m, где е и m заряд и масса электрона соответственно; В индукция внешнего магнитного поля, высокочастотные потери в приборе малы, и его добротность в диапазоне частот от единиц до сотен мегагерц может достигать несколько тысяч, если напряженность магнитного поля равна нескольким сотням эрстед. Переменная составляющая ограничена критическим анодным напряжением варактора и может быть доведена до сотен киловольт. Переменная величина электронной перестройки емкости варактора равна 1,5 2 величины его холодной емкости и вполне достаточна для большинства устройств, в которых требуется мощная управляемая реактивность. Таким образом, варактор [2] представляет несомненный интерес для радиотехники большой мощности.

Однако он имеет весьма существенные недостатки.

Для накала катода варактора требуется большая мощность, сопоставимая с мощностью перестраиваемого генератора. Это обусловлено следующими причинами. Ток эмиссии катода варактора должен превышать переменную составляющую высокочастотного тока. Но эффективность эмиттеров, пригодных для работы при напряжениях порядка сотен киловольт, не превышает 0,02 А˙Вт мощности накала. Поэтому даже при высокочастотном напряжении порядка 100 кВ мощность накала должна быть не менее нескольких сотых процента от реактивной мощности. Следовательно, при добротности выходного контура перестраиваемого генератора Q 1000 мощность источника накала должна быть близка к мощности генератора. Велики габариты и вес варактора. Соленоид варактора потребляет мощность порядка киловатта на 100 пФ перестраиваемой емкости и требует принудительного охлаждения.

Изобретение имеет целью снижение габаритов и веса варактора, уменьшение мощности, потребляемой соленоидом, и уменьшение мощности накала на порядок при той же реактивной мощности. Цель осуществляется путем следующих изменений конструкции варактора. Варактор выполняется на основе обращенного магнетронного диода, т.е. магнетронного диода, катод которого располагается на внутренней стороне внешнего цилиндра прибора, а анод внутри катодного цилиндра. Это позволяет уменьшить поперечные размеры прибора без увеличения магнитного поля при сохранении емкости прибора на единицу длины, максимального анодного напряжения и реактивной мощности. Сохранение емкости на единицу длины обеспечивается при сохранении величины отношения κ радиуса внешнего цилиндра r_e к радиусу внутреннего r_i ( κ= r_e/r_i). При том же анодном напряжении, что и у варактора-прототипа, и критическом магнитном поле радиус катодного цилиндра обращенного варактора может быть уменьшен в κ раз. Это следует из выражения для критического магнитного поля обычного и обращенного магнетронных диодов: B_кр= обычный магнетронный диод B_кр= обращенный магнетронный диод где В_кр критическая магнитная индукция; U_a анодное напряжение; r_a1 радиус анода в обычном магнетронном диоде; r_a2 радиус анода в обращенном магнетронном диоде.

Очевидно, что при одинаковом U_a и В_кр r_a2 r_a1/ κ².

Следовательно, радиус катода предлагаемого варактора меньше радиуса анода варактора-прототипа в κ раз, если в обычном и обращенном варакторах одинаковая емкость на единицу длины, анодное напряжение и магнитное поле. Поскольку в предлагаемом варакторе, как и в варакторе-прототипе, максимальная переменная составляющая анодного напряжения определяется критическим анодным напряжением, она имеет такую же величину, что и в варакторе-прототипе. Следовательно, одинаковы и максимальные значения реактивной мощности на единицу длины. Уменьшение поперечных размеров варактора позволяет уменьшить и диаметр соленоида, т.е. в конечном счете, уменьшить мощность источника питания соленоида, так как число ампер-витков на единицу длины варактора не изменяется.

С целью уменьшения мощности источника тока накала катод выполняется в виде прямонакальной эквидистантной сетки, расположенной вблизи внутренней поверхности внешнего цилиндра и изолированной от него. Соседние прутики сеточного катода располагаются на расстоянии друг от друга, не превышающем расстояние от внешнего цилиндра, чтобы в подавляющей части пространства между катодом и внешним цилиндром электрическое поле было практически однородным и проницаемость сетки катода была не более нескольких сотых. Коэффициент заполнения сеточного катода не должен превышать нескольких процентов.

Предлагаемая конструкция обеспечивает необходимую величину пространственного заряда в промежутке катод анод при токе эмиссии катода, значительно меньшем, чем переменный ток варактора. Это достигается благодаря тому, что в рабочем режиме при отрицательном напряжении на катоде по отношению к внешнему цилиндру между внешним цилиндром и катодом образуется магнетронный диод, электронное облако которого является дополнительным источником электронов для пространства между катодом и анодом. В режиме ограничения тока эмиссии катода пространственным зарядом плотность электронного облака в этом квазиплоском диоде близка к бриллюэновской, т.е. к той, которая устанавливается в магнетронном диоде между анодом и катодом вблизи последнего в режиме ограничения тока пространственным зарядом при наличии сплошного эмиттирующего катода. Как известно, для поддержания режима с током, ограниченным пространственным зарядом, в магнетронном диоде в режиме отсечки ток эмиссии катода должен быть больше, чем ток электронной бомбардировки катода. В предлагаемой конструкции поверхность катода в десятки раз меньше, чем в магнетроне со сплошным катодом. Поэтому и ток обратной бомбардировки катода в этой конструкции в десятки раз меньше, чем в магнетроне со сплошным катодом. Соответственно в десятки раз меньше и эмиссионная способность катода, которая требуется для поддержания режима ограничения тока пространственным зарядом в предлагаемом варакторе. То же самое имеет место и в динамическом режиме. В положительный полупериод переменного напряжения электроны из пространства между внешним цилиндром и катодом поступают в пространство между катодом и анодом, а в отрицательный полупериод возвращаются обратно. Уходит из межэлектродного пространства только часть потока электронов, которая меньше всего тока в число раз, примерно равное коэффициенту заполнения поверхности катода. Таким образом, для поддержания режима с током, ограниченным пространственным зарядом, в предлагаемом варакторе отношение тока эмиссии к переменной составляющей тока варактора может не превышать коэффициента заполнения сетчатого катода. Иными словами эмиссионная способность катода может быть в десятки раз меньше, чем переменная составляющая тока варактора. Это обуславливается наличием резервуара электронов, магнетронного диода между катодом и внешним электродом. Он поставляет электроны в пространство катод анод варактора в положительный полупериод переменного напряжения и принимает их "на хранение" в отрицательный полупериод. Для нормального функционирования этого механизма необходимо, чтобы объем пространства между сетчатым катодом и внешним электродом был больше переменной составляющей объема части пространства между катодной сеткой и анодом, занятой электронами. Расчеты показывают, что толщина кольца, в котором периодически появляется и исчезает электронный поток, в практически возможных режимах не превышает радиуса анода. Таким образом, расстояние между катодом и внешним цилиндром не должно значительно превышать r_a/ κ.

Предлагаемая конструкция варактора, как очевидно из вышеизложенного, сохраняет принцип работы варактора. Однако функцию катода в предлагаемом варианте выполняет поверхность сетчатого катода. Она поставляет электроны в пространство анод катод как за счет эмиссии из сетчатого катода, так и за счет потока электронов из магнетронного диода между катодом и внешним электродом. Поток электронов из пространства анод катод также состоит не только из электронов, возвращающихся на катод, но и электронов, возвращающихся в магнетронный диод между катодом и внешним электродом. При этом потенциал на поверхности сетчатого катода мал по срав- нению с потенциалом анода. Действительно в пространстве между внешним электродом и сетчатым катодом переменная составляющая потенциала равна Q C₁^-1, где C₁ емкость между внешним электродом и анодом. Эффективный потенциал, создаваемый полем в этом пространстве на поверхности сетчатого катода, таким образом, не превышает Q C₁^-1 D₁, где D проницаемость катода сетки. Переменная составляющая потенциала в пространстве катод анод равна Q C_e^-1, где C_e электронная емкость диода между сеткой и катодом на порядок меньше С₁ при указанных выше параметрах прибора, и D < 10^-2. Таким образом, эффективная переменная составляющая потенциала на поверхности катода сетки примерно на три порядка меньше, чем переменная составляющая напряжения на аноде. Следовательно, с точностью порядка 10^-3 эффективный потенциал этой поверхности равен нулю. Максимальная переменная составляющая потока электронов через поверхность катода сетки I больше, чем ΔrS<N>ωΩ_н²ε m/e, где S площадь катодной поверхности; ω частота ВЧ-генератора; Ω_н ларморовская частота (например, при Н 200 В, ω 10³, Δ r 1 см, S 0,3 м² и I > 400 А). Ток эмиссии, необходимый для реализации заданной величины I по крайней мере на порядок меньше, чем в варакторе со сплошным катодом. Соответственно, на порядок меньше и мощность накала.

На чертеже изображен варактор большой мощности, где 1 анод, 2 внешний цилиндр, 3 катодный цилиндр-сетка.

Формула изобретения

ВАРАКТОР НА ОСНОВЕ МАГНЕТРОННОГО ДИОДА, отличающийся тем, что он выполнен в виде обращенного диода, а катод выполнен в виде сетки с проницаемостью D 0,01 0,05 и коэффициентом заполнения 0,01 0,05.

РИСУНКИ

Рисунок 1