Замедляющая система для электронных приборов типа "о" диапазонов свч и квч

 

Использование: в технике и электронике сверхвысоких и крайне высоких частот (СВЧ и КВЧ). Сущность изобретения заключается в том, что в каждый резонатор замедляющей системы типа цепочки связанных призматических резонаторов введен поперечный стержень длиной h = 3/4λ,, где λ - рабочая длина волны ЗС, закрепленный одним концом на крышке резонаторов и имеющий отверстие для прохождения электронного потока на свободном конце, а параллельно оси ЗС на расстоянии l/2 от закрепленного конца поперечного стержня установлен продольный металлический стержень, ось которого расположена в продольной плоскости симметрии ЗС. Введение поперечного и продольного стержней позволяет существенно повысить сопротивление связи рабочей пространственной гармоники ЗС, увеличить ее поперечные размеры по сравнению с длиной волны. 4 ил.

Изобретение относится к технике и электронике сверхвысоких и крайне высоких частот (СВЧ и КВЧ).

Замедляющие системы (ЗС) применяются в электронных приборах диапазонов СВЧ и КВЧ типа "О" (лампа бегущей волны, лампа обратной волны, твистрон и т. п.) для уменьшения скорости распространения электромагнитной волны до значения, приблизительно равного скорости движения электронов, с целью обеспечения длительного взаимодействия электромагнитного поля волны с электронным потоком.

К замедляющим системам, используемым в приборах диапазона КВЧ и высокочастотной части СВЧ-диапазона, предъявляются очень жесткие требования - они должны иметь высокое сопротивление связи при достаточно широкой полосе пропускания, большие (по сравнению с рабочей длиной волны) поперечные и продольные размеры, обладать жесткой и технологичной конструкцией, высокой теплорассеивающей способностью. Известные ЗС для мощных приборов СВЧ [1,2] не в полной мере удовлетворяют таким требованиям. Так, наиболее распространенная ЗС мощных ЛБВ цепочка связанных резонаторов (ЦСР) с положительной индуктивной связью [1] имеет обратную дисперсию основной пространственной гармоники. Поэтому в усилительных приборах О-типа используется в качестве рабочей минус первая пространственная гармоника, имеющая существенно меньшее сопротивление связи по сравнению с основной. К недостаткам ЦСР относятся также сравнительно узкая полоса пропускания и малые по сравнению с длиной волны поперечные размеры.

Наиболее близкой к предложенному изобретению по совокупности признаков является разновидность ЗС типа ЦСР, получившая название "Millitron" [3] и предназначенная для использования в приборах диапазона КВЧ. Устройство прототипа поясняется фиг. 1. ЗС состоит из блока корпуса 1 с резонаторами 2, разделенными диафрагмами 3, имеющими отверстия 4 для пропускания электронного потока. Корпус закрыт крышками 5 с пазами 6, образующими щели связи между резонаторами. Эта ЗС имеет достаточно технологичную конструкцию, однако ей свойственны недостатки ЦСР: малое сопротивление связи, узкополосность, так как резонаторы данной системы связаны положительной индуктивной связью.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является ЗС, позволяющая улучшить параметры электронных приборов, в которых она используется, за счет увеличения сопротивления связи и больших по сравнению с длиной волны поперечных и продольных размеров.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что в каждый резонатор ЗС, содержащей корпус с призматическими полостями резонаторов, разделенными поперечными диафрагмами с отверстиями для прохождения электронного потока, и крышку с продольным пазом, образующим щели связи между резонаторами, перпендикулярно продольной оси системы введен поперечный металлический стержень, имеющий длину h = 3/4λ, где λ рабочая длина волны ЗС. Стержни закреплены на крышке, закрывающей резонаторы ЗС. Крышка имеет продольный паз, образующий при ее установке на корпус щели, через которые осуществляется связь между резонаторами. В продольной плоскости симметрии ЗС на расстоянии l = λ/2 от основания поперечных стержней расположен продольный металлический стержень, имеющий электрический контакт с поперечными стержнями и диафрагмами.

При введении поперечного стержня в резонаторе образуются два высокочастотных зазора, его наиболее низкочастотными видами колебаний становятся квази-Т-виды, электрическое и магнитное поля которых имеют противоположные направления в зазорах, а собственные длины волн определяются приближенным соотношением [4] λ_Dp= 4h(2p-1), p = 1,2,... (I) При этом в качестве рабочего используется высший вид колебаний (р 2), что позволяет существенно увеличить поперечные размеры ЗС. Для подавления основного вида колебаний (р 1) в конструкции ЗС имеется продольный стержень, расположенный в ее продольной плоскости симметрии на расстоянии l = λ/2 от основания поперечного стержня. Так как квази-Т-виды колебаний двухзазорных резонаторов характеризуются противоположными направлениями векторов напряженности электрического и магнитного полей в зазорах резонатора, в ЗС на основе этих резонаторов реализуется отрицательная индуктивная связь, дисперсия основной пространственной гармоники, обладающей максимальным сопротивлением связи, положительна и ее можно использовать в усилительных приборах О-типа в качестве рабочей.

Таким образом, техническим результатом, который достигается предлагаемым устройством, является повышение сопротивления связи рабочей пространственной гармоники ЗС и увеличение ее размеров по сравнению с рабочей длиной волны.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена конструкция прототипа, на фиг.2 показана конструкция предлагаемой ЗС, на фиг.3 представлены ее расчетные и экспериментальные характеристики, на фиг.4 - спектры колебаний отрезка ЗС, содержащего 5 периодов без продольного стержня (1) и со стержнем (2).

Замедляющая система содержит корпус 1 (см. фиг.2) с полостями резонаторов 2, разделенными диафрагмами 3. Корпус 1 закрыт крышкой 4 с продольным пазом 5, образующим щели связи между резонаторами. На крышке 4 закреплены поперечные стержни 6, которые входят в полости резонаторов 2. Соосные отверстия 7 в диафрагмах 3 и стержнях 6 предназначены для прохождения электронного потока. Стержень 8, расположенный в продольной плоскости симметрии ЗС на расстоянии λ/2 от закрепленного конца поперечного стержня и имеющий электрический контакт с диафрагмами 3 и поперечными стержнями 6, служит для подавления колебаний вида T₁.

Устройство работает следующим образом. В резонаторах за счет соответствующего выбора рабочей частоты возбуждаются колебания вида T₂, собственная длина волны которого λ₀₂ определяется соотношением (1) при р 2. Силовые линии магнитного поля этого вида колебаний представляют собой замкнутые кривые, охватывающие поперечный стержень.

Это поле наводит токи на поверхностях диафрагм, причем направления этих токов, текущих на поверхностях, обращенных к одному резонатору, одинаковы. Если сдвиг фаз колебаний в соседних резонаторах ϕ = π, токи на поверхностях диафрагмы, обращенных к смежным резонаторам, имеют противоположные направления, их сумма равна нулю и колебания в щели связи не возбуждаются. Поэтому частота fπ, соответствующая указанному значению сдвига фаз, близка к собственной частоте резонатора w_p.

При ϕ = 0 токи на поверхностях диафрагмы имеют одинаковые направления, их сумма отлична от нуля, что приводит к возбуждению колебаний в щели связи. Эквивалентная индуктивность щели связи складывается с индуктивностью резонатора, что приводит к уменьшению частоты ω_o, соответствующей этому значению угла ϕ.

Так как wp > ω_o, предлагаемая ЗС обладает положительной дисперсией основной (нулевой) пространственной гармоники, имеющей наибольшее сопротивление связи, что позволяет использовать эту гармонику в качестве рабочей в таких приборах, как лампа бегущей волны, твистрон и т.п.

Особенностью ЗС на основе двухзазорных резонаторов является сравнительно слабая зависимость их функции формы от угла фазового сдвига [5] Поэтому в этих ЗС достаточно высокое сопротивление связи имеет плюс первая пространственная гармоника, также обладающая прямой дисперсией. Использование этой гармоники в качестве рабочей позволяет существенно (в 2 3 раза) увеличить продольные размеры ЗС при заданном замедлении, что очень важно в диапазоне КВЧ.

Наряду с рабочим, в резонаторах ЗС могут возбуждаться и другие виды колебаний. Для устойчивой работы приборов необходимо их подавлять или обеспечивать достаточно большое разделение частот между этими нежелательными (паразитными) видами колебаний и рабочим. Анализ показывает, что наиболее близкими по частоте к рабочему являются виды колебаний квази-E₁₁₀ и T₁.

Собственная длина волны первого из них определяется приближенной формулой [4] где W ширина резонатора, Н его высота.

Учитывая, что собственная длина волны рабочего вида колебаний λ_T2 4h/3, и полагая высоту резонатора H = αh, где α = 1,2-1,5, получим условие, которому должны удовлетворять размеры резонатора: где β = λ_E110/λ_T2 заданное значение разделения частот (обычно β = 0,7-0,85).

Собственная частота вида колебаний T₁ примерно в 3 раза меньше, чем T₂, что обеспечивает очень хорошее разделение частот этих видов колебаний. Тем не менее вид колебаний T₁ представляет определенную опасность, т.к. электронный поток может входить в синхронизм с одной из пространственных гармоник полосы пропускания, соответствующей этому виду. При синхронизме возможно самовозбуждение прибора или нарушение его нормальной работы.

Для подавления колебаний вида T₁ в предлагаемой ЗС служит продольный металлический стержень 8 (фиг.2), расположенный в узле электрического поля рабочего вида колебаний (расстояние от основания поперечного стержня до продольного стержня составляет примерно λ/2). Поэтому наличие продольного стержня 8 практически не влияет на рабочий вид колебаний. В то же время вид T₁, электрическое поле которого в месте расположения проводника достаточно велико, практически полностью подавляется.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО И ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

Для исследования был изготовлен макет замедляющей системы, масштабированный с целью упрощения измерений на рабочую частоту 5 ГГц. Макет имеет следующие размеры: Высота резонатора 46 мм Ширина резонатора 23,2 мм Период 15,6 мм
Толщина диафрагмы 5,2 мм
Толщина поперечного стержня 4 мм
Ширина поперечного стержня 13,5 мм
Длина поперечного стержня 36 мм
Диаметр продольного стержня 2 мм
Расстояние от закрепленного конца поперечного стержня до оси продольного
28 мм
Размеры щели связи 23,2 х 7,6 мм²
Число периодов 5
На фиг.3 показаны результаты экспериментального и теоретического исследования предлагаемой ЗС (без продольного стержня, подавляющего вид колебаний T₁). Значения сопротивления связи в высших полосах пропускания получены расчетным путем.

На фиг.4 показаны спектры колебаний макета, полученные с помощью панорамных измерителей КСВ и затухания без подавляющего стержня (а) и со стержнем (б).

Анализ результатов исследования показывает, что дисперсия основной пространственной гармоники положительна; сопротивление связи основной пространственной гармоники увеличено примерно на порядок, а плюс первой гармоники имеет то же значение, что и у прототипа; поперечные размеры ЗС увеличены примерно в 1,5 раза по сравнению с прототипом, а продольные (при использовании плюс первой пространственной гармоники в качестве рабочей) увеличены в 2,5 3 раза; проводящий стержень полностью подавляет вид колебаний T₁, при этом рабочая полоса пропускания практически не меняется.

Таким образом, цели предлагаемого технического решения достигнуты.

Литература
1. Тараненко З.И. Трохименко Я. К. Замедляющие системы. Киев: Техника, 1965.

2. Григорьев А. Д. Замедляющие системы сегодня и завтра//Лекции по электронике СВЧ и радиофизике. Саратов: Изд. СГУ, 1989.

3. Перелыгин А.В. Русаков И.А. Явчуновский В.Я. Зарубежные ЛБВ мм диапазона//Обзоры по электронной технике. Сер. Электроника СВЧ, 1985, вып. 5.

4. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ. М. Высшая школа, 1990.

5. Григорьев А. Д. Подорожная Е.А. Резонаторные замедляющие системы с отрицательной индуктивной связью диапазона КВЧ//Труды 2 Всерос. школы-семинара "Физика и применение микроволн". М. МГУ. 1993.

Формула изобретения

Замедляющая система для электронных приборов типа "О" диапазонов СВЧ и КВЧ, содержащая корпус с призматическими полостями резонаторов, разделенными поперечными диафрагмами с отверстиями для прохождения электронного потока, и крышку с продольным пазом, образующим щели связи между резонаторами, отличающаяся тем, что в каждом резонаторе перпендикулярно продольной оси системы установлен поперечный металлический стержень длиной 3/4λ, где λ рабочая длина волны системы, закрепленный одним концом на крышке и имеющий на свободном конце отверстие, соосное с отверстиями в диафрагмах, а на расстоянии l/2 от закрепленного конца поперечного стержня установлен продольный металлический стержень, имеющий электрический контакт с поперечными стержнями и диафрагмами, ось которого расположена в продольной плоскости симметрии системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4