Неоднородная замедляющая система
Владельцы патента RU 2325723:
Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийкий научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к области электродинамики и может быть использовано при создании многочастотных генераторов СВЧ колебаний, например, на основе ламп бегущей (ЛБВ) или обратной (ЛОВ) волн. Технический результат: увеличение сопротивления связи по длине ЗС на выбранных частотах в заданной полосе частот. Неоднородная замедляющая система типа цепочки связанных резонаторов представляет собой волновод, перегороженный плоскими диафрагмами, перпендикулярными оси системы и содержащими щели связи и каналы для пролета электронов. Цепочка резонаторов разделена на секции. Геометрические размеры щелей связи диафрагм в каждой секции резонаторов выбраны таким образом, чтобы полоса пропускания каждой последующей секции была больше предыдущей, при этом верхние граничные частоты полос пропускания каждой секции были одинаковы. Диапазон изменения коэффициента замедления в полосе частот каждой секции не должен превышать диапазона изменения коэффициента замедления последней секции. Подбор требуемой полосы пропускания и дисперсионной зависимости достигается изменением геометрических размеров тороидальных резонаторов. 5 ил.
Изобретение относится к области электродинамики и может быть использовано для создания многочастотных генераторов СВЧ колебаний, например, на основе ламп бегущей (ЛБВ) или обратной волны (ЛОВ).
Известна замедляющая система (ЗС) на основе цепочки тороидальных резонаторов связанных через индуктивные щели связи (Григорьев А.Д. и др. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ / М.: Радио и связь, 1984 г., с.28). Указанная выше ЗС является наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрана в качестве прототипа.
К недостаткам данной конструкции относятся: низкое значение сопротивления связи и его сильная неравномерность в полосе частот. При установке такой ЗС в ЛБВ или ЛОВ - генератор возникает генерация на одной частоте, вблизи низкочастотной границы полосы пропускания, где сопротивление связи имеет наибольшую величину. Развитие колебаний на других частотах затруднено в виду малой величины сопротивления связи. ЗС - прототип имеет постоянное значение сопротивление связи вдоль оси ЗС на любой частоте.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в получение коэффициентов отражений электромагнитных волн на стыках между секциями ЗС и возможности изменения инкрементов нарастания электромагнитных волн с заданными частотами.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении сопротивления связи по длине ЗС на выбранных частотах в заданной полосе частот.
Технический результат достигается тем, что неоднородная замедляющая система типа цепочка связанных резонаторов представляет собой волновод, перегороженный плоскими диафрагмами, перпендикулярными оси системы и содержащими щели связи и каналы для пролета электронов. Новым является то, что цепочка резонаторов разделена на секции, при этом геометрические размеры щелей связи диафрагм в каждой секции резонаторов выбраны таким образом, чтобы полоса пропускания каждой последующей секции была больше предыдущей, при этом верхние граничные частоты полос пропускания каждой секции были одинаковы, а диапазон изменения коэффициента замедления в полосе частот каждой секции не превышал диапазона изменения коэффициента замедления последней секции.
Разделение на секции цепочки резонаторов и выбор определенных геометрических размеров щелей связи диафрагм в каждой секции резонаторов позволяет увеличить сопротивление связи по длине ЗС на выбранных частотах в заданной полосе частот и создать условия генерации многочастотного сигнала, а именно получение коэффициентов отражения электромагнитных волн на стыках между секциями ЗС и возможности изменять инкремент нарастания электромагнитных волн с заданной частотой за счет изменения количества резонаторов в каждой их секций.
На фиг.1 схематически представлена неоднородная ЗС, разделенная на секции.
На фиг.2 представлен фрагмент секции неоднородной замедляющей системы типа "цепочка связанных резонаторов".
На фиг.3 представлены дисперсионная характеристика (ДХ) и зависимость сопротивления связи от частоты одной секции замедляющей системы.
На фиг.4 представлено распределение величины сопротивления связи по длине неоднородной ЗС для трех заданных частот.
На фиг.5 представлены ДХ секций неоднородной замедляющей системы.
Представленная неоднородная замедляющая система состоит из (см. фиг.1, фиг.2) корпуса 1 ЗС в виде круглого волновода, периодически перегороженного диафрагмами 2 со щелями 3 связи и пролетными каналами 4, расположенными в трубках 5 дрейфа электронов. На фиг.2 представлены условные обозначения размеров резонаторов секции L - расстояние между диафрагмами 2, D - период системы, d - расстояние между трубками 5 дрейфа, 2а - диаметр пролетного канала 4, 2b - диаметр резонатора, 2rd - диаметр трубки 5 дрейфа, Rs1 - внутренний радиус щели 3 связи, Rs2 -внешний радиус щели 3 связи, t - толщина диафрагмы 2, α - угол раскрыва щели 3 связи.
Данное изобретение работает следующим образом. ЗС разбивается на секции (см. фиг.1). Геометрические размеры секций подбираются таким образом, что полоса пропускания каждой последующей секции больше предыдущей. Верхняя граничная частота у всех секций одинакова, а нижние граничные частоты полос пропускания - есть желаемые составляющие спектра многочастотного сигнала. При таком построении ЗС зависимость сопротивления связи для каждой частоты имеет ступенчатый характер и всегда больше, чем в однородной системе (см. фиг.3), за исключением последней секции (см. фиг.4). Величина замедления в полосе частот каждой из секций не выходит за диапазон изменения коэффициента замедления последней секции. На фиг.5 представлены дисперсионные характеристики секций неоднородной замедляющей системы. Например, для тороидальных резонаторов, связанных через щели связи, увеличение полосы пропускания достигается за счет увеличения угла раскрыва щели связи α, а подбор необходимого коэффициента замедления достигается изменением продольного размера резонатора D.
Колебания, обусловленные полосой пропускания секции №1 (см. фиг.1), распространяются через все секции, а колебания второй секции распространяются только через вторую и последующие секции и т.д. Итак, любая предыдущая секция является запредельным волноводом для волн, сформированных последующими секциями. Появление возможности изменять длину участка взаимодействия для отдельно взятого участка спектра частот позволяет манипулировать инкрементом нарастания (пропорционален произведению сопротивления связи на длину ЗС) той или иной волны и создать одинаковые условия для одновременной генерации нескольких частот. Поэтому в неоднородной ЗС становится возможным уравнивание инкрементов нарастания волн с разными частотами, что принципиально невозможно при использовании однородной ЗС.
Для примера был проведен расчет неоднородной замедляющей системы, состоящей из трех секций тороидальных резонаторов, связанных через индуктивные щели 3 связи. Допустим, что длина волны λ0 соответствует верхней граничной частоте полосы пропускания наиболее широкополосной, последней секции ЗС (см. фиг.3, секция №3). Тогда размеры резонаторов (см. фиг.1) всех секций за исключением угла раскрывав α щели 3 следующие: L/λ0=0.11, d/λ0=0.044, t/λ0=0.044, 2b/λ0=0.66, 2а/λ0=0.128, 2rd/λ0=0.165, Rs1/λ0=0.23, Rs2/λ0=0.311. Угол раскрыва для первой, второй и третьей секции ЗС соответственно равны α1=25°, α2=45°, α3=55°. Дисперсионные характеристики секций представлены на фиг.5. Дисперсионная кривая и зависимость сопротивления связи от частоты секции №3 повторяет ДХ однородной ЗС (см. фиг.3).
Рассмотрим распределение сопротивления связи по длине ЗС, представленное на фиг.4. Если бы ЗС была однородной, то электромагнитная волна с частотой колебаний, например f3, на всем протяжении ЗС характеризовалась сопротивлением связи ≈6 Ом. При неоднородной ЗС, на длине первой секции она характеризуется сопротивлением связи ≈70 Ом, на длине второй секции 8 Ом и только на длине третьей секции сопротивление связи составляет ≈6 Ом. Аналогично рассмотрение выглядит и для второй заданной частоты. В первой секции волна не распространяется. На длине второй секции сопротивление связи составляет 24 Ом и только на длине третьей секции сопротивление связи падает до ≈5 Ом. Аналогично можно рассмотреть распределение сопротивления связи и для других частот.
Неоднородная замедляющая система типа цепочки связанных резонаторов, представляющая волновод, перегороженный плоскими диафрагмами, перпендикулярными оси системы и содержащими щели связи и каналы для пролета электронов, отличающаяся тем, что цепочка резонаторов разделена на секции, при этом геометрические размеры щелей связи диафрагм в каждой секции резонаторов выбраны таким образом, чтобы полоса пропускания каждой последующей секции была больше предыдущей, при этом верхние граничные частоты полос пропускания каждой секции были одинаковы, а диапазон изменения коэффициента замедления в полосе частот каждой секции не превышал диапазона изменения коэффициента замедления последней секции.
