Усилительный свч прибор
Область использования: электровакуумные приборы СВЧ, в частности, устройство лампы бегущей волны (ЛБВ) О-типа с замедляющей системой резонаторного типа. Сущность изобретения: усилительный СВЧ прибор содержит электронно-оптическую систему, входную, выходную и промежуточные секции с одинаковым резонаторным типом замедляющей системы. Каждая из секций настроена по определенному закону относительно границ полосы усиливаемых частот. Техническим результатом является расширение полосы усиливаемых частот при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности. 1 з.п. формулы, 3 ил.
Изобретение относится к электронной технике, в частности, к усилительным приборам СВЧ типа лампы бегущей волны (ЛБВ), используемой в качестве генераторов, усилителей, переключателей тока и других устройств.
Одним из требований, предъявляемым к ЛБВ, в которых для усиления применяется резонаторная замедляющая система (ЗС), является обеспечение ее работы в максимально широкой полосе усиливаемых частот с высоким уровнем выходной мощности и усиления при постоянном входном сигнале. Такие усилительные СВЧ приборы, обладая улучшенными эксплуатационными массогабаритными характеристиками, нашли широкое применение.
Известна широко применяющаяся на практике конструкция ЛБВ с многосекционной замедляющей структурой (ЗС) типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР), пространственно совмещенной с магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), которая позволила получить высокий уровень импульсной и средней выходной мощности (Мощные электровакуумные приборы СВЧ, под ред. Л.Клемпитта, изд-во «Мир», М.: 1974, стр.20). Однако эта конструкция при высоких значениях коэффициента усиления имеет достаточно узкую (не более 3-5%) полосу усиливаемых частот.
Указанных недостатков лишена известная конструкция ЛБВ, в которой для расширения полосы усиливаемых частот при высоких коэффициентах усиления применена многосекционная ЗС типа ЦСР с усилением на крутых участках дисперсионных характеристик секций, расположенных вблизи низкочастотных границ полос пропускания. В этой конструкции для получения локального максимума усиления вблизи коротковолновой границы рабочего диапазона, приводящего к расширению полосы усиливаемых частот на 1-2%, введена промежуточная секция, область частот максимального усиления которой расположена выше частоты коротковолновой части рабочего диапазона (см. Григоренко Л.П., Канавец В.И., Корешков Е.Н., Мозговой Ю.Д. Исследование усиления электромагнитных колебаний в многосекционной ЛБВ на связанных резонаторах. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1978. Вып.9, стр.27-40).
Однако получающийся вследствие применения такой конструкции провал в центре рабочего диапазона не позволяет получить максимальную полосу усиливаемых частот при минимальном перепаде выходной мощности в рабочем диапазоне. На практике наибольшая полоса усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, коэффициенте усиления свыше 45 дБ и перепаде выходной мощности не более 1,5-2 дБ, не превышает 6%.
Ближайшим прототипом предлагаемого изобретения является конструкция усилительного СВЧ-прибора, содержащая электронно-оптическую систему, входную, выходную и промежуточную секции электродинамической системы резонаторного типа (авторское свидетельство РФ №1019961, 5 Н01J 25/34, 1981). При этом низкочастотные границы полос пропускания входной и выходной секций соответствуют низкочастотной границе рабочей полосы прибора, а низкочастотная граница полосы пропускания промежуточной секции совмещена с высокочастотной границей рабочей полосы прибора, в которой высокий коэффициент усиления и КПД прибора в полосе усиливаемых частот непрерывного режима при постоянном входном сигнале достигается за счет ввода дополнительной промежуточной секции, содержащей, по крайней мере, два несвязанных резонатора. Один из этих резонаторов настроен на низкочастотную границу полосы усиливаемых частот диапазона непрерывного режима, а другой на высокочастотную границу полосы диапазона непрерывного режима. Кроме того, в этой конструкции добротности несвязанных резонаторов находятся в пределах 70-150.
Недостаток этой конструкции связан с тем, что, из-за применения дополнительной промежуточной секции, которая состоит из несвязанных резонаторов и поэтому принципиально является узкополосной, максимальная ширина полосы усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, коэффициенте усиления свыше 45 дБ и перепаде выходной мощности не более 1,5-2 дБ не превышает 6%.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение полосы усиливаемых частот при постоянном входном сигнале, высоком коэффициенте усиления (свыше 45 дБ) и перепаде выходной мощности не более 1,5-2 дБ.
Технический результат использования полезной модели заключается в повышении максимальной ширины полосы усиливаемых частот мощного усилительного СВЧ прибора за счет изменения структуры дополнительной промежуточной секции и порядка настроек секций на частоты рабочей полосы диапазона.
Поставленная задача решается таким образом, что усилительный СВЧ прибор, содержащий электронно-оптическую систему, входную, выходную и промежуточную
секции замедляющей системы резонаторного типа, отличается тем, что, с целью расширения рабочей полосы усиливаемых частот, введена вторая промежуточная секция замедляющей системы резонаторного типа, причем все секции имеют одинаковый тип резонаторной замедляющей системы, входная секция настроена на частоту, расположенную между частотой длинноволновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот, выходная секция настроена на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, одна из промежуточных секций настроена на коротковолновую границу полосы усиливаемых частот, а другая промежуточная секция настроена на частоту, расположенную между частотой коротковолновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот. На фиг.1 схематически изображен усилительный СВЧ прибор заявленной конструкции. На фиг.2 представлены экспериментальные зависимости выходной (1) и входной (2) мощности, коэффициента усиления (3) и расчетные зависимости выходной мощности (4) от частоты для трехсекционного варианта исполнения усилительных СВЧ приборов с током I=4.0 А, потенциалом ЗС U=25000 В. На фиг.3 представлена расчетная зависимость выходной мощности от частоты для четырехсекционного варианта исполнения усилительных СВЧ с теми же электрическими параметрами.
Усилительный СВЧ прибор содержит электронно-оптическую систему 1, ввод ВЧ-энергии 2, входную 3, первую промежуточную 4, вторую промежуточную 5 и выходную 6 широкополосные секции электродинамической системы резонаторного типа. Прибор содержит также вывод ВЧ-энергии 7, коллектор 8.
СВЧ прибор работает следующим образом. При установленных потенциалах на электродах прибора к входной секции замедляющей системы подводят входной СВЧ сигнал. При этом входная секция настроена на частоту, расположенную между частотой длинноволновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот, выходная секция на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, одна из промежуточных секций на коротковолновую границу полосы усиливаемых частот, а другая промежуточная секция на частоту, расположенную между частотой высокочастотной границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот.
Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных результатов (фиг.2-3) показывает, что предложенная конструкция усилительного СВЧ прибора обеспечивает существенно большую ширину полосы усиливаемых частот по сравнению с шириной полосы усиливаемых частот обычной ЛБВ с трех- или четырехсекционной структурой электродинамической системы (фиг.2, 3). Экспериментальные результаты измерений выходных характеристик в обычной ЛБВ, представленные на фиг.2, показывают, что
относительная ширина полосы усиливаемых частот при перепаде выходной мощности 1,0 дБ не превосходит 7,1%, а относительная ширина полосы усиливаемых частот для ЛБВ заявленной конструкции с такими же электрическими параметрами существенно выше и составляет 9,5% при том же перепаде выходной мощности. Таким образом, предлагаемые настройки секций обеспечивают расширение полосы усиливаемых частот в широком диапазоне изменений электродинамических характеристик ЗС при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности.
Конкретные настройки частот входной, выходной, первой и второй промежуточных секций определяются на основании расчета или эксперимента из условия обеспечения требуемых ширины полосы усиливаемых частот при заданных электродинамических характеристиках ЗС ЛБВ.
Практическое изготовление усилительного СВЧ прибора в предлагаемой конструкции не требует дополнительных технологических операций и выполняется на стандартном металлообрабатывающем оборудовании, что облегчает промышленную применимость.
Анализ конструкций аналогов и прототипа заявляемого устройства показывает, что признаки, связанные с конкретизацией количества секций с одинаковым резонаторным типом замедляющей системы, а также признаки, связанные с частотной настройкой секций относительно низкочастотного и высокочастотного краев рабочей полосы усиливаемых частот, вызванный этим положительный эффект расширения полосы усиливаемых частот при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности, неизвестны.
Применение конструкции усилительного СВЧ прибора в соответствии с предложенной формулой изобретения позволило расширить полосу усиливаемых частот в 1,5-2,0 раза при сохранении высокого коэффициента усиления и выходной мощности.
Таким образом, предлагаемая конструкция усилительного СВЧ прибора обладает следующими преимуществами:
при постоянном входном сигнале, высокий коэффициент усиления (свыше 45 дБ);
незначительный перепад выходной мощности в рабочем диапазоне частот (не более 1,5-2 дБ);
расширение полосы усиливаемых частот (до 10%).
Усилительный СВЧ прибор, содержащий электронно-оптическую систему, входную, выходную и промежуточную секции замедляющей системы резонаторного типа, отличающийся тем, что, с целью расширения рабочей полосы усиливаемых частот, введена вторая промежуточная секция замедляющей системы резонаторного типа, причем все секции имеют одинаковый тип резонаторной замедляющей системы, входная секция настроена на частоту, расположенную между частотой длинноволновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот, выходная секция настроена на длинноволновую границу полосы усиливаемых частот, одна из промежуточных секций настроена на коротковолновую границу полосы усиливаемых частот, а другая промежуточная секция настроена на частоту, расположенную между частотой коротковолновой границы и средней частотой рабочей полосы усиливаемых частот.
