Оротрон

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн. Оротрон, содержит электронную пушку, открытый резонатор, образованный фокусирующим и плоским зеркалами, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний. Фокусирующее зеркало выполнено многофокусным в виде n рядов, где n=1, 2, 3, 4, пересекающихся фокусирующих поверхностей одинакового радиуса, при этом центры симметрии фокусирующих поверхностей в каждом ряду лежат на одной прямой, перпендикулярной продольной оси симметрии периодической структуры в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу, и отстоят друг от друга на расстояние d ₁2r_k, где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале. Приведены три примера выполнения фокусирующего зеркала. Предложенная конструкция обеспечивает повышение КПД и мощности генерации оротрона за счет исключения возможности вырождения равномерного распределения продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек электронного потока в систему отдельных пиков.

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн.

Известен оротрон [1], содержащий электронную пушку, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским, а другое - фокусирующим в виде усеченной сферы, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний.

Недостатком этого оротрона является низкий КПД и малая выходная мощность.

Для повышения КПД и выходной мощности оротрона необходимо увеличить эффективность взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем резонатора. В оротроне, который является прототипом предлагаемой конструкции это достигается за счет замены сферического фокусирующего зеркала на сфероцилиндричесокое зеркало. Оротрон содержит [2] электронную пушку, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским, а другое выполнено фокусирующим в виде усеченного сфероцилиндра, образующая которого перпендикулярна продольной оси симметрии периодической структуры оротрона, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний.

Сфероцилиндр представляет собой замкнутую цилиндрическую поверхность, с обоих концов сопряженную с полусферами, при этом обе поверхности имеют один и тот же радиус, а центры полусфер лежат на оси симметрии цилиндра и расположены на ней так, что диаметры обеих поверхностей равны.

В этом резонаторе оротрона распределение продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля основного типа TEM_00q колебания вдоль цилиндрической части резонатора имеет практически столообразный вид, т.е. его амплитуда максимальна и практически одинакова по всей длине его цилиндрической части. Следовательно, эффективность электронно-волнового взаимодействия оказывается выше, чем в случае резонатора со сферическим фокусирующим зеркалом.

Недостатком такой конструкции является возбуждение высших типов TEM_mnq колебаний открытого резонатора вместо основного типа TEM_00q и, как следствие, вырождение равномерного распределения продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек электронного потока в систему отдельных пиков. В результате использовать полную ширину электронного потока становится невозможным, что приводит к увеличению пускового тока генерации, к отсутствию эффекта увеличения КПД и мощности генерации.

Техническая задача, решаемая предлагаемой конструкцией, состоит в повышении КПД и мощности генерации оротрона за счет исключения возможности вырождения равномерного распределения продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек электронного потока в систему отдельных пиков.

Для решения этой задачи в оротроне, содержащем электронную пушку, открытый резонатор, образованный фокусирующим и плоским зеркалами, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний, фокусирующее зеркало выполнено многофокусным в виде n рядов, где n=1, 2, 3, 4, пересекающихся фокусирующих поверхностей одинакового радиуса, при этом центры симметрии фокусирующих поверхностей в каждом ряду лежат на одной прямой, перпендикулярной продольной оси симметрии периодической структуры в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу, и отстоят друг от друга на расстояние d ₁2r_k где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале.

Пересекающиеся фокусирующие поверхности могут быть выполнены в виде усеченных сфер одинакового радиуса.

При n=1 пересекающиеся фокусирующие поверхности могут быть выполнены в виде усеченных сфероцилиндров одинакового радиуса, образующие цилиндров которых параллельны друг другу и продольной оси ВВ ₁ симметрии периодической структуры.

При n>1 расстояние между прямыми, на которых лежат центры симметрии в каждом ряду (далее между рядами) выбирается из условия d ₂2r_k, где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1, фиг.2, фиг.3 схематически показаны три варианта конструкции предлагаемого оротрона, а на фиг.4 представлено распределение продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек оси BB ₁ симметрии периодической структуры (по оси Y), которое реализуется для любой из трех конструкций оротрона при условии, что расстояние между центрами d₁ симметрии пересекающихся сфер одинаково для всех трех типов фокусирующих зеркал.

Оротрон, изображенный на фиг.1 а, содержит электронную пушку 1, открытый резонатор, образованный плоским зеркалом 2 и фокусирующим зеркалом 3, периодическую структуру 4, расположенную на плоском зеркале 2, коллектор 5 и вывод 6 энергии электромагнитных колебаний через плоское зеркало 2.

На фиг.1а показано сечение прибора плоскостью, перпендикулярной плоскому зеркалу вдоль оси BB₁ симметрии периодической структуры 4, и проходящей через центр О₂, симметрии средней усеченной сферы и его проекцию О_2п на фокусирующее зеркал 3.

На фиг.1б показан вид по PP₁ фокусирующего зеркала 3, которое выполнено в виде одного ряда из трех пересекающихся усеченных сфер одинакового радиуса R, центры симметрии которых О₁, O_2, О₃, расположены на одной прямой O₁-О₃, перпендикулярной продольной оси BB₁ симметрии периодической структуры 4 в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу, и отстоят друг от друга на расстояние d₁ 1,5r_k где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале. Показаны также проекции O_1п, O_2п, О_3п , центров симметрии сферических поверхностей на фокусирующее зеркало 3.

На фиг.1в показан вид по AA₁ фокусирующего зеркала 3, на котором представлены проекции O _1п, O_2п, О_3п, центров симметрии сферических поверхностей на фокусирующее зеркало 3.

Оротрон, показанный на фиг.2, отличается от вышеописанной конструкции выполнением фокусирующего зеркала 3, вид на которое по AA ₁ представлен на фиг.2б. Фокусирующие поверхности этого зеркала 3 выполнены в виде одного ряда из трех усеченных сфероцилиндров одинакового радиуса R. Проекции образующих СС₁, С ₂С₃ цилиндров параллельны друг другу и продольной оси BB₁ симметрии периодической структуры 4. Проекции Q₁Q₁^/, Q₂Q₂^/, Q₃Q₃^/, осей симметрии цилиндров на фокусирующее зеркало 3 изображены штрих-пунктирными линиями. Проекции O _1п, O_2п, О_3п центров симметрии, которые являются точками пересечения прямой, проходящей через них, с осями симметрии цилиндров, расположены друг от друга на расстояние d₁ 1,5r_k.

Оротрон, показанный на фиг.3, отличается от вышеописанных конструкций выполнением фокусирующего зеркала 3.

Фокусирующее зеркало 3 выполнено в виде трех рядов усеченных пересекающихся сфер одинакового радиуса R, каждый из которых содержит три пересекающиеся сферы.

На фиг.3а показано сечение прибора по оси BB₁ симметрии периодической структуры 4 и фокусирующего зеркала 3 вдоль прямой, на которой расположены центры O₂, O₂^/, O₂^// симметрии средних усеченных сфер каждого из трех рядов. Расстояние между рядами d₂ выбрано из условия d₂2r_k.

На фиг.3б показан вид по AA₁ фокусирующего зеркала 3, на котором представлены проекции на фокусирующее зеркало 3 центров симметрии O_1п , O_2п, О_3п, О_1п^/, О_2п^/, О_3п^/, О_1п^//, О_2п^//, О_3п^// сфер соответственно первого, второго и третьего рядов. Расстояние d₁ между этими проекциями (как и между центрами) в каждом ряду составляет d₁l,5r_k, а расстояние d₂ между рядами составляет d₂2r_k.

На фиг.4 представлено распределение продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек оси BB₁ (ось Y) для всех описанных конструкций оротрона.

В качестве примера приведено распределение продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля для открытого резонатора с расстоянием 11,5 мм между плоским и 3-х фокусным фокусирующим зеркалом, образованным тремя усеченными пересекающимися сферами с расстоянием между их центрами симметрии d₁=8,4 мм и радиусом сферической поверхности R _сф=65 мм, для частот 100ГГц, 200ГГц и 300ГГц. Открытый резонатор с каждым парциальным сферическим зеркалом имеет при этом соответствующий радиус каустической поверхности r_k на плоском зеркале соответственно 4,87 мм, 3,44 мм, 2,81 мм. На фиг.4 видно, что для частоты 100ГГц распределение (непрерывная кривая) имеет практически одну и ту же амплитуду на длине 15 мм-20 мм, когда d₁<2r_k, так как 8,4 мм2×4,87 мм. Для более высоких частот при d₁ >2r_k=6,88 мм (для частоты 200ГГц пунктирная кривая) и 5,62 мм (для частоты 300ГГц точечная кривая) амплитуда распределения продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек пространства взаимодействия сильно меняется и представляет собой три максимума с глубокими минимумами.

Использование фокусирующего зеркала из одного ряда пересекающихся сферических поверхностей вместо одной, согласно прототипу, сфероцилиндрической поверхности, обеспечивает эквивалентную амплитуду распределения продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек пространства взаимодействия и свободно от недостатка прототипа, связанного с вырождением распределения в систему отдельных пиков.

Сказанное относится и к случаю, когда фокусирующее зеркало выполнено в виде n рядов усеченных сфер с расстоянием между рядами d₂2r_k когда поперек пространства взаимодействия также реализуется распределение продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля практически с постоянной амплитудой.

Что касается распределения поля вдоль оси BB₁ симметрии периодической структуры, то в случае конструкции оротрона, изображенной на фиг.1, это будет Гауссово распределение с максимумом в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу и проходящей через центры симметрии усеченных сфер.

В случае конструкции оротрона фиг.2 распределение электрической компоненты Е_х высокочастотного поля вдоль оси BB₁ симметрии периодической структуры 4, имеет Гауссово распределение на длине, соответствующей сферическим частям фокусирующего зеркала, и практически столообразный вид по всей длине цилиндрической части резонатора в случае возбуждения основного типа колебаний TEM_00q.

В случае конструкции оротрона фиг.3 распределение электрической компоненты Е_х высокочастотного поля вдоль оси BB ₁ симметрии периодической структуры 4, имеет тот же вид, что и распределение по оси Y для конструкции оротрона фиг.1. Таким образом, использование нескольких рядов усеченных сфер для увеличения длины пространства взаимодействия позволяет избежать вырождения равномерного распределения продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля вдоль электронного потока в систему отдельных пиков, которое возможно в случае конструкции оротрона на фиг.2.

Распределения Е_х по обоим направлениям будут идентичны при равных расстояниях d₁ и d₂, а также при равенстве числа рядов количеству сфер в каждом из них.

При выполнении фокусирующего зеркала в виде n рядов усеченных сфер более трех длина пространства взаимодействия может быть увеличена.

Предложенный орортрон работает следующим образом. При включении питания электронный пучок, формируемый электронной пушкой 1 и магнитной фокусирующей системой (на фиг.1 не показана), оседает на коллектор 5. На своем пути пучок 7 взаимодействует с высокочастотным полем синхронной пространственной гармоники, которая образуется, как и во всех аналогичных приборах, вблизи периодической структуры 4 в результате дифракции на ней квазиплоской электромагнитной волны основного TEM_00q типа колебания резонатора. При выполнении известных условий пространственного синхронизма, как и во всех приборах с длительным взаимодействием, происходит передача энергии электронов потока электромагнитному полю, в результате чего увеличивается амплитуда колебаний, заключенных в объеме между зеркалами 2 и 3. Пространственное распределение указанных колебаний определяется геометрией открытого резонатора и рабочей частотой, как показано на фиг.4. Электромагнитная волна, распространяющаяся между соседними выступами периодической структуры, проходит через отверстие 6 вывода в плоском зеркале в волновод и далее в нагрузку. При значении тока I₀ электронного потока выше некоторого пускового значении I₀>I _п, система самовозбуждается и работает как автогенератор.

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить ширину пространства взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем в оротроне при сохранении максимальной амплитуды продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля поперек пространства взаимодействия и свободно от недостатка прототипа. В результате в оротроне с предлагаемой конструкцией многофокусного фокусирующего зеркала открытого резонатора повышаются одновременно КПД и мощность генерируемых колебаний.

Открытый резонатор оротрона с одним рядом усеченных пересекающихся сфер может использоваться в приборах коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазона. В коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне следует использовать открытый резонатор с многофокусным зеркалом в виде нескольких рядов пересекающихся усеченных сфер, либо одного ряда пересекающихся усеченных сфероцилиндров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ф.С.Русин, Г.Д.Богомолов. Оротрон как генератор миллиметрового диапазона. В сб. Электроника больших мощностей. Изд-во «Наука», М. 1968. Вып.5. С.45.

2. Ф.С.Русин. ОРОТРОН: ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ, ЛИНЕЙНАЯ ТЕОРИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, КОНСТРУКЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Москва-1984 г. Гл.5. разд. 5.9. С.238.

1. Оротрон, содержащий электронную пушку, открытый резонатор, образованный фокусирующим и плоским зеркалами, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний, отличающийся тем, что фокусирующее зеркало выполнено многофокусным в виде n рядов, где n=1, 2, 3, 4, пересекающихся фокусирующих поверхностей одинакового радиуса, при этом центры симметрии фокусирующих поверхностей в каждом ряду лежат на одной прямой, перпендикулярной продольной оси симметрии периодической структуры в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу, и отстоят друг от друга на расстояние d ₁2r_k где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале.

2. Оротрон по п.1, отличающийся тем, что фокусирующие поверхности выполнены в виде усеченных сфер.

3. Оротрон по п.1, отличающийся тем, что при n=1 фокусирующие поверхности выполнены в виде усеченных сфероцилиндров одинакового радиуса, образующие цилиндров которых параллельны друг другу и продольной оси симметрии периодической структуры.

4. Оротрон по п.1, отличающийся тем, что при n>1 расстояние между рядами выбрано из условия d₂2r_k.