Оротрон

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн. Оротрон содержит электронную пушку, открытый резонатор, образованный плоским и фокусирующим зеркалами, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний. Фокусирующее зеркало выполнено многофокусным в виде пересекающихся фокусирующих поверхностей одинакового радиуса, центры симметрии которых лежат на одной прямой, параллельной продольной оси симметрии периодической структуры в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу и проходящей через эту ось, и отстоят друг от друга на расстояние d2r_k, где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале, при этом вывод энергии расположен между коллекторным концом периодической структуры и осью симметрии ближайшей к нему фокусирующей поверхности; Приведены два примера выполнения фокусирующего зеркала. Оротрон с фокусирующим зеркалом в виде 3-х усеченных пересекающихся сфер позволяет за счет трехкратного увеличения длины пространства взаимодействия достичь максимального КПД и максимальной выходной мощности в коротковолновой части миллиметрового диапазона при ширине электронного потока порядка (1,5-2)r_k.

Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне 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 оротрона необходимо увеличить оптимальную длину пространства взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем резонатора в оротроне. Частично эта задача решается в оротроне, который является прототипом предлагаемой конструкции. Он содержит [2] электронную пушку, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским, а другое выполнено фокусирующим в виде усеченного сфероцилиндра, образующая цилиндра которого параллельна продольной оси симметрии оротрона, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний.

Сфероцилиндр представляет собой замкнутую цилиндрическую поверхность, сопряженную с обоих концов 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.

Недостатком такой конструкции в коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн является возбуждение высших типов TEM_mnq колебаний открытого резонатора вместо основного типа TEM_00q и, как следствие, вырождение равномерного распределения электрической компоненты Е_х высокочастотного поля по длине электронного потока в систему отдельных пиков. Это приводит к уменьшению эффективной длины взаимодействия и, как следствие, к снижению КПД и мощности генерации.

Техническая задача, решаемая предлагаемой конструкцией, состоит в повышении КПД и, следовательно, мощности генерации оротрона в коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн за счет увеличения длины пространства взаимодействия.

Для решения этой задачи в оротроне, содержащем электронную пушку, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским, а другое выполнено фокусирующим, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале, коллектор и вывод энергии электромагнитных колебаний, фокусирующее зеркало выполнено многофокусным в виде пересекающихся фокусирующих поверхностей одинакового радиуса, центры симметрии которых лежат на одной прямой, параллельной продольной оси симметрии периодической структуры в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу и проходящей через эту ось, и отстоят друг от друга на расстояние d2r_k, где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале, при этом вывод энергии расположен между коллекторным концом периодической структуры и осью симметрии ближайшей к нему фокусирующей поверхности.

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

Пересекающиеся фокусирующие поверхности могут быть выполнены в виде усеченных сфероцилиндров одинакового радиуса, образующие цилиндров которых параллельны друг другу и перпендикулярны продольной оси симметрии периодической структуры.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1а, б, и фиг.2а, б, схематически показаны варианты конструкции предлагаемого оротрона, а на фиг.3 представлены графики зависимости продольной электрической компоненты Е_х высокочастотного поля от длины пространства взаимодействия для обоих вариантов оротрона.

Оротрон, изображенный на фиг.1а, содержит электронную пушку 1, открытый резонатор, образованный плоским зеркалом 2 и фокусирующим зеркалом 3, периодическую структуру 4 длиной L, выполненную в виде двух рядов взаимно параллельных выступов и расположенную на плоском зеркале 2, коллектор 5 и вывод 6 энергии электромагнитных колебаний. Многофокусное зеркало 3 выполнено, например, в виде трех пересекающихся усеченных сфер одинакового радиуса R, центры симметрии которых O₁, О₂ , О₃ расположены на одной прямой O₁-О ₃, параллельной продольной оси BB₁ симметрии периодической структуры, лежащей в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу 2 и проходящей через ось BB₁ симметрии периодической структуры 4, на расстоянии d друг от друга, выбранном из условия d2r_k. Вывод 6 энергии расположен на плоском зеркале 2 между коллекторным концом периодической структуры и осью симметрии О₃O₄ ближайшей к нему фокусирующей поверхности.

На фиг.1б показан вид по AA₁ фокусирующего зеркала 3 с проекциями O_1п, О_2п, О _3п центров симметрии. Оно может быть выполнено как в виде трех, так и более пересекающихся усеченных сфер.

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 трех усеченных сфероцилиндров одинакового радиуса R, образующие СС_1, С₂С₃ цилиндров которых параллельны друг другу и перпендикулярны продольной оси BB₁ симметрии периодической структуры 4. Центры O₁, О₂, О₃ симметрии расположены на одной прямой O₁-О₃, параллельной продольной оси симметрии периодической структуры, лежащей в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу и проходящей через ось BB₁ симметрии периодической структуры, в точках пересечения этой прямой с осями симметрии цилиндров, проекции Q₁Q₁^/, Q₂Q₂^/, Q₃Q₃^/ которых на фокусирующее зеркало 3 изображены штрих -пунктирными линиями на фиг 26 вместе с проекциями O _1п, О_2п, О_3п центров симметрии.

На фиг.3 представлено распределение электрической компоненты Е высокочастотного поля вдоль оси BB₁. Для обоих типов зеркал описанной конструкции распределение электрической компоненты Е высокочастотного поля вдоль оси BB₁ получается в результате сложения парциальных полей от каждой из сферических (сфероцилиндрических) пересекающихся поверхностей в предположении, что дифракция на неоднородностях поверхности фокусирующего зеркала, образованных в местах пересечения этих поверхностей, не вносит дополнительных дифракционных потерь открытого резонатора. В качестве примера приведено распределение продольной компоненты Е электрического высокочастотного поля для 3-ех фокусного фокусирующего зеркала, образованного тремя усеченными пересекающимися сферами (сфероцилиндрами) с расстоянием d между их центрами симметрии 8,4 мм с радиусом сферической (сфероцилиндрической) поверхности R=65 мм при одном и том же расстоянии 11,5 мм между зеркалами открытого резонатора для частот 100 ГГц, 200 ГГц и 300 ГГц. Открытый резонатор с каждым парциальным сферическим (сфероцилиндрическим) 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.3 видно, что для частоты 100 ГГц распределение (непрерывная кривая) имеет практически одну и ту же амплитуду на длине 15 мм-20 мм, когда d<2r_k, так как 8,4 мм<2×4,87 мм. Для более высоких частот при d>2r_k=6,88 мм (для частоты 200 ГГЦ пунктирная кривая) и 5,62 мм (для частоты 300 ГГЦ точечная кривая) амплитуда распределения продольной компоненты Е электрического высокочастотного поля вдоль пространства взаимодействия сильно меняется и представляет собой три максимума с глубокими минимумами. Следует отметить, что в случае распределения высшего типа колебаний, например TEM_20q, для фокусирующего сфероцилиндрического зеркала, ось цилиндра которого направлена вдоль оси х и оси симметрии BB^/ периодической структуры, согласно прототипу, эти минимумы достигают нулевых значений, и распределение вырождается в три отдельных пика, что приводит к резкому увеличению пускового тока в оротроне.

Использование фокусирующего зеркала из трех пересекающихся сферических поверхностей увеличивает длину пространства взаимодействия в оротроне вдоль оси симметрии BB₁ приблизительно в 3 раза по сравнению с конструкцией, содержащей однофокусное зеркало. При выполнении зеркала в виде четырех и более усеченных сфер пространство взаимодействия может быть увеличено.

Предложенный орортрон работает следующим образом. При включении питания электронный пучок 7, формируемый электронной пушкой 1 и магнитной фокусирующей системой (на Фиг.1 и Фиг.2 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.3. Электромагнитная волна, распространяющаяся между соседними выступами периодической структуры, проходит через отверстие 6 вывода в плоском зеркале в волновод и далее в нагрузку (на фиг.1 и фиг.2 не показаны). При значении тока I₀ электронного потока выше некоторого пускового значении I₀>I_п, система самовозбуждается и работает как автогенератор.

В коротковолновой части миллиметрового диапазона и субмиллиметровом диапазоне волн работа оротрона описанным образом будет возможна как генератора только при условии превышения рабочим током пускового. Поскольку величина пускового тока обратно пропорциональна квадрату длины пространства взаимодействия, то предложенное техническое решение может обеспечить любую его длину, требуемую для уменьшения пускового тока. При ее оптимальном выборе для заданного рабочего тока будет обеспечен максимальный КПД, и, следовательно, максимальная мощность генерации.

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.5.4. С.214.

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 ряда пересекающихся фокусирующих поверхностей одинакового радиуса, центры симметрии которых лежат на одной прямой, параллельной продольной оси симметрии периодической структуры в плоскости, перпендикулярной плоскому зеркалу и проходящей через эту ось, и отстоят друг от друга на расстояние d2r_k, где r_k - радиус каустической поверхности открытого резонатора на плоском зеркале, при этом вывод энергии расположен между коллекторным концом периодической структуры и осью симметрии ближайшей к нему фокусирующей поверхности.

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

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