Генератор хаотических свч колебаний на встречных турбулентных электронных пучках
Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначена для генерации хаотических широкополосных сигналов малой и средней мощности. Технический результат, достигаемый в предложенном генераторе хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках, состоит в существенном увеличении тока эмиссии с катодов при уменьшении ускоряющих напряжений, а также в повышении КПД устройства за счет оригинальной конструкции прибора, в которой ускоряющий электрод значительно приближен к катоду. Указанный технический результат достигается тем, что генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках, включающий два термокатода 1, расположенную между термокатодами электродинамическую систему 4 с, по крайней мере, одним выводом энергии 6, согласно решению, внутри электродинамической системы расположена тормозящая сетка 5, вблизи каждого термокатода со стороны тормозящей сетки расположена ускоряющая сетка 3, а с внешней стороны электродинамической системы расположен источник неоднородного магнитного поля. Генератор содержит две экранирующие сетки 2, каждая из которых расположена между термокатодом и ускоряющей сеткой.
Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначена для генерации хаотических широкополосных сигналов малой и средней мощности.
Хаотические сигналы находят широкое применение в различных областях техники, таких как информационно-телекоммуникационные системы, радиолокация, измерительная техника и т.д. (А.С.Дмитриев, А.И.Панас. М.: Физматлит. - 2002; Н.Н.Залогин, В.В.Кислов. М.: Радиотехника. - 2006.). Кроме того, представляется перспективным использование подобных сигналов в ряде отраслей обрабатывающей промышленности, таких как нефтеперерабатывающая промышленность, деревообрабатывающая и т.п. (Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Березин С.И. Наука и технологии в промышленности. 3 (2009) 28-31.)
Известны различные способы и устройства, предназначенные для формирования (генерирования) широкополосных СВЧ хаотических сигналов. Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели является СВЧ-генератор на виртуальных катодах (см. патент РФ на изобретение 
2325724, МПК H01J 25/68). Из этого патента известен малогабаритный низковольтный источник управляемых широкополосных шумоподобных колебаний малого уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн. Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ-генератор содержит два источника электронов в виде двух термокатодов с общим ускоряющим анодом и электродинамическую систему с двумя выводами энергии, при этом термокатоды расположены с противоположных сторон от ускоряющего анода с возможностью создания встречных электронных потоков. Ускоряющий анод выполнен в виде диафрагмы, а перечисленные элементы генератора расположены с возможностью формирования виртуальных катодов в пространстве между ускоряющим анодом и термокатодами. Существенными недостатками указанного генератора являются:
1. малые значения тока эмиссии, которые обусловлены тем, что интенсивные колеблющиеся сгустки пространственного заряда (структура типа «виртуальный катод») образуются вблизи катодов, которые находятся под нулевым потенциалом;
2. отсутствует возможность изменения степени торможения электронного пучка, что в свою очередь сильно затрудняет управление режимами генерации колебаний.
Задачей данного технического решения является создание такого генератора хаотических колебаний, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующего аналога и обеспечил бы получение широкополосных сигналов в диапазоне высоких и сверхвысоких частот в простой схеме с использованием низких значений ускоряющих напряжений, высоким уровнем КПД, возможность управления режимами генерации и малыми габаритными размерами.
Технический результат, достигаемый в предложенном генераторе хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках, состоит в существенном увеличении тока эмиссии с катодов при уменьшении ускоряющих напряжений, а также в повышении КПД устройства за счет оригинальной конструкции прибора, в которой ускоряющий электрод значительно приближен к катоду.
Указанный технический результат достигается тем, что генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках, включающий два термокатода, расположенную между термокатодами электродинамическую систему с, по крайней мере, одним выводом энергии, согласно решению, внутри электродинамической системы расположена тормозящая сетка, вблизи каждого термокатода со стороны тормозящей сетки расположена ускоряющая сетка, а с внешней стороны электродинамической системы расположен источник неоднородного магнитного поля. Генератор содержит две экранирующие сетки, каждая из которых расположена между термокатодом и ускоряющей сеткой. Термокатоды и экранирующие сетки имеют нулевой потенциал, ускоряющая сетка подключена к источнику ускоряющего напряжения U0, а тормозящая сетка подключена к источнику напряжения Uторм<U 0.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1, где представлена принципиальная схема генератора, а также внешний вид распределения магнитного и электрического полей вдоль оси генератора. На фиг.2-4 представлены результаты экспериментальных исследований заявляемого устройства. Позициями на фиг.1 обозначено:
1 - катод;
2 - экранирующая сетка;
3 - ускоряющая сетка;
4 - отрезок широкополосной электродинамической системы;
5 - тормозящая сетка,
6 - широкополосный вывод энергии;
7 - схематичное изображение распределения внешнего неоднородного магнитного поля;
8 - схематичное изображение распределения тормозящего электрического поля.
Малогабаритный сверхнизковольтный генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках состоит из последовательно соединенных первого источника электронов, одного, двух или более отрезков широкополосных электродинамических систем 4 с выводом энергии 6, тормозящей сетки 5 и второго источника электронов.
В качестве источников аксиально-симметричного электронного пучка используются электронные пушки, которые расположены с противоположных сторон от тормозящей сетки 5 с возможностью создания встречных электронных потоков и включают в себя катод 1, экранирующую сетку 2, ускоряющую сетку 3.
Область торможения электронного пучка представляет собой цилиндрическую проводящую трубу с неоднородным внешним магнитным полем, создаваемым магнитными кольцами, расположенными вдоль трубы, и тормозящим электростатическим полем, создаваемым за счет подачи потенциала Uторм<U0 на тормозящую сетку 5, расположенную в центре конструкции между источниками встречных электронных пучков.
Принцип работы устройства следующий.
Встречные электронные пучки формируются катодами 1. Они проходят сквозь сетки 2 и 3, вследствие чего электроны приобретают значительный разброс по скоростям, затем попадают в область, где присутствует тормозящее электрическое поле, создаваемое тормозящей сеткой 5. Турбулентность в электронных пучках начинает формироваться уже непосредственно после ускоряющих сеток 3. Процесс формирования турбулентности в электронном пучке продолжается под действием тормозящего электрического 8 и неоднородного магнитного поля 7. Сгустки пространственного заряда таких встречных пучков совершают интенсивные пространственно-временные колебания и возбуждают отрезки широкополосных электродинамических систем 4. Полученный сигнал выводится из прибора через широкополосный вывод энергии 6. Режим генерации в приборе регулируется потенциалом Uторм на тормозящей сетке 5 и потенциалом U0 на ускоряющих сетках 3.
Особенность генератора состоит в том, что за счет использования ускоряющей сетки в качестве анода, электронная пушка формирует сильно неламинарный (турбулентный) пучок с большим разбросом электронов по скоростям. Другими словами, в такой системе совмещены области электронной пушки и формирования турбулентного пучка, что позволяет существенно сократить геометрические размеры генератора.
Область между катодами выполнена с возможностью усиления в ней степени турбулентности электронного пучка за счет его торможения путем увеличения коэффициента торможения электронного пучка К, который представляет собой следующую безразмерную величину:
К=1-Uторм/U0,
где Uторм - потенциал на тормозящем электроде, выполненном в виде сетки, которая расположена в центре конструкции, U0 - ускоряющее напряжение, подаваемое на ускоряющие сетки. Изменение данного параметра происходит путем уменьшения или увеличения потенциала Uторм, подаваемого на тормозящую сетку. Изменяя коэффициент торможения электронного пучка K, возможно постепенное изменение спектра генерируемого сигнала от почти монохроматического до хаотического широкополосного и сверхширокополосного.
Для повышения степени турбулентности в пучке в пространстве между катодами создают неоднородное магнитное поле, присутствие которого приводит к перераспределению величин модулей компонент скоростей у электронов: продольные компоненты скорости уменьшаются, а поперечные и азимутальные компоненты увеличиваются, что ведет к еще большему торможению электронных пучков. Таким образом, наличие тормозящего электрического поля и неоднородного магнитного поля способствует формированию и усилению развитой турбулентности в электронном пучке, что ведет образованию большого количества сгустков пространственного заряда, совершающих интенсивные пространственно-временные колебания, которые являются источниками широкополосного хаотического микроволнового излучения.
Был изготовлен и исследован генератор, выполненный по схеме, представленной на фиг.1, отличительной особенностью которой, как описано выше, является наличие электрода-отражателя в виде сетки (тормозящей сетки) вместо анода, при этом на электрод-отражатель подают отрицательный относительно ускоряющих сеток потенциал. В приборе использовано неоднородное магнитное поле величиной 0,02 Тл. Управляющими параметрами также выступают, ускоряющее напряжение U0 на ускоряющих сетках и коэффициент торможения электронного пучка К. На фиг 2 приведены зависимости тока первого катода для ближайшего аналога (кривые 1 и 2) и предлагаемой конструкции (кривые 3 и 4) генератора в случае включенного и выключенного второго катода: кривая 1 соответствует зависимости тока первого катода от напряжения U0 на аноде при включенном втором катоде (для ближайшего аналога); кривая 2 - от напряжения U 0 на аноде при выключенном втором катоде (для ближайшего аналога); кривая 3 - от напряжения U0 на ускоряющей сетке при включенном втором катоде (для предлагаемой конструкции); кривая 4 - от напряжения U0 на ускоряющей сетке при выключенном втором катоде (для предлагаемой конструкции) Из рисунка отчетливо видно, что для предлагаемого технического решения (кривые 3 и 4) в каждом случае наблюдается гораздо больший ток. Кроме того, сравнив кривые 2 и 4 на фиг.2, можно утверждать, что в случае предлагаемого технического решения (фиг.1) включенный второй катод гораздо меньше снижает ток с первого катода, чем в случае ближайшего аналога.
На фиг.3 представлена зависимость полосы частот генерации 
f/f (кривая 1) и относительной величины интегральной мощности P (кривая 2) от величины коэффициента торможения электронного пучка K (представленный результат получен при напряжении U 0=500 В). На фиг.4 приведена зависимость величины КПД 
от величины ускоряющего напряжения U0.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что оптимальная величина ускоряющего напряжения генератора лежит в диапазоне 500-600 В. Установлено, что оптимальной величиной коэффициента торможения электронного пучка является значение K=0,5-0,6, однако наибольшая полоса частот достигается при значениях K=0,7-0,8. Отметим, что максимальная величина КПД составляет 8.3% и достигается при значении ускоряющего напряжения U0=600 В. Были также проведены экспериментальные исследования по измерению генерируемой интегральной мощности. Проведенные исследования показали, что при оптимальных значениях ускоряющих напряжений и КПД порядка 8% величина генерируемой мощности широкополосных колебаний достигает 20 Вт.
Подводя итог проведенным исследованиям, можно сказать, что предлагаемая схема генератора обладает следующими достоинствами:
- Оптимальное ускоряющее напряжение U0=500-600 В;
- Суммарный ток электронных пучков I=500-700 мА;
- Возможность простой и быстрой перестройки режима генерации колебаний;
- Выходная интегральная мощность при оптимальных значениях ускоряющего напряжения - до 20 Вт;
- КПД =7-8%;
- Полоса частот f/f=1.3-1.6.
Габаритные параметры: длина прибора: l=90 мм., диаметр поперечного сечения: d=80 мм.
1. Генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках, включающий два термокатода, расположенную между термокатодами электродинамическую систему с, по крайней мере, одним выводом энергии, отличающийся тем, что внутри электродинамической системы расположена тормозящая сетка, вблизи каждого термокатода со стороны тормозящей сетки расположена ускоряющая сетка, а с внешней стороны электродинамической системы расположен источник неоднородного магнитного поля.
2. Генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках по п.1, отличающийся тем, что он содержит две экранирующие сетки, каждая из которых расположена между термокатодом и ускоряющей сеткой.
3. Генератор хаотических СВЧ колебаний на встречных турбулентных электронных пучках по п.2, отличающийся тем, что термокатоды и экранирующие сетки имеют нулевой потенциал, ускоряющая сетка подключена к источнику ускоряющего напряжения U0 , а тормозящая сетка подключена к источнику напряжения U торм<U0.
