Гибридный электровакуумный свч прибор на основе лампы бегущей волны

Авторы патента:

H01J25 - Приборы пролетного типа, например клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), магнетроны (конструктивные элементы приборов пролетного типа H01J 23/00; ускорители элементарных частиц H05H)

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначено для одновременной генерации и усиления широкополосных шумоподобных колебаний в микроволновом диапазоне длин волн. Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в уменьшении габаритов и повышении энергоэффективности. Электровакуумный СВЧ прибор содержит последовательно расположенные источник электронов, электродинамическую систему с элементами ввода и вывода энергии, коллектор-рекуператор с по крайней мере двумя электродами в форме диафрагм и выводом энергии. Вывод энергии коллектора-рекуператора соединен с одним из электродов, при этом электроды коллектора-рекуператора подключены к источникам потенциала различного значения. 1н., 1 з.п. ф-лы, 6 илл.

Шумоподобные 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 устройства, предназначенные для генерации и усиления узкополосных и широкополосных СВЧ сигналов.

Классическим усилителем в электронике СВЧ является лампа бегущей волны (ЛБВ) (Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. T.1. М.: Физматлит, 2003). Основными конструктивными элементами ЛБВ являются источник электронов, широкополосная электродинамическая система (ЭДС) с вводом и выводом энергии и коллектор электронов. Главной особенностью ЛБВ является возможность усиливать СВЧ-сигналы в широком диапазоне частот, благодаря использованию в конструкции прибора широкополосной электродинамической системы (ЭДС). В качестве таковой в ЛБВ используется обычно спиральная замедляющая система со слабой аномальной дисперсией. При этом значения коэффициента усиления в пиковом режиме достигают величин порядка 60 дБ дл узкополосного сигнала. В режиме широкополосного сигнала коэффициент усиления составляет величину порядка 30 дБ. Лампа бегущей волны может быть использована в качестве генератора, для чего в конструкцию ЛБВ необходимо ввести цепь обратной связи. При выполнении определенных амплитудных и фазовых условий такая лампа позволяет генерировать одночастотный, многочастотный или хаотический СВЧ-сигнал (ЛБВ-шумотрон, см., например, Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием // Радиотехника и электроника, 1979, т.24, N 6, с.1118). Однако ЛБВ-генератор СВЧ-сигналов обладает существенным недостатком, связанным с тем, что на цепь обратной связи в этом случае накладываются жесткие фазовые условия и условия согласования волноводов с прибором. Невозможность четкого выполнения этих условий во всем диапазоне частот приводит к тому, что амплитуда генерируемого сигнала будет сильно различаться дл различных частот, что в свою очередь приводит к сильной изрезанности спектра генерации, особенно в режиме генерации хаоса. В то же врем в последнее врем с развитием техники систем связи, приборной базы информационно-коммуникационных систем и т.д. все более востребованными становятся СВЧ-приборы, способные генерировать широкополосные хаотические сигналы с малым перепадом между максимальным и минимальным уровнем мощности в пределах полосы генерации. Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что, несмотря на рекордные по ширине полосы характеристики ЛБВ-усилителей, ЛБВ-генераторы с обратной связью не могут служить перспективными источниками широкополосных шумоподобных сигналов. Однако высокие значения коэффициента усиления и широка полоса частот позволяют использовать лампу бегущей волны в качестве элемента усилительного каскада, где в качестве источника сигнала, как правило, широкополосного, может использоваться другой прибор с более подходящими генерационными характеристиками. Кроме того, ЛБВ-усилитель с запаздывающей обратной связью в данном случае работает только в режиме генератора и не имеет возможности усиливать внешний сигнал.

Известен патент РФ на полезную модель 94762, МПК H01J 25/00, H01J 25/68. Из этого патента известен перестраиваемый генератор широкополосных хаотических СВЧ колебаний, содержащий электронную пушку, коллектор, электродинамическую систему, выполненную с возможностью создания усиления, отличающийся тем, что в него дополнительно введена секция модуляции электронного пучка, представляющая собой полый цилиндрический проводящий элемент, окруженный магнитными кольцами, при этом секция модуляции электронного пучка выполнена с возможностью формирования в ней электронного пучка за счет подачи на электродинамическую систему потенциала U_эдс меньшего, чем ускоряющее напряжение U₀ , и возможностью формирования турбулентного электронного пучка за счет увеличения величины тормозящего потенциала. Принцип работы генератора следующий. Электронный пучок формируется электронной пушкой. Он инжектируется в секцию модуляции, где под действием неоднородного магнитного и тормозящего электрического поля становится турбулентным, состоящим по длине из отдельных сгустков пространственного заряда. Тормозящее электрическое поле создается путем подачи потенциала U_эдс<U₀, где U_эдс - потенциала на электродинамической системе усилителя (ЭДСУ), U₀ - ускоряющее напряжение на аноде. Промодулированный электронный пучок попадает в область ЭДСУ, где происходит его усиление. Из области ЭДСУ отработанный пучок попадает в коллектор. Выходной сигнал снимается с усилителя через вывод энергии. Режим генерации в устройстве регулируется путем изменения потенциала на ЭДСУ U_edsa. Под действием сильного магнитного поля плотность пространственного заряда в некоторых областях пучка в 50-70 раз превышает начальные значения, что приводит к образованию отдельных сгустков (групп электронов) неустойчивых в пространстве и во времени. Движущийся сгруппированный интенсивный электронный пучок обладает мощностью, которая может быть превращена в радиоизлучение в процессе его торможения. Таким образом, в вышеописанном перестраиваемом генераторе широкополосных хаотических СВЧ колебаний на основе турбулентных электронных пучков реализована простая и эффективная схема управления режимом генерируемых колебаний за счет изменения тормозящего потенциала (потенциала, который подается на ЭДСУ). Уровень выходной мощности достигает значения порядка 17 Вт, при этом значения электронного и технического КПД также высоки (16% и 24% соответственно). Однако, данный генератор также лишен возможности усиливать внешний сигнал.

Наиболее близкий аналог описан в патенте РФ на изобретение 2288518, МПК H01J 25/00. Из этого патента известен электровакуумный прибор СВЧ диапазона, который состоит из источника электронов, электродинамической системы с элементами ввода и вывода энергии и коллектора с системой электродов. Устройство содержит дополнительную электродинамическую систему с элементом вывода энергии, расположенную в коллекторе и снабженную поглощающими вставками на входе, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в его пространстве виртуального катода, а элемент вывода дополнительной электродинамической системы соединен с элементом ввода основной электродинамической системы. Предложенный многофункциональный СВЧ-прибор содержит следующие основные конструктивные элементы. Усилительный модуль прибора содержит источник электронов, формирующий электронный пучок, который затем попадает в ЭДСУ. Далее, отработанный пучок попадает в модуль генерации - коллектор-генератор. СВЧ-сигнал, снимаемый в коллекторе-генераторе, по цепи связи попадает на входной элемент ЭДСУ, далее, усиливаясь, выводится через элемент вывода энергии. В данном случае представлен пример технического выполнения предложенного прибора в виде коллектора-генератора с тремя электродами. Имеется отработанный электронный пучок с начальным разбросом электронов по скоростям. В корпус коллектора-генератора помещены: первая секция - электрод, вторая секция - электрод и третья секция - электрод. Между первой и второй секциями в приборе расположен отрезок широкополосной электродинамической системы коллектора (ЭДСК), нагруженной поглощающей вставкой и элементом вывода энергии. Между первой и второй секциями коллектора-генератора в области ЭДСК образуется виртуальный катод. Для сбора электронов в коллекторе-генераторе предназначен третий электрод. Устройство работает следующим образом. Электронный пучок формируется источником электронов и проходит через область электродинамической системы, где под действием электромагнитного поля ЭДСУ группируется, а затем из области ЭДСУ попадает в коллектор-генератор. Далее в коллекторе-генераторе отработанный электронный пучок попадает в область тормозящего поля, образованного разностью потенциалов V₂ и V₁ (V₂<V₁ ) и создает виртуальный катод, пространственно-временные колебания которого регистрируются отрезком ЭДСК с выводом энергии. Характер колебаний изменяется от одночастотных и многочастотных до шумоподобных в зависимости от отношения V₂/V₁. При этом разброс электронов пучка по скоростям, который имеет место за счет группирования в усилительном модуле прибора, позволяет значительно улучшить характеристики СВЧ-сигнала в режиме хаотической генерации, т.е. спектр колебаний расширяется, а также уменьшается изрезанность спектра. Отраженные от виртуального катода электроны попадают на первую секцию коллектора (V₁<V₀), а проходящие - на третью секцию (V₃<V₀ ). Сигнал, снимаемый отрезком ЭДСК, с элемента вывода энергии по цепи связи поступает на вход усилителя, где происходит усиление этого сигнала в ЭДСУ. Далее полученный усиленный сигнал выводится из прибора через элемент вывода энергии ЭДСУ. Как показали экспериментальные исследования подобной схемы, изменяя тормозящий потенциал, существует возможность управлять как амплитудой хаотических СВЧ-колебаний, так и шириной полосы частот (от узкополосных, близких к одночастотным колебаниям, так и до широкополосных шумоподобных колебаний с шириной полосы более октавы). Коллектор-генератор данного многофункционального прибора может генерировать сигнал малого и среднего уровней мощности в зависимости от тормозящего потенциала на второй секции коллектора-генератора. Мощности генерации при этом достигают величин порядка 300 мВт в наиболее благоприятном режиме работы. При этом технический к.п.д. подобного генератора, используемого как коллектор прибора O-типа, достигает величин от 4 до 14% в зависимости от тормозящего потенциала V₂ и различного соотношения потенциалов электродов внутри коллектора-генератора. Мощность колебаний, получаемая в коллекторе-генераторе, усиливается более чем в сто раз, что составляет усиление по мощности более 20 дБ. При этом технический к.п.д. такого «гибридного» прибора увеличивается более чем в два раза до 30%, а электронный составляет величину порядка 25%. Недостатком данной конструкции является то, что она не позволяет осуществлять усиление полезного внешнего СВЧ сигнала.

Задачей данного технического решения является создание такой конструкции устройства, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов и обеспечила бы одновременное осуществление генерации СВЧ сигнала малой и средней мощности и усиление полезного внешнего СВЧ сигнала, том, что существует возможность проводить одновременное усиление внешнего полезного сигнала за счет отсутствия цепи внешней обратной связи и снимать с коллектора усилителя (лампа бегущей волны) сигнал малой и средней мощности, подавая на каждую ступень коллектора разность потенциалов, подбор значения которой осуществляется исходя из требования образования в коллекторе множества сгустков пространственного заряда.

Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в уменьшении габаритов и повышении энергоэффективности.

Поставленная задача решается тем, что на усилитель (лампа бегущей волны) подают внешний сигнал, далее этот сигнал усиливается в усилительной секции ЛБВ, и с выхода усилительной секции ЛБВ снимается усиленный внешний сигнал, при этом отсутствует внешняя цепь обратной связи, а на ступени коллектора-рекуператора подаются разные значения разности потенциалов, подбор значений которой осуществляется исходя из требования образования в коллекторной области ЛБВ множества сгустков пространственного заряда, которые являются источниками широкополосных шумоподобных колебаний малой и средней мощности в микроволновом диапазоне.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1-2 представлена принципиальная схема конструкции устройства, где

1 - источник электронов,

2 - электродинамическая система (ЭДСУ) усилительного модуля ЛБВ,

3 - многоступенчатый коллектор-рекуператор,

4 - элемент ввода внешнего полезного сигнала для усиления в ЭДСУ,

5 - элемент вывода усиленного в ЭДСУ внешнего полезного сигнала,

6 - элемент вывода сигнала, генерируемого в многоступенчатом коллекторе ЛБВ,

7 - первая ступень коллектора-рекуператора, на которую подается потенциал U₁,

8 - вторая ступень коллектора-рекуператора, на которую подается потенциал U₂,

9 - третья ступень коллектора-рекуператора, на которую подается потенциал U₃.

Полезная модель, согласно предлагаемому решению содержит последовательно расположенные источник электронов 1, электродинамическую систему 2 с элементами ввода 4 и вывода 5 энергии, коллектор-рекуператор 3 с тремя электродами 7-9 в форме диафрагм и выводом энергии 6. Вывод энергии коллектора-рекуператора соединен с одним из электродов, при этом электроды коллектора-рекуператора подключены к источникам потенциала различного значения. Потенциал первого электрода U₁=0.8÷0.65 U₀, потенциал второго электрорда U₂=0.6÷0.5 U₀, потенциал третьего электрода U₃=0.3÷0.1 U₀, где U₀ - ускоряющее напряжение.

Полезная модель работает следующим образом.

Электронный пучок формируется источником электронов 1. Далее он попадает в усилительный модуль ЛБВ, в котором осуществляется усиление внешнего полезного сигнала, вводимого через элемент ввода 4. Усиленный с помощью электродинамической системы в усилительном модуле ЛБВ внешний сигнал выводится через элемент вывода энергии 5. Отработанный электронный пучок далее попадает в многоступенчатый коллектор-рекуператор ЛБВ 3 с целью оптимального осаждения на электроды 7-9 коллектора. Помимо решения вопросов рекуперации коллектор-рекуператор представляет собой генератор шумоподобных колебаний в силу того, что в нем есть все условия для их возбуждения:

- отработанный электронный пучок является многоскоростным;

- наличие вторичных электронов;

- наличие отраженных электронов.

Оптимальные потенциалы ступеней 7-9 коллектора-рекуператора задаются следующими - потенциал первой ступени 7 U₁=0.8÷0.65 U₀. (U₀ - ускоряющее напряжение), потенциал второй ступени 8 U₂=0.6÷0.5 U₀, потенциал третьей ступени 9 U₃=0.3÷0.1 U₀.

Были проведены экспериментальные исследования предложенной конструкции гибридного прибора. Экспериментальные исследования были проведены на базе ЛБВ с трехступенчатым коллектором, вторая (средняя) секция которого служила петлей связи для широкополосного вывода СВЧ энергии (см. фиг.1). Основные параметры используемой ЛБВ десятисантиметрого диапазона были следующими:

- Ускоряющее напряжение U₀=4.2 кВ;

- Ток пучка I₀ =200 мА;

- Выходная мощность Р_out=180 Вт;

- КПД электронный _e=21%;

- КПД технический _T=40-45%;

- Частота ₀=1.7 ГГц.

Сначала были исследованы характеристики собственного самих электронных пучков на входе в коллекторную область. Поскольку ЛБВ представляет собой систему вакуумной СВЧ электроники, предназначенную преимущественно для усиления различного рода сигналов микроволнового диапазона длин волн, то в большинстве всех экспериментальных исследований изучалось именно влияние уровня сигнала, подаваемого на вход ЛБВ, на различные характеристики как самих электронных пучков, так и характеристики выходного излучения. С использованием разборной вакуумной установки и СВЧ зонда удалось исследовать зависимость разброса электронов по скоростям от нормированного значения уровня входного сигнала. Нормировка уровня входного сигнала Р_in осуществлялась на уровень входного сигнала, при котором мощность выходного сигнала ЛБВ достигает максимума и выходит на насыщение (P_in )_max. Используя подобную нормировку, можно рассмотреть как уровень входного сигнала влияет на мощностные характеристики генерации ЛБВ - это область значений P_in/(P_in )_max<1. В области значений P_in/(P_in)_max>1 мощность выходной генерации ЛБВ не изменяется, и здесь следует сосредоточиться на том, как уровень входного сигнала влияет на другие характеристики выходного излучения (полоса генерации, качество спектра генерации и т.д.). На фиг.3 приведены зависимости ширины спектра скоростей электронов и первой гармоники тока на входе в коллектор от уровня входной мощности. Видно, что уровень группировки на входе в коллектор достигает максимума при P_in/(P_in)_max=0.6 и резко падает при дальнейшем увеличении входного сигнала. Разброс электронов по скоростям увеличивается при приближении Р_in /(Р_in)_mах к 1, а затем его значение уменьшается.

На фиг.4 приведены результаты измерения выходной мощности и полосы частот генерации шумоподобных СВЧ колебаний, снимаемых с коллекторной области ЛБВ, от величины входного сигнала ЛБВ. Видно, что мощность достигает максимального значения при Р_in/(Р_in)_mах ~0.5÷0.6 и затем уменьшается, а полоса частот при этом возрастает, что объясняется наличием многих сгустков пространственного заряда, активно формирующихся в многоскоростном электронном пучке при входе в коллекторную область.

На фиг.5 приведены экспериментальные результаты исследования изменения максимальной частоты генерации в зависимости от уровня интегральной мощности входного сигнала. Из фиг.5 видно, что максимальная частота генерации _max увеличивается с ростом интегральной мощности входного сигнала. Здесь же приведены полученные в ходе проведенных экспериментальных исследований данные по изменению амплитуды сигнала на частоте сигнала ЛБВ (₀=1.7 ГГц). Амплитуда сигнала, обусловленная остаточной группировкой, имеет максимум в области P_in /(P_in)_max ~0.7÷0.8, а затем резко уменьшается, что связано с резким уменьшением первой гармоники тока I в этой области.

Наличие положительных ионов вносит определенный эффект в формировании и удержании от развала сгустков пространственного заряда. Отметим, что значение давления остаточных газов, измерение которого были проведены в ходе постановки экспериментальных исследований, не выходило за диапазон 3÷4×10^-4 Торр. На фиг.6 приведены результаты зависимости выходной интегральной мощности генерируемых шумоподобных колебаний в течение модулирующего импульса длительностью =10 мкс. Измерение проводились на полке импульса, то есть передний и задний фронты импульса были исключены из рассмотрения. Экспериментальные исследования были проведены при различных значениях уровня входного сигнала. Видно, что при увеличении длительности импульса наблюдается увеличение выходной интегральной мощности генерации. Полученный результат может быть обусловлен следующими двумя факторами: колебания ионов и влияние ионов на плотность и время удержания сгустков пространственного заряда от развала.

Отметим, что максимальная интегральная мощность, снимаемая с коллекторной области ЛБВ, составляет 12 Вт, а максимальная частота и полоса генерации достигает значений соответственной _maх=7÷8 ГГц и /~1.4÷1.6, при этом максимальная выходная мощность усиленного внешнего полезного сигнала в используемой ЛБВ может достигать 180 Вт.

Таким образом, предложенная конструкция гибридного электровакуумного СВЧ прибора на основе лампы бегущей волны в динамическом режиме работы представляет собой гибридный электровакуумный прибор, позволяющий усиливать входную мощность на 30÷40 Б, при этом одновременно генерировать СВЧ сигнал с коллекторной области. Другими словами, при определенных условиях такой прибор может заменить собой два прибора. При этом ЛБВ с коллектором-генератором можно настроить либо на оптимальный режим работы как усилитель, при этом мощность генерации с коллекторной области не будет максимальной, либо как генератор с максимально возможным значением выходной мощности с коллекторной области, при этом коэффициент усиления ЛБВ не будет достигать максимально возможного значения, при этом возможны и промежуточные варианты. Кроме того, изменяя потенциалы на ступенях коллектора можно управлять спектром генерации с коллектора-рекуператора, получая одночастотные, узкополосные или широкополосные шумоподобные сигналы. Стоит отметить, что этот же прибор имеет возможность усиливать шумоподобные сигналы, подаваемые с коллекторной области на вход усилителя, при этом выходная интегральная мощность шумоподобного сигнала в 1.4÷1.6 раза меньше мощности усиления моносигнала. Подавая на элемент ввода энергии усилительного модуля одночастотный сигнал, в коллекторе-рекуператоре имеется возможность получать либо одночастотный сигнал, либо узкополосный, либо широкополосный сигнал за счет управления значениями потенциалов на ступенях коллектора-рекуператора. Подавая на элемент ввода энергии усилительного модуля узкополосный шумоподобный сигнал, при этом в коллекторе-рекуператоре имеется возможность получать либо одночастотный сигнал, либо узкополосный, либо широкополосный за счет управления значениями потенциалов на ступенях коллектора-рекуператора. Подавая на элемент ввода энергии усилительного модуля широкополосный шумоподобный сигнал, при этом в коллекторе-рекуператоре имеется возможность получать либо одночастотный сигнал, либо узкополосный, либо широкополосный за счет управления значениями потенциалов на ступенях коллектора-рекуператора.

Обнаруженные особенности ЛБВ с коллектором-генератором могут найти практическое применение в радиолокационных системах и устройствах (Залогин Н.Н., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. М.: Радиотехника, 2006. 208 с.).

1. Электровакуумный СВЧ прибор, содержащий последовательно расположенные источник электронов, электродинамическую систему с элементами ввода и вывода энергии, коллектор-рекуператор с по крайней мере двумя электродами в форме диафрагм и выводом энергии, отличающийся тем, что вывод энергии коллектора-рекуператора соединен с одним из электродов, при этом электроды коллектора-рекуператора подключены к источникам потенциала различного значения.

2. Устройство по п.1, отличающийся тем, что коллектор-рекуператор снабжен тремя электродами, причем потенциал первого U₁ =0,8÷0,65 U₀, потенциал второго U₂ =0,64÷0,5 U₀, потенциал третьего U₃ =0,3÷0,1 U₀, где U₀ - ускоряющее напряжение.