Прозрачная лампа бегущей волны с модуляцией электронного пучка в области катода

Полезная модель относится к области вакуумной СВЧ электроники, а именно к приборам пролетного типа, конкретно лампам бегущей волны (ЛБВ), и предназначена для усиления колебаний в микроволновом диапазоне длин волн. Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в повышении коэффициента усиления внешних полезных сигналов, прежде всего широкополосных и сверхширокополосных, до значения более 10 дБ. Указанный технический результат достигается тем, что электровакуумный СВЧ прибор, содержащий ввод энергии, а также последовательно расположенные источник электронов, анод, спиральную замедляющую систему с выводом энергии, коллектор, согласно решению содержит модулирующую сетку, расположенную между источником электронов и анодом, при этом ввод энергии соединен с модулирующей сеткой.

Полезная модель относится к области вакуумной СВЧ электроники, а именно к приборам пролетного типа, конкретно лампам бегущей волны (ЛБВ), и предназначена для усиления колебаний в микроволновом диапазоне длин волн. Полезная модель может найти применение в системах связи (в том числе спутниковой), навигации, а также в системах радиопротиводействия и радиоподавления (А.С. Дмитриев, А.И. Панас. М.: Физматлит. - 2002; Н.Н. Залогин, В.В. Кислов. М.: Радиотехника. - 2006.).

Известна "ПРОЗРАЧНАЯ" ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (патент Российской Федерации на изобретение 2400860, МПК H01J 25/34). Лампа содержит электронную пушку, замедляющую систему типа цепочки связанных резонаторов (ЦСР), ввод и вывод СВЧ-энергии, коллектор. Резонаторы замедляющей системы выполнены с постоянным внутренним диаметром, при этом замедляющая система содержит расположенные последовательно вдоль ее оси по направлению от электронной пушки к коллектору участки, имеющие заданную длину и шаг.

Недостатком данного изобретения является узкая полоса усиления вследствие применения замедляющей системы типа ЦСР.

Известна МНОГОЛУЧЕВАЯ МИНИАТЮРНАЯ "ПРОЗРАЧНАЯ" ЛАМПА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (патент Российской Федерации на изобретение 2337425, МПК H01J 25/34). Лампа содержит многолучевую электронную пушку с многоэмиттерным катодом и управляющим электродом, расположенную между катодным и коллекторным полюсными наконечниками, замедляющую систему типа цепочки связанных резонаторов, в диафрагмах которой выполнены пролетные каналы и окна связи, а также ввод и вывод СВЧ-энергии, коллектор и магнитную фокусирующую систему, содержащую поперечно намагниченные постоянные магниты, установленные на двух противоположных сторонах каждого из полюсных наконечников перпендикулярно вводу и выводу СВЧ-энергии и замкнутые магнитопроводом.

Недостатком данного изобретения является узкая полоса усиления вследствие применения замедляющей системы типа ЦСР.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является электровакуумный СВЧ прибор [Дж. Роу. Теория нелинейных явлений в приборах СВЧ. Советское радио, М.: - 1969, 614 с]. Электровакуумный СВЧ прибор представляет собой лампу бегущей волны, в которой отсутствуют поглотители («прозрачная» лампа бегущей волны), содержащая катод, фокусирующий электрод, анод, трубу дрейфа, ввод внешнего сигнала для усиления, спиральную замедляющую систему, вывод СВЧ сигнала, коллектор. Входной сигнал подают через ввод внешнего сигнала на спиральную замедляющую систему. Усиленный сигнал снимается через вывод СВЧ сигнала, который соединен со спиральной замедляющей системой.

Недостатком данной конструкции являются малые значения усиления внешних полезных сигналов, не превышающие значений 7-9 дБ.

Задачей данного технического решения является создание такой конструкции устройства, которая могла бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов.

Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, состоит в повышении коэффициента усиления внешних полезных сигналов, прежде всего широкополосных и сверхширокополосных, до значения более 10 дБ.

Указанный технический результат достигается тем, что электровакуумный СВЧ прибор, содержащий ввод энергии, а также последовательно расположенные источник электронов, анод, спиральную замедляющую систему с выводом энергии, коллектор, согласно решению содержит модулирующую сетку, расположенную между источником электронов и анодом, при этом ввод энергии соединен с модулирующей сеткой.

Полезная модель поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема конструкции устройства. Позициями на чертеже обозначены:

1 - катод,

2 - модулирующая сетка,

3 - ввод энергии,

4 - анод,

5 - спиральная замедляющая система,

6 - вывод энергии,

7 - коллектор.

Прозрачная лампа бегущей волны с модуляцией электронного пучка в области катода содержит последовательно расположенные катод 1 в качестве источника электронов, модулирующую сетку 2, анод 4, спиральную замедляющую систему 5, вывод энергии 6, соединенный с системой 5, коллектор 7. Лампа снабжена вводом энергии 3 в виде коаксиальной линии для подвода внешнего полезного сигнала, соединенным с модулирующей сеткой 2.

Полезная модель работает следующим образом. Электронный пучок формируется источником электронов 1 и ускоряется анодом 4. Далее он проходит через модулирующую сетку 2, на которую через ввод энергии 3 подают внешний полезный сигнал для усиления. Проходя через модулирующую сетку 2, электронный пучок становится пульсирующим. Далее, двигаясь в пространстве дрейфа, где располагается спиральная замедляющая система, происходит усиление внешнего полезного сигнала, который затем выводится через вывод энергии 6. Отработанный электронный пучок далее попадает на коллектор 7.

На усилитель, в пространстве дрейфа которого отсутствуют поглотители ("прозрачная" лампа бегущей волны), подают внешний сигнал, далее этот сигнал усиливается, и с выхода СВЧ сигнала снимается усиленный внешний сигнал, при этом особенность схемы подачи внешнего сигнала заключается в том, что, во-первых, внешний сигнал подают на модулирующую сетку, которую помещают между катодом и анодом, тем самым осуществляя модуляцию электронного пучка, который впоследствии становится пульсирующим, а, во-вторых, значение отношения мощности входного сигнала к мощности электронного пучка не меньше 10^-2 .

Были проведены экспериментальные исследования предложенной конструкции прибора. Исследования проводились на прозрачной ЛБВ со спиральной замедляющей системой, схема которой представлена на фиг.1. Отличие этой лампы от описанной в работе [Дж. Роу. Теория нелинейных явлений в приборах СВЧ. Советское радио, М.: - 1969, 614 с] состоит в том, что входной сигнал подается не на спиральную замедляющую систему через коаксиальный ввод энергии, а на модулирующую сетку, расположенную вблизи катода. Обозначим традиционную конструкцию прозрачной ЛБВ вариантом 1, а с наличием модулирующей сетки в прикатодной области - вариантом 2. Был исследован импульсный режим работы усилителя, при котором длительность импульсов составляла 50 мкс, а скважность 1000. Ускоряющее напряжение изменялось в диапазоне 8-9 кВ, ток пучка составлял 300-400 мА, мощность входного сигнала изменялась в диапазоне от 20 до 100 Вт, что соответствует величине P_вх /P₀~7*10^-3÷3*10^-2, где P_вх - мощность полезного входного сигнала, P₀ =I₀*U₀ - мощность электронного пучка. Для классических приборов с большим усилением отношение мощности входного сигнала к мощности пучка равно величине порядка 10 ^-5÷10^-6. Все измерения проводились в диапазоне частот 1-2 ГГц.

Были исследованы зависимости коэффициента усиления от величины входного сигнала, подаваемого на вход спирали (вариант 1) и на модулирующую прикатодную сетку (вариант 2). Установлено, что во втором случае существенно возрастает коэффициент усиления до величины 13.26 дБ. Возбуждение прибора при этом не зафиксировано.

Исследованы зависимости электронного КПД от величины входного сигнала, подаваемого на вход спирали (вариант 1) и на модулирующую прикатодную сетку (вариант 2). Установлено, что максимальная величина электронного КПД для варианта 2 составляет 56% по сравнению с 43% для варианта 1. При этом удается небольшая рекуперация одноступенчатым коллектором. Технический КПД равен 73÷75%. Незначительно увеличилась полоса рабочих частот до величины f/f~1,5÷1,7.

Обнаруженные особенности "прозрачной" ЛБВ с модуляцией электронного пучка в области катода 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).

Электровакуумный СВЧ-прибор, содержащий ввод энергии, а также последовательно расположенные источник электронов, анод, спиральную замедляющую систему с выводом энергии, коллектор, отличающийся тем, что содержит модулирующую сетку, расположенную между источником электронов и анодом, при этом ввод энергии соединен с модулирующей сеткой.