Электровакуумный плазменный усилитель-генератор свч диапазона
Полезная модель относится к области СВЧ-техники, а именно к приборам, обеспечивающим функции широкополосного усилителя и генератора СВЧ сигналов в режиме генерации от монохроматического до широкополосного шумоподобного сигнала с малой изрезанностью спектра и шириной полосы частот, достигающей 1-2 октав. Заявляемое устройство позволяет генерировать СВЧ-сигналы без фокусирующего магнитного поля.
Задачей полезной модели является создание мощного компактного релятивисткого прибора СВЧ с возможностью генерации как широкополосного сигнала с шириной спектра до 1 октавы, так и одночастотного сигнала с возможностью перестройки спектральных характеристик генерации при сохранении большой мощности.
Поставленная задача решается тем, что электровакуумный плазменный усилитель-генератор СВЧ диапазона, включающий электронную пушку с плазменным катодом, заполненную газом электродинамическую замедляющую систему виде гофрированного волновода с вводом и выводом энергии, окно связи с вакуумным насосом, расположенное между электронной пушкой и электродинамической замедляющей системой, согласно предлагаемому решению, дополнительно содержит коллектор, включающий электродинамическую систему в виде спирали или диафрагмы, снабженную поглощающими вставками и выводом энергии, и электрод с тормозящим потенциалом, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в пространстве ее электродинамической системы виртуального катода, электродинамическая замедляющая система и электродинамическая система коллектора соединены широкополосной согласованной линией связи, а вывод энергии коллектора соединен цепью обратной связи с вводом энергии электродинамической замедляющей системы.
Полезная модель относится к области СВЧ-техники, а именно к приборам, обеспечивающим функции широкополосного усилителя и генератора СВЧ сигналов в режиме генерации от монохроматического до широкополосного шумоподобного сигнала с малой изрезанностью спектра и шириной полосы частот, достигающей 1-2 октав. Заявляемое устройство позволяет генерировать СВЧ-сигналы без фокусирующего магнитного поля.
Из уровня техники известен генератор широкополосного шумоподобного сигнала на основе электронного пучка с виртуальным катодом, находящимся в тормозящем статическом поле, так называемый виркатор (патент РФ на полезную модель №46884, МПК: Н01J 25/68), содержащий источник электронов, электродинамическую систему, коллектор, дополнительный коллектор-рекуператор энергии, расположенный между источником тока и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью улавливания отраженных от виртуального катода электронов. При этом коллектор выполнен в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Принцип функционирования генератора заключается в том, что нерелятивистский интенсивный пучок электронов инжектируется в пространство взаимодействия с потенциалом, тормозящим пучок. В результате этого в пучке возникает виртуальный катод, колебания которого регистрируются широкополосной электродинамической системой, параметры которой подобраны таким образом, что не выполняется условие синхронизма волны и пучка. Подобный генератор способен демонстрировать различные режимы колебаний от монохроматического сигнала до хаотического среднего и малого уровня мощности с шириной полосы до 2 октав и малой изрезанностью.
Недостатком низковольтного виркатора является достаточно низкий уровень мощности излучения. Однако в ряде приложений требуются мощности более высокого уровня. Использование этого прибора в качестве источника сигнала в усилительной цепочке делает всю используемую конструкцию более громоздкой и трудоемкой по исполнению.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению в электронике СВЧ является современный эффективный усилитель - пасотрон (Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2. М.: Физматлит, 2004). Основными конструктивными элементами пасотрона являются электронная пушка с плазменным катодом, являющаяся источником электронного пучка, и заполненная газом замедляющая электродинамическая структура, в которой при инжекции в нее интенсивного электронного пучка за счет ионизации газа создается плазменный канал. Электронный пучок проходит через пространство взаимодействия пасотрона в режиме ионной фокусировки, когда возникающая за счет ионизации нейтрального газа (обычно используется гелий или ксенон) плазма нейтрализует пространственный заряд пучка и создает силы, которые сжимают пучок при инжекции его в пространстве взаимодействия. Такой способ транспортировки электронного пучка через пространство взаимодействия позволяет отказаться от внешней магнитной фокусирующей системы, а следовательно, значительно снизить вес и уменьшить габаритные размеры мощных линейных источников СВЧ-излучения, требующих ту или иную фокусировку электронного пучка.
Таким образом, пасотрон представляет собой устройство, имеющее высокие значения коэффициента усиления. Можно было бы использовать для получения одновременно высоких параметров генератора и усилителя введение в конструкцию пасотрона цепи обратной связи. При выполнении определенных амплитудных и фазовых условий такое устройство могло бы генерировать одночастотный, многочастотный СВЧ-сигнал. Однако такой пасотрон-генератор СВЧ-сигналов также обладал бы существенным недостатком, связанным с тем, что на цепь обратной связи в этом случае накладывается 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 для различных частот, что в свою очередь приведет к сильной изрезанности спектра генерации, особенно в режиме генерации хаоса. В то же время в последнее время 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 пасотронов-усилителей, пасотроны-генераторы с обратной связью не могут служить перспективными источниками широкополосных
шумоподобных сигналов. Однако высокие значения коэффициента усиления и широкая полоса частот позволяют использовать пасотрон в качестве элемента усилительного каскада, где в качестве источника сигнала, как правило, широкополосного, может использоваться другой прибор с более подходящими генерационными характеристиками.
Задачей полезной модели является создание мощного компактного релятивисткого прибора СВЧ с возможностью генерации как широкополосного сигнала с шириной спектра до 1 октавы, так и одночастотного сигнала с возможностью перестройки спектральных характеристик генерации при сохранении большой мощности.
Поставленная задача решается тем, что электровакуумный плазменный усилитель-генератор СВЧ диапазона, включающий электронную пушку с плазменным катодом, заполненную газом электродинамическую замедляющую систему в виде гофрированного волновода с вводом и выводом энергии, окно связи с вакуумным насосом, расположенное между электронной пушкой и электродинамической замедляющей системой, согласно предлагаемому решению, дополнительно содержит коллектор, включающий электродинамическую систему в виде спирали или диафрагмы, снабженную поглощающими вставками и выводом энергии, и электрод с тормозящим потенциалом, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в пространстве ее электродинамической системы виртуального катода, электродинамическая замедляющая система и электродинамическая система коллектора соединены широкополосной согласованной линией связи, а вывод энергии коллектора соединен цепью обратной связи с вводом энергии электродинамической замедляющей системы.
Технический результат, достигаемый в предложенном многофункциональном приборе СВЧ, заключается в возможности использования данного прибора и как усилителя, и как мощного перестраиваемого генератора СВЧ-сигналов, генерирующего монохроматический, многочастотный и шумоподобный сигналы с полосой частот до 1 октавы без использования магнитных полей, характерных для пасотрона-усилителя.
Полезная модель основана на извлечении полезного эффекта - дополнительной энергии от отработанного электронного пучка на выходе пасотрона. Это достигнуто за счет введения дополнительного конструктивного узла - коллектора. В результате использования колебаний виртуального катода в коллекторной области было обнаружено значительное улучшение генерационных характеристик пасотрона, что позволило создать универсальный прибор, обеспечивающий генерацию широкополосного шумоподобного сигнала с высоким уровнем мощности. При этом удалось избежать трудностей, связанных с согласованием характеристик сигнала в цепочке обратной связи.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на фиг.2 - его конструкция, на фиг 3 - конструкция коллектора.
Позициями на фигурах обозначены: 1 - электронная пушка с плазменным катодом, 2 - электродинамическая замедляющая система в виде гофрированного волновода, 3 - коллектор, 4 - цепь обратной связи, 5 - вывод энергии; 6 - газовый клапан, 7 - ускоритель, 8 - окно связи с вакуумным насосом, 9 - вывод энергии с коллектора, 10 - электронный пучок, 11 - виртуальный катод, 12 - электрод с тормозящим потенциалом, 13 - ввод энергии, 14 - электродинамическая система коллектора, 15 - поглощающие вставки.
Заявляемое устройство (см. фиг.2) состоит из последовательно расположенных по направлению движения пучка: электронной пушки с плазменным катодом 1, электродинамической замедляющей системы 2, выполненной, например, в виде гофрированного волновода, и коллектора 3 (см. фиг.1), при этом коллектор 3 и электродинамическая замедляющая система 2 соединены цепью обратной связи 4, которая может быть выполнена в виде волновода или коаксиальной линии. Устройство снабжено окном связи 8 с вакуумным насосом, расположенным между электронной пушкой 1 и электродинамической замедляющей системой 2, которая в свою очередь снабжена вводом 13 и выводом 5 энергии. Коллектор 3 (см. фиг.3) состоит из расположенных в корпусе электродинамической системы 14, выполненной, например, в виде отрезка спирали или диафрагмы с поглощающими вставками 15, нагруженной на коаксиальную линию через вывод энергии 9, электрода с тормозящим потенциалом 12. Электронная пушка 1 содержит плазменный катод, газовый клапан 6 и ускоритель 7. Электронная пушка 1 с электродинамической замедляющей системой 2 обеспечивают усиление СВЧ сигнала, а коллектор - генерацию монохроматического, многочастотного и шумоподобного сигналов.
Устройство работает следующим образом. Из электронной пушки с плазменным катодом 1 выходит интенсивный электронный пучок и попадает в заполненную газом замедляющую электродинамическую систему 2, в которой за счет ионизации газа создается плазменный канал. Электронный пучок проходит через пространство взаимодействия, сформированное в замедляющей электродинамической системе 2 в режиме ионной фокусировки, когда возникающая за счет ионизации нейтрального газа (обычно используется гелий или ксенон) плазма нейтрализует пространственный заряд пучка и создает силы, которые сжимают пучок при инжекции его в пространстве взаимодействия. Затем электронный пучок попадает в коллектор 3, а именно в электродинамическую систему 14, где возникает виртуальный катод 11. СВЧ сигнал
снимается с помощью отрезка спирали или диафрагмы, нагруженной на коаксиальную линию, затем по цепи обратной связи 4 направляется на вход электродинамической замедляющей системы, и далее, усиливаясь до выходной мощности Pout, выводится через элемент вывода энергии 5 в нагрузку.
Заявляемое устройство позволяет 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) изменением величины тормозящего потенциала.
Представленные на фиг.4 и 5 расчетные зависимости показывают, что коллектор данного многофункционального прибора может генерировать широкополосные хаотические сигналы среднего уровня мощности в зависимости от тормозящего потенциала V2 на тормозящем электроде коллектора. Мощности генерации (фиг.4) при этом достигают величин порядка 0.2 кВт в наиболее благоприятном режиме работы. Далее этот сигнал усиливается в элктродинамической замедляющей системе 2 до уровня порядка Рвых ˜2-10 МВт в непрерывном или импульсном режиме в зависимости от конкретных характеристик усилителя.
На фиг.5 показаны рассчитанные зависимости ширины полосы (кривая 1), спектральной плотности шума (кривая 2) и изрезанности спектра (кривая 3) хаотического сигнала, генерируемого предлагаемым прибором в зависимости от тормозящего потенциала V2 на электроде 12 коллектора. Представленные на фиг.5 зависимости позволяют продемонстрировать преимущества предложенного многофункционального устройства. Хорошо видно, что увеличение тормозящего потенциала расширяет полосу генерируемых частот до величины порядка октавы (
f/f˜0.8), при этом растет спектральная плотность шума S при одновременном уменьшении изрезанности спектра N, которая оценивается как перепад мощностей наиболее и наименее интенсивных спектральных компонент спектра генерации широкополосного хаотического сигнала в рабочей полосе частот.
Таким образом, предложенная полезная модель представляет собой устройство - перестраиваемый мощный СВЧ источник монохроматического, многочастотного и широкополосного хаотического сигнала дециметрового и сантиметрового диапазона длин волн с шириной полосы колебаний до 1 октавы и мощностью до десятков МВт.
Электровакуумный плазменный усилитель-генератор СВЧ диапазона, включающий электронную пушку с плазменным катодом, заполненную газом электродинамическую замедляющую систему в виде гофрированного волновода с вводом и выводом энергии, окно связи с вакуумным насосом, расположенное между электронной пушкой и электродинамической замедляющей системой, отличающийся тем, что он дополнительно содержит коллектор, включающий электродинамическую систему спирали или диафрагмы, снабженную поглощающими вставками и выводом энергии, и электрод с тормозящим потенциалом, при этом коллектор выполнен с возможностью формирования в пространстве ее электродинамической системы виртуального катода, электродинамическая замедляющая система и электродинамическая система коллектора соединены широкополосной согласованной линией связи, а вывод энергии коллектора соединен цепью обратной связи с вводом энергии электродинамической замедляющей системы.
