Малогабаритный сверхнизковольтный генератор хаотических колебаний на турбулентных пучках

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначена для генерации хаотических широкополосных сигналов средней мощности. Задачей данного технического решения является создание такого генератора хаотических колебаний, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующего прототипа и обеспечил бы получение широкополосных сигналов в диапазоне высоких и сверхвысоких частот в простой схеме с использованием низких значений ускоряющих напряжений, высоким уровнем КПД и малыми габаритными размерами. Технический результат, достигаемый в предложенном широкополосном малогабаритном сверхнизковольтном генераторе хаотических СВЧ колебаний, состоит в обеспечении возможности существенного снижения ускоряющего напряжения, а также в повышении КПД устройства за счет оригинальной конструкции прибора, в которой область электронной пушки и область формирования источника мощных широкополосных микроволновых колебаний (турбулентного электронного пучка) совмещены. Поставленная задача решается тем, что генератор хаотических колебаний, содержащий последовательно расположенные катод, трубу дрейфа, включающую отрезок электродинамической системы с выводом энергии, коллектор, согласно решению в него введены экранирующая и модулирующая сетки, расположенные непосредственно за катодом, и источник неоднородного магнитного поля, расположенный с внешней стороны трубы дрейфа, при этом модулирующая сетка подключена к источнику ускоряющего напряжения и выполнена с возможностью формирования турбулентного электронного потока в области катода, а коллектор подключен к источнику напряжения, величиной меньше ускоряющего и обеспечивающего формирование тормозящего электрического поля. 1 п. ф-лы, 7 илл.

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначена для генерации хаотических широкополосных сигналов 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 к заявляемой полезной является генератор шумоподобного широкополосного СВЧ сигнала на виртуальном катоде (см. патент РФ на изобретение 2288519, МПК H01J 25/00). Генератор содержит источник электронов (катод), анод, подключенный к источнику ускоряющего напряжении, электродинамическую систему с выводом энергии, расположенную в трубе дрейфа, коллектор а также, по крайней мере, одну сетку, расположенную между анодом и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором.

Недостатками указанного генератора является то, что для получения хаотических сигналов необходимо использование больших ускоряющих напряжений (1-3 KB), также устройство имеет значительные геометрические размеры и низкие значения КПД (1-2%) данного прибора.

Задачей данного технического решения является создание такого генератора хаотических колебаний, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующего прототипа и обеспечил бы получение широкополосных сигналов в диапазоне высоких и сверхвысоких частот в простой схеме с использованием низких значений ускоряющих напряжений, высоким уровнем КПД и малыми габаритными размерами.

Технический результат, достигаемый в предложенном широкополосном малогабаритном сверхнизковольтном генераторе хаотических СВЧ колебаний, состоит в обеспечении возможности существенного снижения ускоряющего напряжения, а также в повышении КПД устройства за счет оригинальной конструкции прибора, в которой область электронной пушки и область формирования источника мощных широкополосных микроволновых колебаний (турбулентного электронного пучка) совмещены.

Поставленная задача решается тем, что генератор хаотических колебаний, содержащий последовательно расположенные катод, трубу дрейфа, включающую отрезок электродинамической системы с выводом энергии, коллектор, согласно решению в него введены экранирующая и модулирующая сетки, расположенные непосредственно за катодом, и источник неоднородного магнитного поля, расположенный с внешней стороны трубы дрейфа, при этом модулирующая сетка подключена к источнику ускоряющего напряжения и выполнена с возможностью формирования турбулентного электронного потока в области катода, а коллектор подключен к источнику напряжения, величиной меньше ускоряющего и обеспечивающего формирование тормозящего электрического поля.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема малогабаритного сверхнизковольтного генератора широкополосных хаотических СВЧ колебаний, а также внешний вид распределения магнитного и электрического полей вдоль оси генератора; на фиг.2 - зависимость ширины спектра колебаний от величины тормозящего потенциала; на фиг.3 - зависимость выходной мощности от величины напряжения на модулирующей сетке; на фиг.4 - зависимость нормированной мощности колебаний от величины тормозящего потенциала при различных ускоряющих напряжениях: кривая 1 - U ₀=200 В, кривая 2 - U₀=700 В, кривая 3 - U ₀=1000 В; на фиг.5 - зависимость КПД от напряжения на модулирующей сетке, на фиг.6 и 7 - распределение максимального значения нормированной плотности пространственного заряда вдоль оси системы: фиг.6 при К=0, фиг.7 при К=0.5.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - область электронной пушки;

2 - область торможения электронного пучка;

3 - катод;

4 - экранирующая сетка;

5 - модулирующая сетка;

6 - схематичное изображение электронного потока;

7 - отрезок электродинамической системы;

8 - вывод энергии;

9 - коллектор;

10 - схематичное изображение распределения внешнего магнитного поля;

11 - схематичное изображение распределения электрического поля.

Малогабаритный сверхнизковольтный генератор хаотических СВЧ колебаний на турбулентных электронных пучках состоит из последовательно соединенных источника электронов (область электронной пушки 1) и диодного промежутка с тормозящим полем (область торможения 2). В качестве источника аксиально-симметричного электронного пучка используется электронная пушка, которая включает в себя катод 3, экранирующую сетку 4 и модулирующую сетку 5. Экранирующая (теневая) сетка 4 предназначена для защиты модулирующей сетки 5 от попадания электронов и расположена вблизи катода перед модулирующей сеткой, при этом к экранирующей сетке приложен потенциал катода. Область торможения электронного пучка 2 представляет собой цилиндрическую проводящую трубу (трубу дрейфа) с неоднородным магнитным полем во внутренней полости, создаваемым, например, магнитными кольцами, расположенными с внешней стороны вдоль трубы, и тормозящим электростатическим полем во внутренней полости, создаваемым за счет подачи потенциала U_col<U₀ на коллектор 9. Коллектор выполнен в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Диодный промежуток содержит также отрезок электродинамической системы 7 с выводом энергии 8.

Особенность генератора состоит в том, что за счет использования модулирующей сетки в качестве анода, электронная пушка формирует сильно неламинарный (турбулентный) пучок с большим разбросом электронов по скоростям. Другими словами, в такой системе совмещены область электронной пушки и область формирования турбулентного пучка, что позволяет существенно сократить геометрические размеры генератора.

Область «модулирующая сетка - коллектор» 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 K=1-U_col/U₀, где U_col - потенциал на коллекторе, U₀ - ускоряющее напряжение, подаваемое на модулирующую сетку.

Изменение данного параметра происходит путем уменьшения или увеличения потенциала U_кол, подаваемого на коллектор.

Для повышения степени турбулентности в пучке отрезок электродинамической системы помещен в неоднородное магнитное поле, например, внутри одного или нескольких кольцевых постоянных магнитов (магнитных колец).

Принцип работы устройства следующий.

Электронная пушка 1 формирует электронный пучок, который проходит сквозь сетки 4 и 5, приобретая значительный разброс электронов по скоростям, затем попадает в область торможения 2. Введенная экранирующая сетка 4, находящаяся под потенциалом катода, позволяет защитить модулирующую сетку 5 от попадания электронов. В этом случае возрастает величина тока пучка при относительно малых напряжениях на сетке 5. Турбулентность в электронном пучке начинает формироваться уже непосредственно в области электронной пушки 1. Магнитные кольца, расположенные вдоль оси отрезка электродинамической системы 7, расположенной в трубе дрейфа в малогабаритном сверхнизковольтном генераторе широкополосных хаотических СВЧ колебаний, создают неоднородное магнитное поле, а на коллектор 8 подают потенциал U_col, величина которого меньше ускоряющего напряжения U₀ на модулирующей сетке 5. Процесс формирования турбулентности в электронном пучке продолжается под действием тормозящего электрического 11 и неоднородного магнитного поля 10 в области 2. Сгустки пространственного заряда такого пучка совершают интенсивные пространственно-временные колебания. Промодулированный таким образом электронный пучок возбуждает отрезок электродинамической системы 7. Полученный сигнал выходит из прибора через вывод энергии 8. Отработанный пучок из области отрезка электродинамической системы 7 попадает в коллектор 9. Режим генерации в приборе регулируют потенциалом на коллекторе U_col. Путем увеличения коэффициента торможения электронного пучка возможно постепенное увеличение степени модуляции электронного пучка, а вместе с тем и изменение спектра генерируемого сигнала от почти монохроматического до хаотического широкополосного и сверхширокополосного.

Экспериментальные исследования и результаты численного моделирования данной схемы, представлены на фиг.2-7. Представленные на фиг.2 и 3 экспериментальные зависимости подтверждают возможность и эффективность генерации широкополосных хаотических сигналов с помощью предлагаемого генератора. Экспериментальные исследования были проведены при ускоряющих напряжениях U₀=100÷1000 В, значениях коэффициента торможения электронного пучка К=0÷1 и значениях амплитуды магнитного поля В до 0,1 Тл. Питание лабораторного образца генератора осуществлялось в импульсном режиме. Длительность импульса ускоряющего напряжения составляла от 5 до 50 мкс, значение величины скважности составило 1000 единиц. Представленная на фиг.2 зависимость ширины спектра от величины K показывает, что нормированная ширина полосы генерации в предлагаемом генераторе имеет тенденцию к росту с увеличением коэффициента К. На фиг.3 показана зависимость интегральной мощности колебаний от ускоряющего напряжения на модулирующей сетке. Видно, что мощность растет с увеличением ускоряющего напряжения. На фиг.4 представлена зависимость нормированной мощности колебаний от величины К при различных ускоряющих напряжениях. По данным результатам можно сделать вывод, что чем больше ускоряющее напряжение, тем меньшее значение величины K необходимо, для того чтобы добиться максимальной величины мощности выходного сигнала. Заметим, что максимумы зависимостей P(U ₀) при различных величинах К разные: для случая 1 Р _max=1 Вт и U₀=200 В, для случая 2 Р_max =50 Вт и U₀=700 В, для случая 3 Р_max=300 Вт и U₀=1000 В. Из представленного рисунка видна тенденция сдвига максимума в сторону меньших значений К. На фиг.5 представлена зависимость КПД от напряжения на модулирующей сетке. Из данного графика отчетливо видно, что с увеличением ускоряющего напряжения КПД увеличивается. На фиг.6 и 7 представлены зависимости максимального значения плотности пространственного заряда вдоль оси системы для случай отсутствия торможения К=0 и случая K=0.5. Видно, что с увеличением К число сгустков пространственного заряда, а также их максимальное значение плотности увеличивается.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет генерировать сигналы с широкой полосой частот и достаточно высоким уровнем выходной мощности. При этом заявленная модель отличается малыми геометрическими размерами за счет того, что в электронной пушке в качестве анода используется модулирующая сетка, позволяющая создать в пучке значительный разброс скоростей, что приводит к процессу турбулизации пучка уже в области пушки. Использование в генераторе второй экранирующей сетки позволяет увеличить величину тока пучка при относительно малых напряжениях на сетке. Таким образом, в данной системе достигается высокий уровень КПД.

Генератор хаотических колебаний, содержащий последовательно расположенные катод, трубу дрейфа, включающую отрезок электродинамической системы с выводом энергии, коллектор, отличающийся тем, что в него введены экранирующая и модулирующая сетки, расположенные непосредственно за катодом, и источник неоднородного магнитного поля, расположенный с внешней стороны трубы дрейфа, при этом модулирующая сетка подключена к источнику ускоряющего напряжения и выполнена с возможностью формирования турбулентного электронного потока в области катода, а коллектор подключен к источнику напряжения, величиной меньше ускоряющего и обеспечивающего формирование тормозящего электрического поля.