Способ отбора высокочастотной энергии от модулированного электронного потока

 

СПОСОБ ОТБОРА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭНЕРГИИ ОТ МОДУЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА, включакхдий операцию введения сгруппированного электронного потока в пространство взаимодействия выходной электродинамической системы и последующего самосогласованного торможения электронов , отлйчающи и.-С я тем, что, с целью повышения эффективности отбора энергии, в выходной электродинамической системе дополнительно возбуждают электромагнитное поле кратных частот, амплитуда и фаза которого удовлетворяют следующим соотношениям-: :|--(«-2)- Mlci ) |где ,3,4,...; At- амплитуда напряжения первой гармоники (Л А|(- амплитуда напряжения lt-ой гармоники; сдвиг фазы между полями К-ой и первой гармоник. 4 ЭО :д с

„.SU» 1048531 А

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5 ) Н 01 J 25/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3441583/18-21 (22) 25.05.82 (46) 15.10.83. Бюл. 9 38 (72) Ю,Д.Тур (53) 621 ° 385.6 (088.8) (56) 1. -Вайнштейн А.A. Солнцев В.A.

Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М., "Советское радио", 1973.

2. Кочетова В.A Малыхин А,В., Петров д.М. Критерии оптимальностн и форма оптимального сгустка электронов в пролетном клистроне.-"Радиотехника и электроника", 1980, Р 9, с. 1936. (54)(57) СПОСОБ ОТБОРА ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭНЕРГИИ ОТ МОДУЛИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА, включающий операцИЮ введения сгруппированного электронного потока в пространство взаимодействия выходной электродинамической системы и последующего самосогласованного торможения электронов, о т л и ч а ю щ и й..с я тем, что, с целью повышения эффективности .отбора энергии, в выходной электродинамической системе дополнительно возбуждают электромагнитное поле кратных частот, амплитуда и фаза которого удовлетворяют следующим соотношениям. о<А„Ja„- к -(М-2) Oq — -(К-2) - г-1

Я 7 ° Я.Ъ где К = 2, 3, 4, А1 " амплитуда напряжения первой i гармоники

4»- амплитуда напряжения K-ой гармоники;

Ч „- сдвиг фазы между полями K-ой и первой гармоник.

1048531 тудой и сдвигом фаз.

На фиг. 1 схематично представлена одна из конструкций, реализующая предлагаемый способ. Усилитель состо

3О ит из резонансной группирующей сис, темы 1, выходного резонатора 2, элемента 3 связи и нагрузки 4, в которую установлен направленный ответвитель 5 для ВЧ мощности кратных частот, который высокочастотным трактом 6 и элементом 7 связи обеспечивает возбуждение в выходной резонансной системе полей кратных частот с амплитудой и фазой, регулируемой аттенюатором 8 и фазовращателем 9.

4О фиг. 2 характеризует -другую возможную реализацию йредлагаемого способа. Усилитель пролетного типа, содержит замедляющую систему 10 и выходную систему 11, связанную через

45 элемент 12 связи с нагрузкой 13.

Имеется дополнительный резонансный элемент 14, установленный за основной выходной системой усилителя по ходу пучка, связанный ВЧ трактой

50 15 с основной выходной резонансной системой, который обеспечивает пер@" дачу, мощности кратных частот с ам« плитудой и Фазой, регулируемой аттенюатором 16 и фазовращателем 17 Э

55 выходную систему 11 °

На Фиг. 3 представлены графики зависимости результирующих полей от

Фазы при сложении основной (.крива@

18) и второй гармоник (кривая 19)

69 при относительной Фазе 9<= + 90 и соотноыении амплитуд А / A = 0,25 (кривая 20) и A /A< = 0,33 (кривая

На Фиг. 4 представлены графики зависимости результирующих полей

Изобретение относится к Ьректронной технике, а именно к приборам

О-типа СВЧ диапазона.

Известно, что в приборах О-типа эффективность преобразования энергии пучка в энергию поля определяется группировкой пучка в группнрователе и его взаимодействием с полем выходной электродинамической системз.

Известным способом увеличения КПД таких приборов является получение на выходе.группирователя д -сгустков с последующим их введением в прост.ранство взаимодействия выходной электродинамической системы, где происходит самосогласованное торможение электронов и преобразование энергии движения B энергию электромагнитного поля (.13.

Однако для реальных электронных потоков, используемых в СВЧ приборах,,д -сгустки не могут ать реализованы в полной мере вследствие высокого уровня сил кулоновского расталкивания в сгустке при глубокой модуляции и в высокопервеансных пучках. При этом за счет увеличения фазовой протяженности сгустков нарушается оптимальность энергообмена между потоком и полем основной частоты выходной электродинамической системы, что приводит к снижению КПД устройства.

Наиболее близким к предлагаемому

-является способ отбора высокочастотной энергии от модулированного электронного потока, включающий операции введения сгруппированного электронного потока со сгустками электронов, имеющих конечную фазовую протяженность и слетающееся распределение скоростей в выходную злектродинамическую систему и последующего самосогласованного торможения электронов в выходной системе f2).

Недостаток известного способа в том, что при увеличении интенсивности и степени группировки электронаЕго потока, выполнение условий оптммеЯъности Фазовой протяженности сгустков и распределение скоростей ие обеспечиваются, так как возрастание сил кулоновского расталкивания ограничивает величину минимальной фазовой протяженности сгустков и приводит к выравниванию скоростей электронов в них, что обусловливает уменьшение эффективности преобразования.

Цель изобретения — повышение эффективности отбора энергии и увеличение КПД преобразования энергии.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу отбора высокочастотной энергии от модулированного электронного потока, включающем операцию введения сгуппированного электронного потока в пространство взаимодействия выходной электродинамической системы и последующего самосогласованного торможения электронов, в выходной электродинамической системе дополнительно возбуждают электромагнитное поле кратных частот, амплитуда и фаза которого удовлетворяют соотношениям:

0+Ay,I 1 1 К

- --(y,-а) - - <9„< - --(к-a) z д- 7 р где К = 2, 3, 4, А1- амплитуда напряжения первой гармоники;

Ак- амплитуда напряжения (-ой гармоники; ф, - сдвиг фазы между полями K-ой и первой гармоник.

На фиг. 1 и 2 представлены возможные варианты конструкции; на фиг. 3-8 - зависимости формы и амплитуды результирующего электромагнитного поля при сложении основной и кратных гармоник с различной ампли1048531 от фазы при сложении основной волны (кривая 22) и второй гармоники. при отношении амплитуды А>/А» =0,25 и относительной фазе % = +90 (кривая 23), +g = +105 (кривая 24), 9< =+135 (кривая 25) °

На фиг. 5 представлены графики результирующих полей при сложении первой (26) и третьей(27) гармоник при нулевой относительной фазе и соотношении амплитуд А / А» =1/9 (кривая 28) и А /А» =1/5 (кривая 29) .

На фиг. 6 представлены графики результирующего поля при сложении первой (кривая 30) и четвертой гармоник (кривая 31) при относительной фазе »»4. = -90 и соотношении амплитуд А4/А» = 0,22 (кривая 32)

На фиг. 7 представлены графики. результирующего поля (кривая 33) нри сложении основной (кривая 34) и пятой (кривая 35) гармоник с относительной фазой - 180 и отношении амплитуд A /А»= 0,1.

На фиг. 8 представлена зависимость результирующего поля от фазы (кривая 36) при сложении полей основной (кривая 37) и шестой (кривая

38 ) .гармоник при соотношении амплитуд А6/ A» = 0,15 и фаз I>6 = -270.

Разность фаз ме>хду основным и дополнительный полем 9К= — — +

ЗК

Я. 4. является оптимальной для стабилизации результирующего поля по фазе и обеспечивает однородность энергообмена. Для поля второй и основной частоты с соотношением амплитуд

Ag/ А» =0,25, как следует из рассмотренных кривых фиг. 4, при применении фазы полей от 90 до l05 (кривые

23 и 24) стабильность результирующего тормозящего поля ухудшается, оста ваясь существенно выше однородности по фазе основной частоты. Однако.при разности фаз, отличающейся от оптимальной более чем на 30, стабильность по фазе результирующего тормо.зящего поля падает, становясь ниже однородности но фазе поля основной частоты. 8 ччаассттннооссттии, на фиг. 4 (кривая 25) представлена зависимость результирующего поля от фазы в этом случае при ф = 135. Что каЯ. сается соотношения амплитуд гармонических составляющих, то легко по- казать > что результирующее поле Имеет максимальную стабильность амплитуды по фазе при соотношении слагаемых Ак/ А» — — 1/К . Этот случай характеризуется кривыми 20 и 28 фиг.1 и фиг. 3 соответственно.

С увеличением времени взаимодействия частиц и поля в зоне выходной электродинамической системы отно шеиие амплитуд, соответствующее наиболее однородному по фазе вэаи5

10 модействию частиц и поля, уменьшается. При отношении амплитуд дополнительного и основного полей выше оптимального стабильность по фазе тормозящего поля ухудшается, оставаясь выше стабильности поля основной частоты до величины Ay/ А»

1/ (кривые 21 и 29 фиг. 1 н 3 и кривые 32, 33, 36 на фиг. 6,7,8).

При суперпозиции полей основной и кратной частот в зоне выходной электродинамической системы при соотношении амплитуд Ос А /А 1/К фаз+ (V.-2) к K" ъ

15 7„-(К-2). «, К = 2, 3, 4 осуществляется стабилизация амплитуды тормозящего поля по фазе, что в соответствии с критериями оптимальности энергообмена позволяет обеспечить оптимальные, однородные по фазе влета условия преобразования энергии модулированного потока с протя>кенными сгустками и малым разбросом скоростей частиц в нем в энергию электромагнитных колебаний основной частоты. Предлагаемое решение обеспечивает повышение КПД преобразования и в случаях, когда формирование сгустков в соответст30 вии с критериями оптимальности их формы невозможно, т.е. в случаях высокопервеансных электронных потоков. Для сверхмощных электронных пучков, суперпозиция в выходной

35 системе полей основной и кратных частот обеспечивает повышение эффективности энергообмена как стабилизацией тормозящего поля, так и уширением его фазы по основа40 нию, что приводит к уменьшению числа частиц, ускоряемых в выходной системе. Сложение двух гармоническихсоставляющих прн определенных условиях, обеспечивает стабилизацию ам45 плитуды тормозящего поля по фазе и уширение его протяженности. Такая фаэовая структура поля в зоне возбуждения позволяет обеспечить оптимальные, однородные по фазе влета условия торможения частиц протяжен50 ного сгустка, модулированного сигналом основной частоты, что позволяет повысить эффективность энергообмена, а соответственно и КПД усилителей, не использующих высоко55 первеансные электронные потоки.

При сложении полей основной и удвоенной частоты, результирующее поле ьаряду со стабилизацией амплитуды тормозящего поля по фазе имеет о

60 фазовую протяженность свыше 180.

В случае суперпозиции полей основной и полей более высокой кратности частот (чем вторая), результирующее поле характеризует только ста65 билиэация амплитуды по фазе.

1048531

В частности, при сложении полей основной и удвоенной частоты при соотношении максимальных амплитуд

A+A<=0, 1 и разности фаз ф +90 фазовая протяженность тормозящего поля по его основанию составляет

190,5 а на уровне 0,5 и 0,9 его

P амплитуды увеличивается с 120 до 135 и с 50 до 63 соответственно, т.е. на 112,5% в первом и 126% во второМ случаях. Суперпозиция полей основ- 10 ной и третьей гармоники усиливаемого сигнала при Ay/ А = 0,1 и нулевой разности фаз стабилизирует как:. ускоряющую, так и тормозящую фазы поля, при этом уширение фаз на уров- 35 не 0,5 и 0,9 амплитуды результирующего поля составляет 120% и 190% соответственно.

Реализация предлагаемого способа может быть осуществлена несколькими 20 путями.

1.Созданием резонансных условий для возбуждения в выходной системе усилителей сигналов основной и кратной частот и обеспечения связи выходной системы с внешним источником сигнала на дополнительной частоте.

Оптимизация амплитуды и фазы дополнительного сигнала по отношению к основному, возбуждаемому пучком, 30 осуществляется изменением выходных параметров этого источника.

2. Создание резонансных условии для возбуждения в выходном резонаторе 2 усилителя основной и кратной частот, ответвления сигнала высшей1 гармоники из основного выходного тракта (фиг. 1) связанного с нагруз,кой через направленный ответвитель 5, и передачу этого сигнала в зону возбуждения по ВЧ тракту 6 40 элементом 7 связи. Обеспечение оптимальных соотношений амплитуд и фаз производится благодаря наличию.в тракте 6 переменного аттенюатора 8 и фазовращателя 9. 45

3. Для приборов пролетного типа путем возбухдения дополнительного резонансного элемента 14 (фиг. 2), стоящего за основной выходной резонансной системой, на кратной .частоте электронным потоком, провзаимодействовавшим с выходной резонансной системой, и передачи и оптимизации параметров этого сигнала.

4.. Возбуждение резонансной системы электронным потоком, имеющим высакий уровень модуляции на частоте дополнительного сигнала, и обеспечение ее настройки в области ниже полосы возбуждения сигналов высших гармоник таким образом, что изменение частоты резонансной системы в области кратных частот позволяет изменить характер сопротивления выходной резонансной системы, и соответственно, фазу и амплитуду поля высших гармоник. Это дает возможность оптимизировать соотношение амплитуд и фаз основного и дополнительного полей в соответствии с предлагаемым решением.

Предлагаемое решение позволяет повысить КПД усилителей электромагнитных колебаний. Применение пред-лагаемого решения наиболее эффективно в случае усиления электромагнитных колебаний с использованием сверхмощных и высокопервеансных электронных потоков. Так, например, если считать, что оптимальные условия торможения частиц моноэнергети- . ческого сгустка осуществляются при значении амплитуды поля в пределах

0,8-1 максимального значения, возбуждение дополнительного сигнала второй гармоники в зоне возбуждения при соотношении фаз по отношению к основной 90 обеспечивает увеличение фазовой протяженности области оптимального значения амплитуды тормозящего поля с 72 до 114О при отношении максимальных амплитуд второй и основной гармоник Ag./А = 0,2 и с 72 до 143 при A

Так что при взаимодействии высокопервеансного модулированного потока с минимально достижимой при группировке фазовой шириной сгустков

0,4 периода эффективность преобразования при указанной структуре поля повышается в 2 раза.

1048531

Фиг.1

1048531 иг.

-1,0

ВНИИПИ Заказ 7941/57 ° Тираж 703 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4