Резонансный генератор свч-колебаний

 

РЕЗОНАНСНЫЙ ГЕНЕРАТОР СВЧКОЛЕБАНИЙ , содержащий электронно-оптическую систему, образованную источником электронов и ускоряющим электродом и формирующую ленточный электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и. периодическую структуру, расположенную в открытом резонаторе между ускоряющим электродом и коллектором вдоль направления движения электронного пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения электронного КПД генератора за счет повышения эффективности использования энергии электронов по всей ши(ине пучка, источник электронов выполнен в виде электрически изолированных между собой эмиттеров, которые подсоединены к источнику напряжения с возможностью подачи§ на них различных по величине потен (Л циалов относительно ускоряющего электрода. . о N(i Ot) со sj 00

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„946373 зю Н. 01 Т 25/00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOIVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 2948868/18-21 .(22) 01.07.80 (46) 15.08.83. Бюл. и 30 (72) Б.А. Белявский, П.А. Бернашевский и И.Б. Цейтлин (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники АН СССР (53) 621.385.6 (088.8 ) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N 195557, кл. H 01 J 25/00, 1965.

2. Авторское свидетельство СССР

М 334605, кл. Н 01 3 23/16, 1970 (прототип ). (54 ) (57 ) РЕЗОНАНСНЫЙ CEHEPAf0P С8ЧКОЛЕБАНИЙ, содержащий электронно-оптическую систему, образованную источником электронов и ускоряющим электродом и формирующую ленточный электронный пучок, коллектор, oTKpbtTblH резонатор и периодическую структуру, расположенную в открытом резонаторе между ускоряющим электродом и коллектором вдоль направления движения электронного пучка, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше" ния электронного КПД генератора за счет повышения эффективности использования энергии электронов по всей ширине пучка, источник электронов выполнен в виде электрически изолированных между собой эмиттеров, которые подсоединены к источнику напряжения с возможностью подачи с (O на них,различных по величине потенциалов относительно ускоряющего электрода.

С:

Такой генератор имеет, сравнительно. низ кий зле ктронный КПД, до сти га ющий в лучшем случае 15-174 при Реальном

КПД 4-54.

Целью изобретения является повь|шение КПД генератора за счет повышения эффективности использования энергии электронов по всей ширине пучка.

Это достигается. тем, что в генераторе СВЧ-колебаний, содержащем электронно-оптическую систему, образованную источником электронов и ускоряющим электродом и формирующую ленточный электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и периодическую структуру, расположенйую в открытом резонаторе между ускоряющим электродом и коллектором вдоль направления движения электронного пучка, источник электронов выполнен из электрически изолированных между собой эмиттеров, которые подсоединены к источнику напряжения с возможностью подачи на них различных по величине потенциалов относительно ускоряющего электрода.

На фиг. 1 схематически показан вариант предложенного генератора; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг, 1.

Генератор СВЧ-колебаний содержит открытый резонатор, образованный вогнутым зеркалом 1 и плоским зеркалом 2 с устройством для вывода 55 энергии в виде прорезей 3 в зеркале

1, электронно-оптическую систему, образованную источником 4 электро30

1 9463

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ.

Известен генератор .СВЧ-колебаний; содержащий электронно-оптическую систему, открытый резонатор и перио- 5 дическую структуру (1 3 .

Недостатком его является низкий коэффициент полезного действия прибора, равный 1-34.

Известен резонансный генератор

СВЧ-колебаний, содержащий электронно-оптическую систему, образованную эмиттером электронов и ускоряющим электродом и формирующую ленточный электронный пучок, коллектор, открытый резонатор и периодическую структуру, расположенную в центральной части открытого резонатора между ускоряющим электродом и коллектором вдоль направления движения электрон- 20 ного пучка E 21. нов и ускоряющим электродом 5, коллектор 6 и периодическую структуру 7, нанесенную в виде гребенки на поверхность зеркала 2 между электродом

5 и коллектором 6 вдоль плоскости

ЕЕ движения электронного пучка.

Источник электронов 4 выполнен в виде изолированных друг от друга эмиттеров 8 — 12. Количество эмиттеров выбирают, исходя их конкретных технологических возможностей применительно к заданному диапазону частот генерируемых колебаний и требуемой суммарной ширины электронных лучей, образующих ленточный электронный пучок. Последняя обусловлена эмиссионными свойствами эмиттеров и необходимой величиной тока в приборе

Так, при ширине электронного пучка примерно 0,6д, где d — диаметр каустического пятна основного собственного колебания открытого резонатора в плоскости движения электронного пучка, целесообразно иметь не менее пяти эмиттеров (см. фиг. 1 ). Эмиттеры

8 - 12 соединяются между собой по признаку одинаковой удаленности от осевой линии 00 периодической структуры 7 . Пара эмиттеров 8 и 12, наиболее удаленных от осевой линии 00", подсоединяется к выводу 13 источника

14 с потенциалом V> относительно электрода 5; пара эмиттеров 9 и 11 подсоединяется к выводу 15 источника

14 с потенциаломМ2; центральный эмиттер 10 подключен к. выводу 16 указаного источника. К положительному выводу 17 источника 14 присоединен электрод 5.

Схема подключения эмиттеров 8, 12 к источнику 14 напряжения может отличаться от изображенной на фиг. например, тем, что эти эмиттеры не объединяются в пары по признаку одинакового удаления центров эииттеров .от продольной оси симметрии 00 а на каждый эмиттер подается со6ственно значение потенциала относительно электрода 5. Подобное подключение может быть использовано при несимметричном распределении поля в открытом резонаторе.

Конструкция источника элеКтронов предложенного генератора зависит от частотного диапазона и необходимой ширины электронного пучка. Например, на общем металлическом основании могут быть укреплены изолиро946373 0™ф

Ь о ванные от этого основания и разделенные между собой небольшими промежутками керны с вмонтированными в них подогревателями, а на обращенной к ускоряющему электроду поверхности каждого керна нанесено змиттирующее покрытие.

Генератор работает следующим образом.

При включении источника 14 напряжения электронно-оптическая система, состоящая из источника 4 электронов и ускоряющего электрода 5, формирует ленточный электронный пучок, состоящий из пяти (см. фиг. 1 ) электронных лучей 18-22, которые фокусируются магнитным полем В,создавае-, мым внешним магнитом (на чертеже не показан )..Скорость электронов в лучах 18 и 22 определяется потенциалом V, скорость электронов в лучах

19 и 21 — потенциалом Ч, а скорость электронов в луче 20 — потенциалом

V относительно электрода 5. Как

1 и во всех генераторах аналогичного типа вблизи периодической структуры

7 формируются медленные пространственные гармоники основного собственного колебания открытого резонатора.

Эффективное взаимодействие электронных лучей 18 — 22 с одной из указанных гармоник имеет место при скорости электронов, близкой к фазовой скорости этой пространственной гармоники

1 т.е . при синхронизме электронных

35 луЧей 18 - 22 с пространственнои гармоникой.

При увеличении тока электронного пучка «,т.е. суммарного тока лучей

18 - 22 ) выше его пускового значения происходит самовозбуждение. системы, и в приборе возникают высокочастотные колебания, которые выводятся в нагрузку через прорези .45

3 в зеркале 1. Поскольку амплитуда высокочастотного электрического поля, взаимодействующего с электронными лучами 18 - 22, уменьшается от оси симметрии 00 периодической структуры 7 к краям открытого резонатора, 50 электроны в луче 20, движующиеся вблизи оси симметрии 00 периоди« ческой структуры 7, взаимодействуют с более сильным высокочастотным электрическим. полем, чем электроны в лучах 19 и 21, а последние, в свою очередь, взаимодействуют с более сильным высокочастотным электрическим

4 полем, чем электроны в лучах 18 и

22.

Приведенные авторами теоретические исследования нелинейных режимов взаимодействия электронов с полем медленной пространственной гармоники, формируемой периодической структурой 7, показали, что с уменьшением амплитуды высокочастотного поля па ширине движущегося ленточного электронного пучка при неизменном по ширине пучка значении параметра обгона где Ч - скорость электронов, о определяемая величинои ускоряющего напряжения, Ч вЂ” скорость фазовая медленФ ной пространственной гармоники, определяемая отношением периода периодической структуры к длине волны колебания в открытом резонаторе, эффективность взаимодействия электронов с указанной гармоникой падает, Объяснить это можно следующим образом. Как известно, величина энергии, которую электрон отдает высокочастотному полю в генераторах рассматриваемого типа, определяется разницей в скорости электрона в начале и конце взаимодействия. При одиб

:наковой по ширине пучка начальной ско- рости электронов, оптимальной для. центральных электронов, движущихся вблизи оси симметрии 00 периодической структуры 7, периферийные электроны, удаленные от оси симметрии .

00, слишком быстро пролетают на своем пути к коллектору 6 сквозь сравнительно слабое (по отношению к полю на оси 00 ) высокочастотное поле, не успев затормозиться этим полем в такой же степени как централь«ные электроны, и, следовательно, не успевают с ними эффективно провзаи- модействовать. Уменьшая параметр обгона Ь в направлении уменьшения амплитуды высокочастотного паля в открытом резонаторе, т.е, по ширине пучка, можно подерживать электронный

КПД практически на неизмененном уровне по всей ширине электронного пучка при довольно значительных ве-«ичинах ширины пучка.

946373

0

Е

ВНИИПИ Заказ 7969/J, Тираж,703 Подписное филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4

В соответствии с этим в предложенном генераторе на эмиттеры 812, удаленные от оси симметрии 00

t подают потенциалы Ч и Ч2, меньшие по абсолютной величине чем потенциал Ч„, подаваемый на эмиттер 10, расположенный на оси 00 . При этом величина потенциала, подаваемого на каждый эмиттер, тем, меньше, чем более удален от оси 00 . Разница между потенциалами V, Ч2 и Ч„ определяется ширино" Sä .электронного пучка, т.е. суммарной шириной электронных лучей 18 - 22 и соответствующими промежутками между ними. При этом параметр обгона Ъ для минимального выбранного потенциала должен быть больше нуля . В частности, в генераторе, показанном на фиг. 1, где ширина пучка Ьп — — 0,6с1, потенциал

Ч, подаваемый на эмиттеры 8 и 12 сос гавляет 0,9 Ч„, а потенциал Ч2, подаваемый на эмиттеры 9 и 11, составляет 0,95 Ч„; Соответственно скорость электронов в лучах 18 и 22 меньше, чем скорость электронов в лучах 19 и 21, которая меньше, чем в луче 20, движущемся по оси

00 . В результате время взаимодейст вия периферийных электронов (т . е электронов в лучах 18 — 22 ) с отно сительно слабым электрическим высокочастотным полем увеличивается по сравнению с временем взаимодействия электронов в луче 20. За это время периферийные электроны успева. ют затормозиться указанным полем в достаточной степени для эффектив ного взаимодействия с ним, благодар чему увеличивается электронный

КПД прибора в целом.

З

Как показали приведенные автора ми исследования, в данном генератор возможно получение электронного К!1Д порядка 40 при ширине электронного пучка, составляющей примерно 0,2, 354 при указанной ширине, составляю щей примерно 0,4d, и около 304 при ширине электронного пучка, составля щей примерно 0,6d.