Усилитель мощных СВЧ сигналов

Номер документа 6420170030

РУБРИКА:
6. Патентное дело, изобретательство, рационализаторство

РУБРИКА ГРНТИ:
47.13.10. Технология и оборудование для производства изделий электронной техники СВЧ-диапазона

АТРИБУТЫ:
Отрасли: энергетическое машиностроение и оборудование
Тепловая энергия:
Электрическая энергия:
Виды топлива:
Водные ресурсы:

РЕКВИЗИТЫ:
Вид документа: Патент
Номер: 2608544
Автор (принявший орган): ФГБОУ ВПО СГТУ им.Ю.А.Гагарина; 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77; тел. (8452) 99-86-03, факс: (8452) 99-88-10; E-mail: rectorat@sstu.ru; Храмов А.Е., Куркин С.А., Москаленко О.И., Фролов Н.С
Дата: 19.01.2017
Регион: Саратовская область
Источник информации: http://www.sstu.ru

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА:

 Изобретение относится к радиотехнике и электронике сверхвысоких частот и может быть использовано в установках ускорителей заряженных частиц, в СВЧ устройствах, а именно установках СВЧ нагрева, радиолокационных станциях, СВЧ фильтрации радиосигналов, для увеличения функциональных возможностей усилителей СВЧ сигнала с электронными потоками. Усилитель содержит электронную пушку в виде цилиндрического вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом, формирующую сплошной цилиндрический релятивистский электронный поток с током, на 5-20% меньшим второго критического и на 50-80% большим первого критического, анодную сетку, располагающуюся на границе пушки, два электромагнитно несвязанных резонатора, которые размещены за анодной сеткой, алюминиевую фольгу, расположенную в стенке второго резонатора, элемент ввода сигнала в виде коаксиального волновода с внутренним проводником, проникающим внутрь первого резонатора, и вывод мощности в виде волновода, подключенного ко второму резонатору. Технический результат - повышение эффективности усилителя мощных СВЧ сигналов без внешнего магнитного поля. Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного усилителя мощных СВЧ сигналов без внешнего магнитного поля с низкими требованиями к качеству релятивистского электронного потока. Поставленная задача решается тем, что в устройство содержит электронную пушку в виде цилиндрического вакуумного диода со взрывоэмиссионным катодом, формирующую сплошной цилиндрический релятивистский электронный поток с током, на 5-20% меньшим второго критического и на 50-80% большим первого критического, анодную сетку, располагающуюся на границе пушки, два электромагнитно несвязанных резонатора, которые размещены за анодной сеткой, алюминиевую фольгу, расположенную в стенке второго резонатора, элемент ввода сигнала в виде коаксиального волновода с внутренним проводником, проникающим внутрь первого резонатора, и вывод мощности в виде волновода, подключенного ко второму резонатору.

Техническим результатом изобретения по сравнению с прототипом является возможность усиления мощных входных СВЧ сигналов за счет наличия за анодной сеткой двух электромагнитно несвязанных резонаторов, алюминиевой фольги в стенке между резонаторами, элемента ввода сигнала в виде коаксиального волновода с внутренним проводником, проникающим внутрь первого резонатора, и вывода мощности в виде волновода, подключенного ко второму резонатору.

 

Изобретение поясняется Фиг. 1-3, где

на Фиг. 1 - типичная схема усилителя мощных СВЧ сигналов,

на Фиг. 2 - график зависимости коэффициента усиления по мощности от частоты внешнего сигнала для заявляемого усилителя на виртуальном катоде, при амплитуде входного сигнала - 0.5 кВ,

на Фиг. 3 - график зависимости коэффициента усиления по мощности от амплитуды входного сигнала для заявляемого усилителя на виртуальном катоде, при частоте входного сигнала - 1.14 ГГц, на которых позициями 1-11 обозначены:

1 - электронная пушка,

2 - первый резонатор,

3 - второй резонатор,

4 - взрывоэмиссионный катод,

5 - анодная сетка,

6 - генератор напряжения,

7 - алюминиевая фольга,

8 - элемент ввода сигнала в виде коаксиального волновода

9 - внутренний проводник,

10 - вывод мощности в виде волновода,

11 - электронный поток (не является элементом конструкции).

Аббревиатурой «ВК» схематически обозначена область виртуального катода.

Принцип работы заявляемого изобретения следующий. Электронная пушка 1, выполненная в виде цилиндрического вакуумного диода радиуса rg со взрывоэмиссионным катодом 4 радиуса rc без внешнего фокусирующего магнитного поля, формирует сплошной цилиндрический релятивистский электронный поток 11 с током, на 5-20% меньшим второго критического (при котором в системе начинается генерация), но на 50-80% большим первого критического (при котором в системе формируется виртуальный катод, и появляются отраженные частицы), который ускоряется в зазоре между катодом 4 и анодной сеткой 5 за счет действия разности потенциалов, формируемой генератором напряжения 6. Выбор такого околокритического значения тока пучка осуществляется заданием соответствующего расстояния между катодом и анодом dak и обусловлен двумя причинами. Во-первых, в данном случае в системе отсутствует автогенерация, а во-вторых, электронный поток с околокритическим током представляет собой активную среду с большим запасом энергии, что позволяет сделать на базовой конструкции виртода регенеративный усилитель. Далее сформированный электронный поток транспортируется через анодную сетку 5 в первый резонатор 2 длиной L1 и высотой h1, а затем - во второй резонатор 3 длиной L2 и высотой h2 в направлении, перпендикулярном к их наибольшей стенке. Резонаторы имеют общую стенку с алюминиевой фольгой 7, через которую поток пролетает из первого резонатора 2 во второй резонатор 3. В левой части первого резонатора 2 расположен элемент ввода сигнала 8 в виде коаксиального волновода с внутренним проводником 9, через который в систему подается усиливаемый СВЧ сигнал, причем внутренний проводник 9 данного волновода проникает внутрь первого резонатора 2. Положение Lin элемента ввода сигнала 8, внешний rin и внутренний rout радиусы коаксиального волновода, а также длина hin части внутреннего проводника 9 коаксиального волновода, проникающей в первый резонатор 2, определяются в процессе оптимизации системы из условия минимизации мощности, отражаемой обратно в коаксиальный волновод, и максимизации эффективности взаимодействия электронного потока с входным сигналом, что, в свою очередь, обеспечивает наибольшую эффективность усиления. Длина L1 первого резонатора 2 выбиралась из условия, чтобы в нем укладывалось 3 полуволны на рабочей частоте. Соотношения основных геометрических размеров заявляемого изобретения следующие: радиус взрывоэмиссионного катода 4 к радиусу электронной пушки 1 rc/rg=0.9; расстояние между взрывоэмиссионным катодом 4 и анодом к высоте первого резонатора 2 dak/h1=0.7; высота первого резонатора 2 к высоте второго резонатора 3 h1/h2=0.25; расстояние от левой границы прибора до внутреннего проводника 9 коаксиального волновода к длине первого резонатора 2 Lin/L1=0.06; длине первого резонатора 2 к длине второго резонатора 3 L1/L2=0.7; длина части внутреннего проводника коаксиального волновода, проникающей в первый резонатор к высоте первого резонатора 2 hin/h1=0.93; внутренний радиус вывода мощности коаксиального волновода к внешнему rin/rout=0.2. Таким образом, в первом резонаторе происходит взаимодействие релятивистского электронного потока с модой резонатора, которая возбуждается входным сигналом. Результатом данного взаимодействия является то, что пучок попадает во второй резонатор, пролетая сквозь алюминиевую фольгу, которая располагается в стенке между резонаторами, будучи промоделированным по плотности, причем частота следования сгустков определяется частотой входного сигнала. Это приводит к установлению в системе режима с развитым нестационарным виртуальным катодом во втором резонаторе и возбуждению в нем усиленного электромагнитного поля, которое выводится через вывод мощности 10 во второй секции. Таким образом, на выходе системы появляется усиленный входной сигнал. Таким образом, заявляемое изобретение позволяет усиливать относительно мощные входные СВЧ сигналы.