ОРБОТРОНЫ – МНОГОПУЧКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ МИЛЛИМЕТРОВЫХ И СУБМИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН

May 3, 2012 by admin Комментировать »

Ерёмка В. Д. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной Академии наук Украины 12,  ул. Академика Проскуры, Харьков, 61085, Украина, Факс: +38-0572-744-11-05; e-mail: yeryomka@ire.kharkov.ua Кураев А. А., Синицын А. К. Гэсударственный университет информатики и радиоэлектроники 6, ул. П. Бровки, Минск, 220600, Республика Беларусь Факс: (375-17) 231-09-14; e-mail: kurayev@gw.bsuir.unibel.by

Аннотация. В сообщении представлены некоторые результаты исследования орботронов – генераторов миллиметровых и субмиллиметровых волн с пространственно развитыми (многопучковыми) электронными потоками и открытым резонатором. Показана возможность улучшения энергетических характеристик многопучковых ламп при уменьшении их габаритов и массы.

I.  Введение

Увеличивать мощность выходного сигнала вакуумных генераторов миллиметровых волн при уменьшении их рабочего напряжения можно двумя способами. Один из них сводится к увеличению рабочего тока приборов за счет увеличения плотности тока в пучках и удельных нагрузок на эмиттер электронов. В этом случае на эффективность взаимодействия электронов и высокочастотного поля существенно влияет величина кулоновских сил пространственного заряда. Кроме того, этот путь сопровождается уменьшением срока безотказной работы генераторов.

Характерным для другого способа является применение в генераторах и усилителях коротковолновых диапазонов пространственно развитых эмиттеров электронов, коллекторов отработавших заряженных частиц и электронно-оптических систем (ЭОС), формирующих пространственно развитые, в частности, многопучковые ленточные электронные потоки, которые синхронно взаимодействуют с волнами высокочастотного поля периодических замедляющих структур (ЗС) электродинамической системы. При этом каждый электронный пучок взаимодействует с высокочастотным полем электродинамической системы, перемещаясь в индивидуальном распределенном пространстве взаимодействия в виде, например, канала ЗС образованной сдвоенными гребенками. Практика применения пространственно развитых (в частности, многопучковых) электронных потоков в пролетных клистронах дециметрового и сантиметрового диапазонов, возникла в 40-х годах прошлого века и успешно развивается более 60 лет

[1]    , [2]. Геометрия тороидальных резонаторов ограничивает возможность применения многопучковых электронных потоков в кпистронных приборах средней и коротковолновой части миллиметрового диапазона волн.

Разработка принципов построения эффективных генераторов и усилителей миллиметровых и субмиллиметровых волн с пространственно развитыми электродинамическими системами и электронными потоками на основе орботронов – перспективный путь решения задач, связанных с созданием малогабаритных нерелятивистских источников средней и большой мощности в коротковолновых диапазонах волн. Орботрон (производное от слов open resonator, binary comb, О-type, electron). Данные о результатах исследования многопучковых генераторов электромагнитного излучения миллиметрового диапазона представлены в [3] – [5].

II.  Основная часть

1.         Особенности формирования многопучковых электронных потоков

При укорочении рабочей длины волны Л генераторов СВЧ с распределенным взаимодействием геометрические размеры элементов их периодических замедляющих систем (ЗС), определяющих рабочую частоту источника излучения, уменьшаются пропорционально Л. Для достижения эффективного взаимодействия электронов с электромагнитными волнами в ЗС в этом случае необходимо уменьшить

рабочее напряжение пропорционально Л2. В то же время, для сохранения величины мощности выходного сигнала (при неизменном КПД), необходимо

увеличить рабочий ток пучка более чем в Л2 раз. При

этом микропервеанс p=l/V3/2 пучка (I – ток пучка

в мА, V — ускоряющее напряжение в В) возрастает

не менее чем в Л5 раз. Эффективным способом уменьшения действия кулоновских сил пространственного заряда является применение пространственно развитых электронно-оптических систем, формирующих N электронных пучков с уменьшенным примерно в N раз микропервеансом в каждом из

них. N – пучковый электронный поток взаимодействует с высокочастотным полем открытого резонатора

(ОР), двигаясь в N каналах. Каналы представляют собой индивидуальные распределенные пространства взаимодействия в ЗС в виде сдвоенных однородных или неоднородных гребенок, выполненных в теле одного из зеркал открытого резонатора [3-7].

2.         Орботроны – многопучковые генераторы миллиметровых волн с открытым резонатором

Пространственно развитая электродинамическая система нерелятивистских лазеров на свободных электронах (ЛСЭ) – оротронов и ледатронов, выполненная в виде двухзеркального открытого резонатора (ОР) типа Фабри-Перо или коаксиального, открывает новые возможности для возбуждения в ней автоколебаний с помощью пространственно развитых, например, многопучковых или трубчатых электронных потоков. В основе упомянутых ЛСЭ длительное распределенное взаимодействие волн пространст

венного заряда (плазменных волн) электронных потоков и электромагнитных волн.

В ЛСЭ на эффекте Смита-Парселла (ЛСЭ-СП) синхронизм взаимодействия пучков с волной электромагнитного поля (резонанс) достигается путем увеличения (уменьшения) момента количества движения (волнового числа) электромагнитной волны в ЗС [отражательной дифракционной решетке]. Можно указать несколько факторов, ограничивающих электронный КПД ЛСЭ-СП, например, оротронов традиционной конструкции:

1) относительно слабая связь объемных волн открытого резонатора (ОР) с поверхностной волной отражательной дифракционной решетки, используемой в качестве ЗС;

2) экспоненциальное уменьшение в такой ЗС амплитуды поля поверхностной волны, взаимодействующей с ленточным электронным потоком, по его поперечному сечению;

3) неоптимальное распределение амплитуды поля поверхностной волны при симметричном расположении ЗС относительно оси симметрии ОР;

4) использование регулярной ЗС – отражательной дифракционной решетки, не позволяющей реализовать оптимальную фазировку электронов и эффективный отбор энергии от ленточного электронного потока (ЭП) вдоль пространства взаимодействия.

Первые три проблемы решены в конструкции многопучкового нерелятивистского ЛСЭ орботрона описанной в [4]. Результаты решения четвертой проблемы, связанной с обеспечением оптимального по КПД управления динамическим процессом взаимодействия в многопучковых орботронах, путем оптимизации параметров ЗС, в частности, регулярной и нерегулярной сдвоенных гребенок, представлены в работе [7]. Задача оптимального управления процессом электронно-волнового взаимодействия в многопучковом орботроне решена на основе теории атомарных функций [8].

При сравнении характеристик многопучковых нерелятивистских ЛСЭ орботронов и однопучковых ЛСЭ-СП оротронов следует отметить преимущество первых. Они обеспечивают увеличение электронного КПД, мощности выходного сигнала, уменьшение рабочего магнитного поля и ускоряющего рабочего напряжения и, как следствие, уменьшение массы и габаритов источника излучения при прочих равных условиях.

На рис.1 схематически представлен восьмипучковый орботрон. Генератор имеет ОР с двумя зеркалами, первое (1) из которых имеет сферическую отражающую поверхность снабжено волноводным выводом 9 высокочастотной энергии, а в теле второго (2) с цилиндрической отражающей поверхностью выполнены ЗС 3 в виде сдвоенных гребенок. ЭОС 5 формирует восемь ленточных электронных пучков 6. Коллектор 7 отработавших электронов расположен в центре зеркала 2 с цилиндрической отражающей поверхностью.

Принципиальные особенности ЛСЭ типа орботрон такой конструкции, отличающие её от ЛСЭ-СП типа оротрон, состоит в следующем. Вследствие симметричности конструкции каждый из восьми ленточных пучков 6 пролетает между эмиттером ЭОС 5 и коллектором 7 в нарастающем до максимума ВЧ поле (поз.2 на рис.2). Функция Гаусса распределения Е-поля в ОР имеет вид

Рис. 5. Схематическое изображение 8-пучкового коаксиального орботрона-эшелеттрона.

Puc. 2. Интегральные характеристики динамики электронно-волнового взаимодействия в восьмипучковом МСЭ с нерегулярными сдвоенными гребенками (по оси T=z/L) Кривые: (сверху вниз): 1 – VPh, 2 – Ag(T- функция Гаусса распределения амплитуды Е-поля; 3 – Gr(T) – степень группировки; 4- г;(Т) – величина электронного КПД достигает здесь 70%;dlt1=dz/L; L=10mm -длина гребенки от её пушечного конца до коллекторного конца, dz=1.5 мм – расстояние от конца гребенки до коллектора электронов в центре зеркала.

Fig. 5. Schematic sketch of an eight-beam coaxial orbotron-echeiettron

Fig. 2. Integral parameters of electron-wave interaction dynamics in an eight-beam FEM orbotron with irregular dual combs (along the T=z/L axis). Curves: (from top to bottom): 1 – VPh, 2 – Ag(T) – Gaussian function of E-field distribution; 3 – Gr(T) – clusterization degree; 4 – r;(T) – electronic efficiency reaches 70% in this particular case

Puc. 3. Взаимное расположение основных узлов трехпучкового орботрона – эшелеттрона: 1 – каналы двух ленточных пучков; в пучков; 2 – уголково-эшелеттное зеркало;3 – сферическое зеркало; 4 – механизм перестройки ОР; 5 – волноводный вывод энергии; 6 – штуцер откачки; 7

–       корпус; 8 – канал третьего пучка; 9 – токовводы; 10-жидкостное охлаждение; 11 – керамические изоляторы.

Fig. 3. Mutual arrangement of basic units in a three- beam FEM orbotron – ‘echelettron’: 1 – channels of two ribbon beams; 2 – angle-echelette mirror; 3 – spherical mirror; 4 – OR adjustment mechanism; 5 – waveguide power output; 6 – pumping pipe outlet; 7 – casing; 8 – third beam channel; 9 – current leads; 10- fluid cooling;

11 – ceramic insulators

Puc. 4. Зависимость выходной мощности

P/Pmax = f(lwr) однопучкового, двухпучкового и

трехпучкового орботрона – эшелеттрона от величины рабочего тока.

Fig. 4. Output power Р/Ртах = /(/„„.) а single-, two-

and three-beam FEM orbotron – ‘echelettron’ vs operating current

Рис. 6. Поперечное сечение коаксиального многопучкового орботрона.

Fig. 6. Cross-section of a coaxial multibeam orbotron

III.  Список литературы

[1] Авт. св.№ 64257 (СССР). Электронно-лучевая лампа /В. Ф. Коваленко. (1940).

[2] А. N. Korolev, S. A. Zaitsev, 1.1. Goienitsky, Traditional and Novel Vacuum Electron Devices// IEEE Trans. Electron Devices., vol. ED-48, № 12, p.2929-2937, Dec. 2001.

[3] Патент № 644254 (СССР). М. кл. Н01J25/00. Генератор дифракционного излучения / В. Д. Ерёмка (1979).

[4] Патент № 830946 (СССР). М. кл. Н01J25/00. Генератор дифракционного излучения / В. Д. Ерёмка и др.(1981).

[5] Патент № 55721А (Украина). М. кл. Н01J25/00. Резонансный генератор электромагнитных колебаний – эше- леттрон / А. Я. Белуха, В. Д. Ерёмка, А. И Фисун (2002).

[6] Еремка В. Д. Генерирование и усиление миллиметровых волн многолучевыми и трубчатыми электронными потоками. //Труды 5-й Международной Крымской конференции « СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии «. Севастополь. Т.1. – С.52-61. (1995).

[7] Ерёмка В. Д., Кравченко В. Ф., Кураев А. А., Пусто- войт В. И., Синицын А. К. Атомарные функции в задаче оптимизации по КПД двухпучкового оротрона с нерегулярной сдвоенной гребенкой // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. № 3. – С.58-62 (2000).

[8] Кравченко В. Ф. Лекции по атомарным функциям и их применению. М.: Радиотехника. 2003. 470 с.

ORBOTRONS: MULTIBEAM ММ- AND SUBMM-WAVE OSCILLATORS

Yeryomka V. D.

A.        Usikov Institute of Radio Physics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine 12 Akademika Proskury St., Kharkiv 61085, Ukraine fax:+380 (572) 441105 e-mail: yeryomka@ire. kharkov. и a Kuraev A. A., Sinitsyn A. K.

Belarussian State University of Informatics and Radio Electronics 6 P. Brovki St., Minsk – 220013, Belarus phone: +375 (17) 2398956 e-mail: kurayev@gw.bsuir.unibel.by

Abstract – Results of investigating free-electron maser (FEM) orbotrons with spatially developed (multiple-beam) electron streams are presented. A possibility is demonstrated of improving power characteristics of millimeter-wave multiple- beam tubes while reducing their overall dimensions and weight.

In FEMs the synchronism of interaction between the beams and the electromagnetic field wave (resonance) is achieved by increasing (decreasing) the angular momentum (wave number) of the electromagnetic wave in an SWS [the reflection diffraction grating or a periodic metal channel (waveguide) in the form of a binary comb], A number of factors may be cited that limit electron efficiency of FEM orotrons, including: 1) relatively weak coupling of body waves in an OR with a surface wave of the reflecting diffraction grating used as an SWS; 2) exponential decrease in this SWS of the field amplitude of a surface wave interacting with a ribbon electron stream along its cross-section; 3) nonoptimal distribution of the surface-wave field amplitude when the SWS is arranged symmetrically about the OR symmetry axis; 4) using the regular SWSs – the reflecting diffraction gratings – hinders the optimal phasing of electrons and efficient extraction of energy from the ribbon electron stream. The first three issues mentioned above have been resolved by a new design of a multibeam FEM orbotron (Open Resonator, Binary comb, О-Гуре, elect RON) described in [4]. The results of tackling the fourth issue related to obtaining optimal efficiency in managing dynamic interaction processes in millimeter-wave multibeam FEMs – orbotrons – are given in [4]. The problem of optimally controlling the electron-wave interaction in multibeam FEM orbotrons has been solved on the basis of the atomic function theory [7], [8] by optimizing SWS parameters, in particular, those of regular and irregular binary combs.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты