RU2180975C2 - Виркатор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к релятивистской СВЧ электронике, может быть использовано при создании мощных импульсных или импульсно-периодических источников СВЧ излучения. Техническим результатом является возможность оперативной перестройки антенной системы виркатора при изменении режима его работы, а при использовании виркатора в фазированной решетке - уменьшение времени установления фазировки и увеличение времени удержания фазировки. В виркаторе, содержащем последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов, анодный электрод, имеющий диафрагму, и коллектор электронов, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, обратный токопровод, соединяющий анодный электрод и коллектор, и устройство вывода СВЧ излучения, в отличие от известного в качестве обратного токопровода и одновременно в качестве устройства вывода СВЧ излучения используется по меньшей мере один гибкий провод, соединяющий анодный электрод и коллектор. Гибкие провода могут быть выполнены в виде простых петель, спиралей с сердечником внутри или без него могут быть нагружены на директорные антенны. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Изобретение относится к релятивистской СВЧ электронике и может быть использовано при создании мощных импульсных или импульсно-периодических источников СВЧ излучения.

Известен СВЧ генератор на основе виртуального катода (ВК)-виркатор [1] (Kostov K. G. , Nikolov N.A., Spassovsky I.P., Spassov V.A., "Experimental study of virtual cathode oscillator in uniform magnetic field", Appl. Phys. Lett., 1992, v. 60, 21, p. 2598), содержащий последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов и анодный электрод, имеющий диафрагму, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, и устройство вывода излучения, причем в качестве коллектора электронов и одновременно в качестве обратного токопровода в нем служит часть анодного электрода, расположенная по другую сторону диафрагмы, чем эмиттер электронов, а в качестве устройства вывода СВЧ излучения служит коническая рупорная антенна. В известном виркаторе [1] диафрагма может быть выполнена в виде металлической сетки либо фольги.

Известен также виркатор [2] (Бабкин А.Л., Дубинов А.Е., Корнилов В.Г. и др. , "Виркатор", патент РФ 2046440 с приоритетом от 08.06.93, Н 01 J 25/00, опубл. БИ 29, 1995), в котором на анодном электроде установлены плазменные инжекторы, создающие тонкий плазменный слой, играющий роль диафрагмы. Известен магнитоизолированный виркатор [3] (Жерлицын А.Г., Кузнецов С.И., Мельников Г.В., Фоменко Г.П., "Генерация СВЧ колебаний при формировании виртуального катода в сильноточном электронном пучке", ЖТФ, 1986, т. 56, 7, с. 1384), в котором роль диафрагмы играет апертура волновода в районе скачка его диаметра. В виркаторах [2, 3] так же, как и в [1], в качестве коллектора электронов и одновременно в качестве обратного токопровода служит часть анодного электрода, расположенная по другую сторону диафрагмы, чем эмиттер электронов, а в качестве устройства вывода СВЧ излучения служит рупорная антенна. В виркаторе [3] обязательно имеется соленоид для возбуждения продольного магнитного поля, в то время как в виркаторах [1, 2] в этом нет необходимости.

Недостатком виркаторов [1-3] является невозможность настройки устройства вывода СВЧ излучения путем варьирования угла раствора рупорной антенны, ее длины и диаметров оснований конуса рупора с учетом того, что внутренность рупора обычно вакуумирована и закрыта со стороны большего диаметра диэлектрическим окном. Этот недостаток на практике приводит к тому, что для разных режимов работы виркатора приходится иметь несколько сменных рупоров.

Наиболее близким к предлагаемому виркатору является виркатор [4] (Brandt H. E. , "High power millimeter-wave source", USA Patent 4553068, date of priority 12.11.85, Н 01 J 25/00). Он содержит последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов и анодный электрод, имеющий сетчатую или фольговую диафрагму, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, и устройство вывода излучения, причем в качестве коллектора электронов и одновременно в качестве обратного токопровода в нем служит часть анодного электрода, расположенная по другую сторону диафрагмы, чем эмиттер электронов, а в качестве устройства вывода СВЧ излучения используется система диэлектрических окон, расположенных на боковой поверхности анодного электрода, и параболическая антенна, внутри которой расположен анодный электрод.

Недостатком [4] является то обстоятельство, что для настройки антенной системы при изменении режима работы виркатора необходимо изменение геометрии параболоида, что влечет за собой его замену и необходимость иметь несколько сменных антенн.

При выходной СВЧ мощности излучения, генерируемого виркатором, величиной ≥100 МВт возникают проблемы прочности устройств вывода излучения по отношению к СВЧ пробою. Поэтому для дальнейшего увеличения мощности прибегают к созданию фазированных антенных решеток (ФАР) с виркаторами в качестве элементов ФАР.

Известна ФАР на основе двух виркаторов [5] (Hendricks K.J., Adler R., Noggle R. C. , "Experimental results of phase locking two virtual cathode oscillators", J. Appl. Phys., 1990, v. 68, 2, p. 820), в которой виркаторы имеют общий анодный электрод, в полость которого инжектируют сверхпредельные электронные пучки. Недостатком ФАР [5] является то, что ее схема не решает проблемы пробойной прочности при выводе СВЧ излучения, так как мощность СВЧ излучения, генерируемого виркаторами, суммируется до его вывода.

Известна также ФАР на основе виркаторов [6] (Sze H., Price D., Harteneck В., "Phase locking of two strongly coupled vircators", J. Appl. Phys., 1990, v. 67, 5, р. 2276), содержащая связанные волноводной связью два виркатора, подобных описанным в [1] с той лишь разницей, что в качестве устройств вывода излучения в них использована не рупорная антенна, а боковое волноводное окно вывода излучения.

Недостатком известной ФАР является малый коэффициент связи генерационной зоны (полость внутри анодного электрода, где формируется ВК) виркатора с волноводом связи, что увеличивает длительность процесса установления фазировки между виркаторами и уменьшает время удержания фазировки. Укажем, что в [6] длительность процесса установления фазировки составляла 10 нс, а время удержания фазировки - 45 нс. Следовательно, для виркаторов, генерирующих импульсы СВЧ излучения длительностью τ < 10 нс либо τ ≫ 45 нс, система виркаторов по схеме [6] перестает работать к режиме ФАР.

Таким образом, техническими задачами являются: для виркатора - создание устройства вывода СВЧ излучения (его антенную систему) с легко изменяемой геометрией, а для ФАР на основе виркаторов - создание устройств связи виркаторов между собой с повышенным по сравнению с известной [6] коэффициентом связи. Решение этих задач позволит оперативно перестраивать антенную систему виркатора при изменении режима его работы и снять необходимость иметь в наличии в комплекте виркатора большого набора сложных сменных антенных систем, а при работе виркаторов в составе ФАР - уменьшить время установления фазировки и увеличить время ее удержания.

Технический результат предлагаемого решения заключается: в виркаторе - возможность оперативной перестройки антенной системы виркатора при изменении режима его работы, а в ФАР на основе предлагаемых виркаторов - уменьшение времени установления фазировки и увеличение времени удержания фазировки.

Этот результат для виркатора достигается тем, что в виркаторе, содержащем последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов, анодный электрод, имеющий диафрагму, и коллектор электронов, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, обратный токопровод, соединяющий анодный электрод и коллектор, и устройство вывода СВЧ излучения, в отличие от известного в качестве обратного токопровода и одновременно в качестве устройства вывода СВЧ излучения используется по меньшей мере один гибкий провод, соединяющий анодный электрод и коллектор.

Гибкие провода, выполняющие роль обратного токопровода и устройства вывода излучения, количество которых в виркаторе может быть несколько, могут иметь различную геометрию; любая геометрия вследствие гибкости проводов может быть при этом оперативно изменена.

Наиболее предпочтительными конфигурациями этих проводов являются:
- провод в виде простой петли;
- провод, место контакта которого с коллектором и место контакта которого с анодным электродом разнесены друг от друга по азимуту относительно направления движения электронов;
- провод, на котором размещена по меньшей мере одна директорная антенна;
- провод, свернутый в спираль;
- спиральный провод, внутри которого расположен по меньшей мере один сердечник;
- спиральный провод с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала.

Для обеспечения наибольшего кпд в предлагаемом виркаторе необходимо, чтобы расстояние l между диафрагмой анодного электрода и коллектором было выбрано из соотношения:

, где χ - величина прозрачности диафрагмы, d - расстояние между эмиттером электронов и диафрагмой.

Используя предлагаемые виркаторы, можно построить несколько вариантов ФАР, способы связи между виркаторами в которых являются принципиально новыми и, как будет показано ниже, в этих ФАР поставленная техническая задача может быть решена. Предлагаемые варианты ФАР следующие:
- ФАР, содержащая по меньшей мере два виркатора, имеющих устройства связи друг с другом, но в отличие от известной в качестве устройств связи в ней используются провода обратных токопроводов, расположенные так, чтобы по меньшей мере по одному проводу двух смежных виркаторов были охвачены друг другом;
- ФАР, содержащая по меньшей мере два виркатора, имеющих устройства связи друг с другом, но в отличие от известной устройства связи в ней выполнены в виде по меньшей мере одной директорией антенны, к которой подключены провода обратного токопровода виркаторов;
- ФАР, содержащая по меньшей мере два виркатора со спиральными виркаторами, имеющих устройства связи друг с другом, но в отличие от известной устройства связи в ней выполнены в виде по меньшей мере одного сердечника, который охватывается спиралями виркаторов.

Объединение виркатора и ФАР на его основе в одно изобретение обусловлено тем, что предлагаемые ФАР можно создать только при условии использования предлагаемых виркаторов в качестве своих элементов. Но предлагаемый виркатор можно использовать как в составе ФАР, так и отдельно, поэтому виркатор является первичным объектом изобретения, а предлагаемая ФАР - зависимsм объектом.

Решение технической задачи по обеспечению возможности оперативной перестройки антенной системы виркатора при изменении режимов его работы основано на гибкости и быстрой сменяемости проводов, когда возможно быстрое изменение геометрии антенной системы либо путем изгиба проводов с приданием им требуемой формы, либо изменением их длины.

Предлагаемый виркатор существенно отличается от известных и по принципу генерации СВЧ излучения. Рассмотрим это более подробно. Прежде всего отметим, что в известных виркаторах [1-4], а также в виркаторах известных ФАР [5, 6] использован электродипольный принцип СВЧ генерации излучения, когда генерация осуществляется за счет колебаний электрического диполя "ВК-изображение ВК на диафрагме". Ясно, что в этом случае для увеличения мощности генерации необходимо стремиться к тому, чтобы большая часть электронного потока отражалась ВК назад к месту инжекции (т.е. диафрагме), чем достигается наибольший заряд в электрическом диполе. Этого добиваются путем обеспечения условия I/I_пред--> ∞, где I - ток в диоде (промежуток "эмиттер - диафрагма") виркатора, I_пред - предельный ток для ограниченной диафрагмой и коллектором эквипотенциальной области, в которой формируется ВК. Указанное условие можно удовлетворить при l/d>>1 и поэтому известные виркаторы имеют достаточно большую длину.

В предлагаемом виркаторе провода обратного токопровода представляют собой рамочные (или петлевые) антенны бегущей волны, принцип СВЧ излучения которых основан на магнитодипольном излучении. Поэтому для обеспечения максимальной мощности и максимального кпд нужно стремиться к полной модуляции тока, инжектируемого из диода сквозь диафрагму в эквипотенциальную полость, ограниченную диафрагмой и коллектором. Тогда для максимальной мощности излучения при данной мощности питания необходимо, чтобы выполнялось равенство I/I_пред= 2. Поясним это на фиг.1, показывающей структуру токов в виркаторе в области между ВК и коллектором.

При инжекции в эквипотенциальную полость, образованную диафрагмой и коллектором, электронного пучка с током I, превышающем предельный ток I_пред данной эквипотенциальной полости при данной разности потенциалов между эмиттером и анодным электродом (диафрагмой) виркатора, в ней образуется ВК, попеременно то пропускающий, то отражающий часть электронов пучка назад к диафрагме. Тогда за ВК пучок электронов, называющихся пролетными, промодулирован так, что глубина модуляции равна разности I-I_пред. График тока пролетных электронов обозначен на фиг.1 I_прол. Промодулированный ток пролетных электронов сопровождает электромагнитная СВЧ волна E-типа, электрическая составляющая которой определяет собой ток смещения

где S - площадь поперечного сечения волнового СВЧ пучка, Е - электрическое поле в СВЧ волне, причем всегда I_прол+I_смещ≡I_пред. Такая структура токов в пучке за ВК является общепризнанной, см., например, [7] (Дубинов А.Е., Селемир В.Д., Судовцов А.В., "Вынужденное излучение в СВЧ-генераторах с виртуальным катодом", Электронная техника. Серия 1: СВЧ-техника, 1997, 1 (469), с. 7). Легко видеть, что с ростом разности I-I_пред глубина модуляции растет и при I/I_пред=2 модуляция становится полной. При дальнейшем росте разности I-I_пред минимальное значение пролетного тока становится отрицательным, что соответствует возникновению продольной завихренности (турбулентности) электронного потока за ВК и негативно сказывается на кпд генерации. Таким образом, условие I/I_пред= 2 является оптимальным для режима модуляции электронного пучка ВК.

Известно, что если диод виркатора работает в режиме диода Чайльда-Ленгмюра, то при условии l=2d и при абсолютно прозрачной для электронов диафрагме верно I/I_пред= 1. Так как по закону Чайльда-Ленгмюра ток в диоде виркатора I∝d², то для обеспечения условия I/I_пред=2 необходимо, чтобы

, а учет прозрачности диафрагмы дает

Итак, при выполнении полученного условия по проводам обратного токопровода будет протекать полностью промодулированный суммарный ток амплитудой I.

Еще раз напомним, что в предлагаемом виркаторе провода обратного токопровода играют также роль устройства вывода СВЧ излучения и представляют собой антенны бегущей волны. Пространственная конфигурация их определяет условия излучения (поляризация, диаграмма направленности и др.). Приведем те их конфигурации, которые могут иметь самостоятельное значение.

Выполнение проводов так, чтобы места их контакта с коллектором и места их контакта с анодным электродом были разнесены друг от друга по азимуту относительно направления движения электронов, приведет к тому, что в антенной системе бегущей волны, образующейся из этих проводов, появляется азимутальная составляющая модулированного тока, что позволит сформировать тороидальную диаграмму направленности излучения, что может оказаться полезным для излучения СВЧ волн в направлении объектов, местоположение которых точно неизвестно.

Размещение на проводах обратного токопровода одной или нескольких директорных антенн позволит получать излучение в очень узкой диаграмме направленности с углом полураствора конуса всего в несколько градусов. Это излучение может быть направлено к объекту, местоположение которого известно точно.

При определенных условиях можно добиться, чтобы при увеличении периметра П петлевой антенны излучаемая мощность росла бы как (Пλ)², где λ - длина волны СВЧ излучения. Для этого можно выполнить провода в виде спиралей, при этом направление намотки спиралей управляет направлением вращения поляризации СВЧ волны.

Увеличения эффективного периметра П можно добиться также, помещая внутрь спирали сердечника, например, ферромагнетик.

В общем случае, когда лишь выполняется условие

, мощность р, подводимая к одному проводу обратного токопровода, равна: p = P/2χN, где Р - мощность пучка в диоде виркатора, N - количество проводов в обратном токопроводе. Это обстоятельство, фактически означающее, что СВЧ мощность в одном проводе может быть достаточно велика, позволяет формировать ФАР на основе предложенных виркаторов, коэффициенты связи между которыми могут достигать больших значений.

Один из способов организации такой связи заключается в создании СВЧ трансформаторов, одной из обмоток которого служит один из проводов обратного токопровода одного виркатора, а другой из обмоток - один из проводов другого виркатора. При этом петли указанных проводов могут взаимно охватывать друг друга не менее одного раза или быть намотаны в виде спиралей на общий сердечник.

Высокие коэффициенты связи в этих случаях обусловлены тем, что взаимная индуктивность в трансформаторе может быть сделана сравнимой с собственными индуктивностями взаимоохватываемых проводов.

Другим способом организации связи предлагаемых виркаторов в ФАР может быть нагружение проводов виркаторов на общую директорную антенну. В этом случае высокий коэффициент связи может быть достигнут путем подбора геометрии директорной антенны и оптимального выбора мест соединения проводов виркаторов на антенне.

Перечислим фигуры, на которых представлены примеры конструкторского исполнения предлагаемых виркатора и ФАР на его основе:
- фиг. 2 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой и с проводами обратного токопровода в виде обычных петель;
- фиг.3 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой и с проводами в виде петель, места контакта которых с коллектором и места контакта которых с анодным электродом разнесены по азимуту;
- фиг.4 - виркатор с плазменной диафрагмой и с проводами в виде петель, места контакта которых с коллектором и места контакта которых с анодным электродом разнесены по азимуту;
- фиг.5 - магнитоизолированный безфольговый виркатор с проводами в виде петель;
- фиг. 6 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой и с проводами обратного токопровода в виде обычных петель, нагруженных на директорные антенны типа Уда-Яги [8] (Харвей А.Ф., "Техника сверхвысоких частот", М.: Сов. радио, 1965, т. 2, с. 24);
- фиг. 7 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой, у которого провода выполнены в виде спиралей с азимутальной осью;
- фиг. 8 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой, у которого провода выполнены в виде спиралей с продольной осью;
- фиг. 9 - виркатор с сеточной (или фольговой) диафрагмой, у которого провода выполнены в виде спиралей с сердечниками внутри;
- фиг. 10 - ФАР из двух виркаторов типа фиг.2 с зацепленными проводами обратного токопровода;
- фиг.11 - ФАР из трех виркаторов типа фиг.6 с общими директорными антеннами типа Уда-Яги;
- фиг.12 - ФАР из четырех виркаторов типа фиг.9 с общим сердечником.

На фигурах обозначено: 1 - источник питания; 2 - эмиттер электронов; 3 - изолятор; 4 - анодный электрод; 5 - анодная диафрагма; 6 - коллектор электронов; 7 - гибкий провод обратного токопровода; 8 - плазменный инжектор; 9 - соленоид магнитного поля; 10 - стержень директорией антенны типа Уда-Яги; 11 - сердечник.

Для работы виркатора в воздушном пространстве необходимы диэлектрические окна 12, отделяющие вакуумированные внутренние полости виркатора от внешнего пространства; в случае же использования виркатора в космических условиях или в условиях сильного разрежения необходимость окон 12 отпадает.

В качестве источника питания 1 возможно использование генератора импульсного напряжения, выполненного, например, по схеме Аркадьева-Маркса [9] (Месяц Г.А., "Генерирование мощных наносекундных импульсов", М.: Атомиздат, 1972), либо взрывомагнитного генератора с обострителем напряжения на основе электрически взрываемых проводников [10] (Азаркевич Е.И., Диденко А.Н., Жерлицын А.Г. и др., "Получение импульсов СВЧ-излучения с помощью энергии химических взрывчатых веществ", Препринт, Ин-т хим. физ. РАН, Черноголовка, 1992).

В качестве эмиттера электронов 2 может быть использован взрывоэмиссионный или термоэмиссионный катод. Возможно также применение плазменных эмиттеров на основе скользящего по поверхности диэлектрика разряда типа [11] (Бугаев С.П., Месяц Г.А., "Эмиссия электронов из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме", ДАН СССР, 1971, т. 196, 2, с. 324).

Изолятор 3 можно выполнить из полиэтилена, фторопласта, капролона или других диэлектрических материалов, способных работать в высоком вакууме.

Анодная диафрагма 5, расположенная на анодном электроде 4, изготавливается из тонкой проводящей фольги из металла с малым атомным номером, например титана, либо из проволочной сетки из тугоплавкого металла, например вольфрама или тантала. В случае виркатора с плазменной диафрагмой возможно использование нескольких радиально установленных плазменных инжекторов 8, подобных описанным в [12] (Бабкин А.Л., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др. "Теоретическое и экспериментальное исследование виркатора с плазменным анодом". Физика плазмы, 1997, т. 23, 4, с. 343), которые создают тонкий плазменный слой, играющий роль диафрагмы 5.

Коллектор электронов 6 может быть изготовлен из любого конструктивного металла, например нержавеющей стали.

Гибкие провода 7 обратного токопровода можно изготовить из медной изолированной или неизолированной проволоки произвольного профиля поперечного сечения. Директорные антенны 10 также выполняются из проводников, например из меди. Сердечники 11 внутри спиралей, свернутых из проводов 7 обратного токопровода, выполняются из ферромагнитного материала с временем релаксации много меньшим, чем период модуляции электронного тока в ВК (так называемые СВЧ-ферриты).

В случае необходимости виркатор помещают в соленоид 9 магнитного поля, запитываемый от своего источника тока.

Внутренние полости виркатора вакуумируются до давления остаточного газа не более 10^-4 Тор.

Работает виркатор следующим образом. При подаче импульса высокого напряжения на промежуток "эмиттер - диафрагма" с эмиттера 2 по направлению к диафрагме 5 устремляется электронный пучок, ускоряясь в этом промежутке. Пройдя сквозь диафрагму 5, пучок замедляется и примерно в середине промежутка "диафрагма - коллектор" формируется ВК. ВК, осциллируя по величине заряда и по местоположению, то пропускает электронный поток к коллектору 6, то отражает их назад к диафрагме 5. Таким образом, на коллектор 6 падает промодулированный ток электронов с частотой модуляции, равной частоте осцилляции ВК.

Этот модулированный ток в дальнейшем протекает по проводам 7 обратного токопровода и замыкается на анодной диафрагме 5. Протекание модулированного тока по проводам 7 вызывает излучение антенных систем петлевого, спирального или директорного типа.

При использовании предлагаемых виркаторов в составе ФАР типа фиг.10-12 часть промодулированного тока ответвляется для осуществления связи виркаторов и их взаимной синхронизации и фазировки.

Ожидаемые время установления фазировки и время ее удержания в паре виркаторов, связанных согласно фиг.10-12, составят 2-5 нс и 200 нс соответственно.

Claims (7)

1. Виркатор, содержащий последовательно расположенные и разделенные изоляторами эмиттер электронов, анодный электрод, имеющий диафрагму, и коллектор электронов, а также источник питания, подсоединенный к эмиттеру и анодному электроду, обратный токопровод, соединяющий анодный электрод и коллектор, и устройство вывода СВЧ излучения, отличающийся тем, что в качестве обратного токопровода и одновременно в качестве устройства вывода СВЧ излучения используется по меньшей мере один гибкий провод, соединяющий анодный электрод и коллектор и являющийся антенной бегущей волны.

2. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что расстояние l между диафрагмой анодного электрода и коллектором выбирают из соотношения

где χ - величина прозрачности диафрагмы;
d - расстояние между эмиттером электронов и диафрагмой.

3. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что место контакта провода с коллектором и место контакта провода с анодным электродом разнесены друг от друга по азимуту относительно направления движения электронов.

4. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере на одном проводе, соединяющем анодный электрод и коллектор, размещена по меньшей мере одна директорная антенна.

5. Виркатор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один провод, соединяющий анодный электрод и коллектор, свернут в спираль.

6. Виркатор по п. 5, отличающийся тем, что по меньшей мере внутри одной спирали расположен по меньшей мере один сердечник.

7. Виркатор по п. 6, отличающийся тем, что по меньшей мере один сердечник выполнен из ферромагнитного материала.

Images