RU2444805C1

RU2444805C1 - Microwave generator based on virtual cathode

Info

Publication number: RU2444805C1
Application number: RU2010132792/07A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Арбузов (RU); Алексей Иванович Арбузов
Original assignee: Алексей Иванович Арбузов
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-03-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: microwave generator based on a virtual cathode is designed to generate electromagnet radiation in various ranges of wavelengths and may be used in locating, in the field of high-frequency communication, in science, in household appliances. It consists of an external power supply source (1) and a vacuumised system, comprising a casing made as a hollow cylinder (3) or of a different shape, closed with end covers (4), on one of which there is a cathode (6). Parallel to its emitting surface there is an anode grid (9) fixed with the help of an anode holder (10) with a gap relative to it, and positive voltage is applied to this grid during operation of the generator from the external power supply source (1), as a result, an electronic beam is developed. Radiation is released from the vacuum system via a communication window (2). In front of the anode grid (9) there is a capacitor insulator (7) installed, which contacts with its external side to the inner surface of the casing, and with its internal side - to a capacitor lining (8), which is electrically connected to the anode grid (9), at the same time the casing serves as another capacitor lining.

EFFECT: increased efficiency factor of the generator due to multiple reduction of its working inductance.

2 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) и высокочастотной (ВЧ) электронике и может быть использовано в локации, ВЧ-связи, науке, бытовой технике для генерации электромагнитного излучения в различных диапазонах длин волн.The invention relates to microwave (UHF) and high frequency (HF) electronics and can be used in locations, HF communications, science, household appliances for generating electromagnetic radiation in various wavelength ranges.

Известен микроволновый генератор на основе виртуального катода [патент US №4150340, МПК H01J 25/74; Н03В 9/01, опубл. 17.04.1979], который включает в себя источник высоковольтных импульсов и генератор, выполненный в виде отражательного триода, вырабатывающего мощные импульсы высокочастотного излучения. Все основные элементы отражательного триода размещены внутри его корпуса, представляющего собой вакуумную камеру, в которую от источника высоковольтных импульсов импульсы высокого напряжения поступают через высоковольтный ввод (на фигурах не показан) и через анододержатель на анод. Параллельно аноду в корпусе с помощью катододержателя укреплен катод. Анод сделан из материала, который прозрачен для электронов с заданной энергией, что позволяет электронам, излучаемым катодом, колебаться, пересекая анод. Электроны, колеблющиеся в фазе, двигаются в потенциальной яме и испускают поток СВЧ-излучения. Анод изготавливают из токопроводящей сетки или тонкой пленки аллюминизированного МАЙЛАРа, а катод из углерода.Known microwave generator based on a virtual cathode [US patent No. 4150340, IPC H01J 25/74; H03B 9/01, publ. 04/17/1979], which includes a source of high-voltage pulses and a generator made in the form of a reflective triode, generating powerful pulses of high-frequency radiation. All the main elements of the reflective triode are placed inside its body, which is a vacuum chamber into which high voltage pulses from a source of high voltage pulses pass through a high voltage input (not shown in the figures) and through the anode holder to the anode. Parallel to the anode, a cathode is mounted in the housing using a cathode holder. The anode is made of a material that is transparent to electrons with a given energy, which allows the electrons emitted by the cathode to oscillate, crossing the anode. Electrons oscillating in phase move in a potential well and emit a stream of microwave radiation. The anode is made of a conductive grid or a thin film of aluminized MAYLAR, and the cathode is made of carbon.

Основным недостатком этого устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД) преобразования энергии импульсов высокого напряжения в энергию импульсов генерируемого излучения. Это связано с тем, что хотя в п.4 формулы рассматриваемого изобретения для поддержания вакуума и обеспечения низкой индуктивности подвода потенциала предусмотрено электроды помещать в камеру для поддержания вакуума и обеспечения низкой индуктивности подвода потенциала, однако реальная индуктивность генератора велика и оценивается в несколько сотен наногенри.The main disadvantage of this device is the low coefficient of performance (COP) of converting the energy of high voltage pulses into pulse energy of the generated radiation. This is due to the fact that although in paragraph 4 of the claims of the present invention, to maintain a vacuum and ensure a low inductance of the potential supply, it is planned to place the electrodes in a chamber to maintain a vacuum and ensure a low inductance of the potential supply, the real inductance of the generator is large and is estimated at several hundred nanogenes.

Частично этот недостаток устранен во втором аналоге, который представляет собой отражательный триод на основе виртуального катода [патент RU №2134920, МПК H01J 25/68, опубл. 20.08.1999), который содержит источник питания, вакуумную камеру, внутри которой аксиально размещены катодный электрод и анодный электрод с плоской частью в виде диафрагмы, установленной параллельно торцевой поверхности катода с зазором, канал вывода излучения с окном, причем анодный электрод дополнен электрически связанным с ним полым проводящим цилиндром, размещенным на диафрагме соосно с катодом, охватывая его с зазором.Partially this drawback is eliminated in the second analogue, which is a reflective triode based on a virtual cathode [patent RU No. 2134920, IPC H01J 25/68, publ. 08/20/1999), which contains a power source, a vacuum chamber, inside of which the cathode electrode and the anode electrode are axially placed with a flat part in the form of a diaphragm mounted parallel to the end surface of the cathode with a gap, a radiation output channel with a window, the anode electrode being supplemented with an electrically connected a hollow conducting cylinder placed on the diaphragm coaxially with the cathode, covering it with a gap.

Основным недостатком этого устройства является также низкий КПД генерируемого излучения, так как ожидаемое его увеличение по сравнению с КПД описанного выше первого аналога составляет примерно 20%.The main disadvantage of this device is also the low efficiency of the generated radiation, since its expected increase compared with the efficiency of the first analog described above is approximately 20%.

Аналогичным второму аналогу по КПД является выбранный за прототип сверхвысокочастотный генератор на основе виртуального катода [патент RU №2321098, МПК H01J 25/68, H01J 25/02, опубл. 27.03.2008, бюл. №9], который является наиболее близким к предложенному генератору по конструктивным особенностям. Этот известный генератор включает в себя вакуумированную систему, состоящую из корпуса с установленными в нем и подключенными к внешнему источнику питания катодом и анодной сеткой, образующими диодное пространство, за которым следует секция формирования виртуального катода со средством вывода излучения, причем в диодном пространстве до анодной сетки установлена полая диэлектрическая вставка, имеющая контакт с сеткой. Вакуумирование осуществляют до давления остаточного газа не более 10^-4 торр.Similar to the second equivalent in terms of efficiency is the microwave generator selected for the prototype based on the virtual cathode [patent RU No. 2321098, IPC H01J 25/68, H01J 25/02, publ. 03/27/2008, bull. No. 9], which is closest to the proposed generator in terms of design features. This known generator includes a vacuum system consisting of a housing with a cathode and anode grid installed in it and connected to an external power source, forming a diode space, followed by a section for forming a virtual cathode with radiation output means, and in the diode space up to the anode grid a hollow dielectric insert having contact with the grid is installed. Evacuation is carried out up to a residual gas pressure of not more than 10 ^-4 torr.

Основным недостатком этого генератора является сравнительно низкий КПД генерируемого излучения.The main disadvantage of this generator is the relatively low efficiency of the generated radiation.

Техническим результатом предложенного решения является достижение КПД генерируемого излучения не менее 50% за счет снижения индуктивности работающего генератора на два порядка: с 200-300 нГн до нескольких нГн.The technical result of the proposed solution is to achieve a radiation efficiency of at least 50% by reducing the inductance of the operating generator by two orders of magnitude: from 200-300 nH to several nH.

Указанный технический результат достигается тем, что в сверхвысокочастотном генераторе на основе виртуального катода, включающем вакуумированную систему, состоящую из выполненного с окном связи корпусом, в котором установлены электрически соединенный с корпусом катод и подключенная к внешнему источнику питания анодная сетка, за которой расположена область формирования виртуального катода, согласно предложенному решению перед анодной сеткой установлен конденсаторный изолятор, контактирующий своей наружной стороной с внутренней поверхностью корпуса, а внутренней стороной с наружной поверхностью конденсаторной обкладки, установленной внутри конденсаторного изолятора и электрически соединенной с анодной сеткой.The specified technical result is achieved in that in a microwave generator based on a virtual cathode, which includes a vacuum system, consisting of a housing made with a communication window, in which a cathode is electrically connected to the housing and an anode grid connected to an external power source is located, behind which there is a virtual formation region of the cathode, according to the proposed solution, a capacitor insulator is installed in front of the anode grid, which contacts its outer side with the inner the surface of the housing, and the inner side with the outer surface of the capacitor plate installed inside the capacitor insulator and electrically connected to the anode grid.

Целесообразно конденсаторную обкладку выполнять в виде нанесенного на внутреннюю поверхность конденсаторного изолятора токопроводящего слоя.It is advisable to perform the capacitor plate in the form of a conductive layer deposited on the inner surface of the capacitor insulator.

Основная идея предложенного технического решения заключается в том, что анод и катод размещают в той части вакуумированного корпуса, где возбужденное собственное колебание корпуса, как резонатора, имеет наибольшую амплитуду по сравнению с амплитудой в других частях корпуса. При этом эмитирующая поверхность катода и плоскость анода перпендикулярны электрической компоненте этого собственного колебания; электрическое поле, созданное внешним источником питания в анод-катодном промежутке, параллельно электрическому полю высокочастотного колебания, а суммарное электрическое поле осциллирует с частотой возбужденных собственных колебаний корпуса, изменяя эмиссию электронов из катода вплоть до полного ее запирания. Чтобы стали возможными быстрые изменения тока, в непосредственной близости от катода и анода размещают малоиндуктивный конденсатор, обкладки которого подключают к катоду и аноду. Функцию заземленной обкладки выполняет корпус, а потенциальный электрод (внутреннюю конденсаторную обкладку) отделяют от корпуса изолятором. В результате возникает участок цепи, параллельный анод-катодному промежутку, что исключает влияние индуктивности цепи источника питания. Когда эмиссия заперта, ток цепи источника питания частично заряжает конденсатор; при возобновлении эмиссии конденсатор частично разряжается, и ток разряда, складываясь с током цепи, создает ток эмиссии. Это вызывает глубокую модуляцию электронного пучка. Известно, что эффективное преобразование энергии происходит, если электронный пучок предварительно модулирован на частоте излучения (Лебедев И.В., Техника и приборы СВЧ, Москва, Энергия, 1964, т.2, с.459). Вывод высокочастотного излучения из генератора осуществляют любым известным способом: петлей, штырем или через окно связи.The main idea of the proposed technical solution is that the anode and cathode are placed in that part of the evacuated housing, where the excited natural vibration of the housing, like a resonator, has the largest amplitude compared to the amplitude in other parts of the housing. Moreover, the emitting surface of the cathode and the plane of the anode are perpendicular to the electrical component of this natural oscillation; the electric field created by an external power source in the anode-cathode gap is parallel to the electric field of the high-frequency oscillation, and the total electric field oscillates with the frequency of the excited natural oscillations of the casing, changing the emission of electrons from the cathode until it is completely blocked. In order to make possible rapid changes in current, in the immediate vicinity of the cathode and anode, a low-inductance capacitor is placed, the plates of which are connected to the cathode and anode. The function of the grounded plate is performed by the housing, and the potential electrode (internal capacitor plate) is separated from the housing by an insulator. The result is a portion of the circuit parallel to the anode-cathode gap, which eliminates the influence of the inductance of the power supply circuit. When emission is locked, the current in the power supply circuit partially charges the capacitor; when the emission resumes, the capacitor partially discharges, and the discharge current, adding to the circuit current, creates an emission current. This causes deep modulation of the electron beam. It is known that effective energy conversion occurs if the electron beam is pre-modulated at a radiation frequency (I. Lebedev, Technique and microwave devices, Moscow, Energia, 1964, v. 2, p. 459). The output of high-frequency radiation from the generator is carried out by any known method: a loop, a pin, or through a communication window.

Пример конкретного выполнения предложенного генератора проиллюстрирован двумя рисунками. На фиг.1 приведен продольный разрез генератора, а на фиг.2 представлено его поперечное сечение. Генератор содержит внешний источник питания 1 и вакуумированную систему, внешним элементом которой является выполненный с окном связи 2 корпус, имеющий форму полого цилиндра 3, закрытого торцевыми крышками 4. На одной из крышек 4 внутри цилиндра 3 с помощью токопроводящего катододержателя 5 укреплен катод 6. Внутри цилиндра 3 установлен конденсаторный изолятор 7, контактирующий с внутренней поверхностью цилиндра. Центр катода 6 расположен на осевой линии цилиндра 3. Конденсаторный изолятор 7, выполненный из высокочастотной керамики, контактирует внутренней стороной с наружной поверхностью внутренней конденсаторной обкладки 8, установленной внутри конденсаторного изолятора 7 и электрически соединенной с анодной сеткой 9, жестко установленной с помощью кольцевого анододержателя 10 параллельно эмитирующей поверхности катода 6. Диаметр анодной сетки 9 выбирают больше диаметра эмитирующей поверхности катода 6. Катододержатель 5 служит также для регулирования зазора между катодом 6 и анодной сеткой 9, за которой формируется виртуальный катод 11. Кольцевой анододержатель 10 электрически соединен с внешним источником питания 1 проводником 12, который пропущен внутрь цилиндра 3 через изолятор токоввода 13. Окно связи 2 предназначено для вывода СВЧ энергии из вакуумированной системы. Корпус вакуумированной системы, конденсаторный изолятор 7 и конденсаторная обкладка 8 могут иметь в поперечном сечении также квадратную, прямоугольную, эллиптическую или другую форму. Внутренняя конденсаторная обкладка 8 может быть выполнена любым известным способом, в том числе в виде нанесенного на внутреннюю поверхность конденсаторного изолятора 7 токопроводящего слоя. В системе установлено разрежение не выше 10^-4 торр. Источник питания генерирует импульсное, периодическое или постоянное напряжение положительной полярности.An example of a specific implementation of the proposed generator is illustrated in two figures. Figure 1 shows a longitudinal section of a generator, and figure 2 shows its cross section. The generator contains an external power source 1 and a vacuum system, the external element of which is a housing made with a communication window 2, having the form of a hollow cylinder 3, closed by end caps 4. On one of the covers 4 inside the cylinder 3 with the help of a conductive cathode holder 5 is strengthened cathode 6. Inside a cylinder 3 has a capacitor insulator 7 in contact with the inner surface of the cylinder. The center of the cathode 6 is located on the axial line of the cylinder 3. The capacitor insulator 7, made of high-frequency ceramics, contacts the inner side with the outer surface of the inner capacitor plate 8 installed inside the capacitor insulator 7 and electrically connected to the anode grid 9, rigidly mounted using an annular anode holder 10 parallel to the emitting surface of the cathode 6. The diameter of the anode grid 9 is chosen larger than the diameter of the emitting surface of the cathode 6. The cathode holder 5 also serves to regulate the gap between the cathode 6 and the anode grid 9, behind which a virtual cathode 11 is formed. The annular anode holder 10 is electrically connected to an external power source 1 by a conductor 12, which is passed inside the cylinder 3 through the current lead insulator 13. The communication window 2 is designed to output microwave energy from the evacuated system. The case of the evacuated system, the capacitor insulator 7 and the capacitor plate 8 may also have a square, rectangular, elliptical or other shape in cross section. The inner capacitor plate 8 can be made in any known manner, including in the form of a conductive layer deposited on the inner surface of the capacitor insulator 7. The system has a vacuum of no higher than 10 ^-4 torr. The power source generates a pulse, periodic or constant voltage of positive polarity.

Генератор работает следующим образом. При подаче положительного напряжения от внешнего источника питания 1 на анодную сетку 9 создается электронный пучок, эмитируемый катодом 6. Электроны пересекают анодную сетку 9, формируют за ней виртуальный катод 11, продолжая колебаться между виртуальным катодом 11 и катодом 6, возбуждая высокочастотные электромагнитные колебания. Излучение выводится через окно связи 2.The generator operates as follows. When a positive voltage is applied from the external power source 1 to the anode grid 9, an electron beam is generated emitted by the cathode 6. Electrons cross the anode grid 9, form a virtual cathode 11 behind it, continuing to oscillate between the virtual cathode 11 and cathode 6, exciting high-frequency electromagnetic waves. Radiation is output through communication window 2.

В приведенном примере конкретного выполнения основные параметры генератора, подаваемого на него напряжения, длины волны излучения и КПД следующие:In the given example of a specific implementation, the main parameters of the generator, the voltage supplied to it, the radiation wavelength and efficiency are as follows:

внутренний диаметр цилиндра, смinner cylinder diameter, cm 1010 анод-катодный зазор, ммanode-cathode gap, mm 5÷105 ÷ 10 диаметр катода, ммcathode diameter, mm 20twenty подаваемое напряжение, кВapplied voltage, kV 1÷51 ÷ 5 длина волны излучения, смradiation wavelength, cm 10÷1210 ÷ 12

Коэффициент полезного действия - не менее 50%, что выше, чем в существующих конструкциях в 2 раза и более.The efficiency is at least 50%, which is higher than 2 times or more in existing structures.

Claims

1. Microwave generator based on a virtual cathode, comprising a vacuum system consisting of a casing made with a communication window, in which a cathode is electrically connected to the casing and an anode grid is connected to an external power source, behind which there is a virtual cathode formation region, characterized in that a capacitor insulator is installed in front of the anode grid, which contacts its outer side with the inner surface of the housing, and the inner side with the outer surface th capacitor plate installed inside the capacitor insulator and electrically connected to the anode grid.

2. The microwave generator based on the virtual cathode according to claim 1, characterized in that the capacitor plate is made in the form of a conductive layer deposited on the inner surface of the capacitor insulator.