RU2530746C1 - Ultrahigh frequency cyclotron protective device - Google Patents
Ultrahigh frequency cyclotron protective device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2530746C1 RU2530746C1 RU2013117623/07A RU2013117623A RU2530746C1 RU 2530746 C1 RU2530746 C1 RU 2530746C1 RU 2013117623/07 A RU2013117623/07 A RU 2013117623/07A RU 2013117623 A RU2013117623 A RU 2013117623A RU 2530746 C1 RU2530746 C1 RU 2530746C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electron
- cathode
- frequency
- resonator
- cyclotron
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно - к устройствам защиты СВЧ-радиоприемных устройств, в частности, приемников радиолокационных станций, от воздействия входной мощности большого уровня в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.The invention relates to the field of high-frequency radio electronics, and in particular, to devices for protecting microwave radio receivers, in particular, radar receivers, from exposure to a high level of input power in the centimeter and millimeter wavelength ranges.
В современных радиолокационных системах (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны быть надежно и качественно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при предельно малом времени восстановления параметров после окончания СВЧ-импульса. Всем этим требованиям в значительной степени удовлетворяют циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), работающие на быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного потока.In modern radar systems (radar), stringent requirements are imposed on the input stages of the receiver. Along with a small noise figure in the working frequency band, they must be reliably and efficiently protected from high-level microwave power with an extremely short recovery time after the microwave pulse ends. All these requirements are largely satisfied by cyclotron protective devices (CZU), operating on a fast cyclotron wave (BCV) of the electron beam.
Известно ЦЗУ по патенту Российской Федерации №2167480, в основу работы которого положено взаимодействие электродинамической структуры с БЦВ электронного потока [1]. Это устройство обеспечивает надежную защиту от СВЧ-мощности высокого уровня при малом времени восстановления, однако оно имеет узкую полосу рабочих частот в режиме пропускания сигнала, составляющую 2-4% в 3-см диапазоне длин волн. Ограничения по ширине полосы рабочих частот обусловлены двумя физическими факторами: недостаточной электронной нагрузкой резонаторов и плохим качеством согласования проводимости электронного потока и электродинамической структуры с проводимостью внешних входных и выходных СВЧ-линий. Электронная нагрузка резонаторов этого устройства ограничена величинами тока (100…200 мкА) и напряжений резонаторной системы (20…40В), в пределах которых еще выполняются жесткие требования на уровень токопрохождения (выше 99%) для обеспечения требуемых шумовых параметров ЦЗУ.It is known CZU according to the patent of the Russian Federation No. 2164480, which is based on the interaction of the electrodynamic structure with a central electron beam [1]. This device provides reliable protection from high-level microwave power with a short recovery time, however, it has a narrow band of operating frequencies in the signal transmission mode, comprising 2-4% in the 3-cm wavelength range. Limitations on the bandwidth of the working frequencies are due to two physical factors: insufficient electron loading of the resonators and poor quality of matching the conductivity of the electron beam and the electrodynamic structure with the conductivity of the external input and output microwave lines. The electronic load of the resonators of this device is limited by the values of current (100 ... 200 μA) and voltage of the resonator system (20 ... 40 V), within which stringent requirements on the level of current transmission (above 99%) are still fulfilled to ensure the required noise parameters of the central memory.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является ЦЗУ по патенту Российской Федерации №2453018 [2]. Его резонаторная система состоит из входного и выходного резонаторов, имеющих однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенных диафрагмой с отверстием для прохождения электронного потока. Резонаторы соединены с внешними СВЧ-линиями своими трактами передачи сигнала, каждый из которых разделен диэлектрическим окном на вакуумную и не вакуумную части. В невакуумных частях каждого тракта расположены подстроечные элементы (проводящие выступы в виде штырей или продольных пластин), с помощью которых полоса рабочих частот расширена до 6%. Однако во многих случаях эта величина недостаточна из-за постоянно возрастающих требований к современным РЛС. Очевидно, что для дальнейшего расширения полосы рабочих частот ЦЗУ необходимо повышать электронную нагрузку резонаторной системы путем увеличения тока (микропервеанса) ленточного электронного потока, повышения плотности тока в резонаторных зазорах, сужения резонаторных зазоров при обязательном жестком условии обеспечения токопрохождения в ЦЗУ на уровне выше 99%.Closest to the proposed invention (prototype) is the central bank according to the patent of the Russian Federation No. 2453018 [2]. Its resonator system consists of input and output resonators having unidirectional communication with each other through the electron beam and separated by a diaphragm with a hole for the passage of the electron beam. The resonators are connected to external microwave lines by their signal transmission paths, each of which is divided by a dielectric window into vacuum and non-vacuum parts. In the non-vacuum parts of each path there are tuning elements (conductive protrusions in the form of pins or longitudinal plates), with which the operating frequency band is expanded to 6%. However, in many cases this value is insufficient due to the ever-increasing requirements for modern radars. Obviously, in order to further expand the working frequency band of the CZU, it is necessary to increase the electronic load of the resonator system by increasing the current (micropervance) of the tape electron flow, increasing the current density in the resonator gaps, narrowing the resonator gaps with the mandatory strict condition that the current flow in the CZU is above 99%.
Актуальной проблемой в области разработок ЦЗУ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн является расширение полосы рабочих частот в режиме входного сигнала малого уровня путем повышения электронной нагрузки резонаторной системы.An urgent problem in the development of the centrifugal and millimeter-wave DLCs is the expansion of the operating frequency band in the input mode of a low level by increasing the electronic load of the resonator system.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение полосы рабочих частот сверхвысокочастотного ЦЗУ 3-см диапазона длин волн.The technical result of the invention is the extension of the operating frequency band of a microwave frequency DZU 3-cm wavelength range.
Предлагаемое сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство содержит электронную пушку с ленточным катодом, фокусирующим и вытягивающим электродами, входной и выходной объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через электронный поток и разделенные диафрагмой с отверстием, образующим пролетный канал, коллектор и средство для создания однородного магнитного поля соосного с электронным потоком, уровень индукции которого обеспечивает вращение электронов с циклотронной частотой, равной средней частоте рабочей полосы частот устройства, при этом каждый резонатор соединен и согласован с внешними СВЧ-линиями трактом передачи сигнала, который разделен на части, вакуумную и не вакуумную с подстроечными элементами. Фокусирующий электрод выполнен в виде прямоугольной пластины, расположенной перед ленточным катодом вдоль его длины, края которой по длине загнуты под прямым углом по направлению к катоду. Плоскость симметрии зазора выходного резонатора образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α, при этом 3°≤α≤5°.The proposed microwave cyclotron protective device contains an electron gun with a tape cathode, focusing and pulling electrodes, input and output volume resonators having unidirectional communication with each other through the electron beam and separated by a diaphragm with an opening forming a passage channel, a collector and means for creating a uniform magnetic field coaxial with the electron beam, the level of induction of which ensures the rotation of electrons with a cyclotron frequency equal to the average frequency p the operating frequency band of the device, with each resonator connected and matched to external microwave lines by a signal transmission path, which is divided into parts, vacuum and non-vacuum with tuning elements. The focusing electrode is made in the form of a rectangular plate located in front of the tape cathode along its length, the edges of which are bent along the length at a right angle to the cathode. The symmetry plane of the gap of the output cavity forms an angle α with the central plane of symmetry of the passage channel, with 3 ° ≤α≤5 °.
Выполнение фокусирующего электрода в виде прямоугольной пластины, расположенной перед ленточным катодом по направлению движения электронов вдоль его длины, края которой по длине загнуты под прямым углом по направлению к катоду, позволяет обеспечить необходимую величину катодного тока и плавное падение плотности тока по краям эмитирующей поверхности катода. Это приводит к уменьшению S-образного искажения краев ленточного электронного потока под влиянием собственного пространственного заряда. Оптимальное распределение плотности тока вдоль катода достигается путем подачи отрицательного (по отношению к катоду) потенциала на фокусирующий электрод, положительного потенциала на вытягивающий электрод и последующей их настройки на заданную величину тока и максимальное токопрохождение.The implementation of the focusing electrode in the form of a rectangular plate located in front of the tape cathode in the direction of electron motion along its length, the edges of which are curved along the length at right angles towards the cathode, allows us to provide the necessary cathode current and a smooth drop in current density along the edges of the cathode emitting surface. This leads to a decrease in the S-shaped distortion of the edges of the tape electron flow under the influence of its own space charge. The optimal distribution of current density along the cathode is achieved by supplying a negative (relative to the cathode) potential to the focusing electrode, a positive potential to the pulling electrode and their subsequent adjustment to a given current value and maximum current passage.
Расположение выходного резонатора таким образом, что плоскость симметрии его зазора образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α в диапазоне 3°≤α≤5° позволяет улучшить токопрохождение на коллектор и повысить микропервеанс ленточного электронного потока, т.е повысить электронную нагрузку резонаторов и, следовательно, расширить его полосу рабочих частот ЦЗУ.The location of the output resonator in such a way that the plane of symmetry of its gap forms an angle α in the range of 3 ° ≤α≤5 ° with the central plane of symmetry of the passage channel makes it possible to improve the current flow to the collector and increase the micropervance of the tape electron beam, i.e., increase the electronic load of the resonators and, consequently, expand its band of working frequencies of the central bank.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого ЦЗУ, где изображены:In Fig.1 shows a structural diagram of the proposed ZZU, which shows:
1 - электронная пушка,1 - electron gun,
2 - ленточный катод,2 - tape cathode,
3 - фокусирующий электрод,3 - focusing electrode,
4 - вытягивающий электрод (первый анод),4 - a pulling electrode (first anode),
5 - входной резонатор,5 - input resonator,
6 - выходной резонатор,6 - output resonator,
7 - ленточный электронный поток,7 - tape electronic stream,
8 - диафрагма с отверстием (пролетный канал),8 - diaphragm with a hole (span channel),
9 - коллектор,9 - collector,
10 - средство (магнитная система) для создания однородного магнитного поля с уровнем индукции В0,10 - means (magnetic system) for creating a uniform magnetic field with an induction level of B 0 ,
11 - тракт передачи сигнала во входной резонатор,11 - signal transmission path to the input resonator,
12 - тракт передачи сигнала из выходного резонатора,12 - signal transmission path from the output resonator,
13 - зазор входного резонатора,13 - the gap of the input resonator,
14 - зазор выходного резонатора.14 - clearance of the output cavity.
На фиг.2 приведено схематическое изображение электронной пушки предлагаемого ЦЗУ, гдеFigure 2 shows a schematic representation of an electronic gun of the proposed Central memory, where
2 - ленточный катод,2 - tape cathode,
3 - фокусирующий электрод,3 - focusing electrode,
4 - вытягивающий электрод (первый анод),4 - a pulling electrode (first anode),
15 - подогреватель (держатель) катода.15 - heater (holder) of the cathode.
На фиг.3 показаны результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе ЦЗУ - прототипа с удвоенной величиной тока электронного потока.Figure 3 shows the results of computer simulation of the electron beam in the electron-optical system of the central memory - a prototype with twice the current of the electron beam.
На фиг.4 показаны результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе предлагаемого ЦЗУ с удвоенной величиной тока электронного потока.Figure 4 shows the results of computer simulation of the electron beam in the electron-optical system of the proposed DLC with twice the current of the electron beam.
На фиг.5 показаны экспериментальные графики частотных зависимостей КСВН входа (выхода) устройства-прототипа и экспериментального образца предлагаемого устройства 3-см диапазона длин волн.Figure 5 shows the experimental graphs of the frequency dependencies of the VSWR input (output) of the prototype device and the experimental sample of the proposed
Примером выполнения предлагаемого устройства может служить конструкция ЦЗУ 3-см диапазона длин волн (см. фиг.1).An example of the implementation of the proposed device can serve as the design of the Central memory of the 3-cm wavelength range (see figure 1).
Устройство содержит электронную пушку 1, блок резонаторной системы, содержащий входной 5 и выходной 6 объемные резонаторы, имеющие однонаправленную связь друг с другом через ленточный электронный поток 7 и разделенные диафрагмой 8 с прямоугольным отверстием для прохождения электронного потока 7, коллектор 9 и магнитную систему 10 для формирования продольного однородного магнитного поля с индукцией В0 в области резонаторов.The device comprises an electron gun 1, a resonator system unit containing input 5 and
В электронной пушке 1 вдоль координатной оси Z последовательно друг за другом расположены: фокусирующий электрод 3, ленточный катод 2 и вытягивающий электрод 4 (первый анод). Входной 5 и выходной 6 резонаторы с емкостными зазорами 13 и 14 с центрами в плоскостях Z1 и Z2 разделены запредельной секцией в виде диафрагмы 8 с прямоугольным отверстием, которое служит в качестве пролетного канала и обеспечивает однонаправленную связь между резонаторами через электронный поток 7. Входной 5 и выходной 6 резонаторы соединены и согласованы с внешней СВЧ-линией своими трактами передачи сигнала 11 и 12 соответственно. В их невакуумных частях установлены подстроечные элементы в виде штырей и продольных пластин. Для предотвращения возможного оседания электронов на стенки емкостного зазора 14 выходной резонатор 6 установлен таким образом, что плоскость симметрии его емкостного зазора 14 образует с центральной плоскостью симметрии пролетного канала угол α=4°.In the electron gun 1 along the coordinate axis Z, successively located one after another: a focusing
На фиг.2 приведено схематическое изображение электронной пушки 1 предлагаемого ЦЗУ. Оси декартовой системы координат Х, Y и Z ориентированы соответственно вдоль ширины и длины эмитирующей поверхности катода и по направлению движения электронов. Элементы 2, 3, 4 миниатюрной конструкции пушки 1 раздвинуты вдоль оси Z для наглядности рисунка. Ленточный катод 2 установлен на держателе 15, выполненном в виде П-образной рамки из круглой проволоки, который является одновременно подогревателем катода. Фокусирующий электрод 3 имеет вид прямоугольной пластины, продольные края которой с двух сторон загнуты под прямым углом к ленточному катоду 2. Фокусирующий электрод 3 установлен перед катодом 2 и оказывает экранирующее действие на три обращенные к нему наружные поверхности ленточного катода 2. Узкая прямоугольная поверхность катода 2, обращенная в сторону вытягивающего электрода 4, служит в качестве эмиттера. Вытягивающий электрод 4 представляет собой первый анод электронной пушки 1 и выполнен в виде тонкой пластины с продольным прямоугольным отверстием, ориентированным вдоль длины катода 2.Figure 2 shows a schematic illustration of an electronic gun 1 of the proposed Central memory. The axes of the Cartesian coordinate system X, Y and Z are oriented respectively along the width and length of the emitting surface of the cathode and in the direction of electron motion.
Предлагаемое сверхвысокочастотное ЦЗУ работает следующим образом.The proposed microwave supervisor is as follows.
В режиме пропускания входной сигнал поступает в устройство из внешней линии по входному тракту 11, связанному с резонатором 5. Электронная пушка 1 формирует электронный поток 7, который проходит через зазор 13 входного резонатора 5, пролетный канал диафрагмы 8, зазор 14 выходного резонатора 6 и и улавливается коллектором 9. Уровень индукции В0 однородного магнитного поля обеспечивает циклотронную частоту вращения электронов в протяженных резонаторных зазорах 13 и 14, приблизительно равную средней частоте в полосе согласования резонаторов 5 и 6, нагруженных электронным потоком 7, с внешними СВЧ-линиями. В электронном потоке 7 возбуждается БЦВ электронного потока, осуществляющая передачу энергии сигнала из входного резонатора 5 в выходной резонатор 6. От выходного резонатора 6 по выходному тракту 12 обеспечивается передача энергии сигнала во внешнюю СВЧ-линию.In the transmission mode, the input signal enters the device from the external line through the input path 11 connected to the resonator 5. The electron gun 1 generates an electron stream 7, which passes through the gap 13 of the input resonator 5, the passage channel of the diaphragm 8, the gap 14 of the
Ленточный электронный поток 7 формируется следующим образом. На фокусирующий электрод 3 и первый анод 4 подают регулируемые потенциалы от двух независимых источников питания: отрицательный (по отношению к нулевому потенциалу катода) потенциал Uфок фокусирующего электрода 3 в диапазоне -50 В<Uфок<0 и положительный потенциал Ua1 первого анода пушки в диапазоне 0<Ua1<+50 B. Путем регулировки указанных потенциалов обеспечивается настройка электрического режима пушки 1 на необходимую величину тока (микропервеанса) электронного потока 7 и максимальное токопрохождение (выше 99%).The tape electronic stream 7 is formed as follows. Adjustable potentials from two independent power sources are supplied to the focusing
Основные трудности решения проблемы качественного формирования тонкого высокопервеансного ленточного электронного потока связаны с возмущениями его поперечного сечения в процессе его движения в однородном продольном магнитном поле [3]. Они проявляются в виде двух одновременно действующих факторов: S-образного загиба краев ленточного электронного потока конечной длины и его монотонного поворота (вращения вокруг центральной оси симметрии X=Y=0 пролетного канала) по мере приближения к коллектору. Совокупное воздействие указанных факторов снижает токопрохождение и ограничивает электронную нагрузку резонаторов.The main difficulties in solving the problem of the qualitative formation of a thin high-performance ribbon electron stream are associated with perturbations of its cross section during its movement in a uniform longitudinal magnetic field [3]. They manifest themselves in the form of two simultaneously acting factors: an S-shaped bend of the edges of a tape electron stream of finite length and its monotonous rotation (rotation around the central axis of symmetry X = Y = 0 of the passage channel) as it approaches the collector. The combined effect of these factors reduces the current flow and limits the electronic load of the resonators.
S-образное искажение краев ленточного электронного потока обусловлено действием пространственного заряда на краях ленточного электронного потока конечной длины. В предлагаемой конструкции электронной пушки путем настройки потенциалов фокусирующего и вытягивающего электродов достигается оптимальное распределение плотности эмиссионного тока вдоль длины электронного эмиттера: постоянная плотность тока в центральной части эмиттера и плавно спадающая до нуля на краях эмиттера. Это ослабляет действие сил собственного пространственного заряда ленточного электронного потока и S-образное искажение его краев.The S-shaped distortion of the edges of the tape electron stream is due to the action of the space charge at the edges of the tape electron stream of finite length. In the proposed design of the electron gun by adjusting the potentials of the focusing and pulling electrodes, the optimal distribution of the density of the emission current along the length of the electron emitter is achieved: a constant current density in the central part of the emitter and gradually decreases to zero at the edges of the emitter. This weakens the action of the forces of the intrinsic space charge of the ribbon electron stream and the S-shaped distortion of its edges.
Поворот плоскости симметрии зазора 14 выходного резонатора 6 на угол α относительно центральной плоскости пролетного канала в диафрагме 8 уменьшает оседание электронов на стенки его резонаторного зазора, повышает токопрохождение на коллектор 9 и обеспечивает низкие шумовые параметры ЦЗУ. Численное значение диапазона изменения угла α получены методом компьютерного моделировании с последующей аппроксимацией полученных результатов аналитическим выражением:Rotation of the plane of symmetry of the gap 14 of the
α°=kZ2(Pµt/w)1/2 (B0/BБр)-1, 5≤k≤7, где α° - угол между плоскостью симметрии емкостного зазора 14 выходного резонатора 6 и центральной плоскостью симметрии пролетного канала в диафрагме 8 (град). Z2 - расстояние от центра эмитирующей поверхности катода 2 до центра емкостного зазора 14 выходного резонатора 6 (мм), Рµ - микропервеанс ленточного электронного потока 7 (мкА/В3/2), t/w - отношение ширины эмитирующей поверхности катода 2 к ее длине, B0/BБр - отношение индукции действующего В0 магнитного поля к бриллюэновскому ВБр (величина «запаса» по магнитному полю).α ° = kZ 2 (P µ t / w) 1/2 (B 0 / B Br ) -1 , 5≤k≤7, where α ° is the angle between the symmetry plane of the capacitive gap 14 of the
Технические преимущества предлагаемой конструкции ЦЗУ по сравнению с прототипом подтверждены методом компьютерного моделирования и экспериментально.The technical advantages of the proposed design of the central bank in comparison with the prototype are confirmed by computer simulation and experimentally.
Компьютерные модели и расчеты выполнялись в декартовой системе координат XYZ (см. фиг1 и фиг.2). Оси декартовой системы координат Х, Y и Z ориентированы соответственно вдоль ширины t и длины w эмитирующей поверхности катода 2 и по направлению движения электронов(см. фиг.2).Computer models and calculations were performed in the Cartesian coordinate system XYZ (see Fig. 1 and Fig. 2). The axes of the Cartesian coordinate system X, Y and Z are oriented, respectively, along the width t and length w of the emitting surface of the
На фиг.3 приведены результаты компьютерного моделирования электронного потока в электронно-оптической системе ЦЗУ - прототипа. В собранном узле пушки этого устройства (при фиксированных межэлектродных зазорах) изменения (увеличения) катодного тока можно осуществлять только путем изменения (повышения) потенциала вытягивающего электрода (первого анода пушки), расположенного на фиксированном расстоянии от эмитирующей поверхности катода. Поэтому в этой пушке не контролируется распределение плотности эмиссионного тока вдоль катода, которая имеет тенденцию повышаться на краях катода и увеличивать S-образные искажения краев ленточного потока. Для повышения тока (микропервеанса) электронного потока до уровня Iо=400 мкА(Рµ=4.47 мкA/B3/2) в этом устройстве потенциал вытягивающего электрода задавался равным Ua1=+9.5 B. Потенциалы резонаторов и коллектора задавались равными Uo=+20 B и Uкол=+250 В. На фиг.3,а показано распределение плотности тока на эмитирующей поверхности катода в виде объемной математической поверхности S. Размеры эмиттера (длина эмиттера w и ширина t) заданы относительно ширины зазора резонаторов d и равны соответственно w/d=75, t/d=2.2. Слева на фиг.3,а приведена черно-белая шкала плотности тока, позволяющая определить плотность эмиссионного тока в центральной части (1.5 А/см2) и ее увеличение до 2.2 А/см2 на краях эмиттера. На фиг.3,б показаны траектории электронов (их проекции на плоскость Z=0) на всей длине формирования электронного потока в однородном магнитном поле с величиной «запаса» В0/ВБр=4.2, соответствующем 3-см диапазону длин волн. Видно, что траектории электронов, находящихся на противоположных краях ленточного потока, отклоняются в направлении координаты Х во взаимно противоположных направлениях, образуя S-образного искажения его краев. На фиг.3,в в верхней части рисунка показан «след» ленточного электронного потока в виде распределения плотности тока по его сечению в двух плоскостях Z: на входе в зазор (Р5, вход) и на выходе из зазора (Р5, выход) входного резонатора. В нижней части рисунка на фиг.3,в показаны аналогичные «следы» электронного потока на входе в зазор (Р6, вход) и на выходе из зазора (Р6, выход) выходного резонатора. Видно, что возмущение структуры потока, обусловленное S-образным искажением краев и вращением всего ленточного потока, приводят к частичному оседанию электронов на стенки зазора выходного резонатора. Расчетная величина токопрохождения на коллектор в данном случае составляет 90%, при котором нарушается работа устройства.Figure 3 shows the results of computer simulation of the electron flow in the electron-optical system of the central memory of the prototype. In the assembled gun assembly of this device (with fixed interelectrode gaps), changes (increases) in the cathode current can be achieved only by changing (increase) the potential of the drawing electrode (the first anode of the gun) located at a fixed distance from the emitting surface of the cathode. Therefore, the distribution of the density of the emission current along the cathode is not controlled in this gun, which tends to increase at the edges of the cathode and increase the S-shaped distortions of the edges of the tape flow. To increase the electron flux current (micropervance) to the level I о = 400 μA (P μ = 4.47 μA / B 3/2 ) in this device, the potential of the extracting electrode was set to Ua1 = + 9.5 B. The potentials of the resonators and collector were set to Uo = + 20 B and Ucol = + 250 V. Figure 3a shows the distribution of current density on the emitting surface of the cathode in the form of a volume mathematical surface S. The dimensions of the emitter (emitter length w and width t) are set relative to the cavity gap width d and are equal to w, respectively / d = 75, t / d = 2.2. On the left in FIG. 3, a black-and-white scale of current density is given, which allows determining the density of the emission current in the central part (1.5 A / cm 2 ) and its increase to 2.2 A / cm 2 at the edges of the emitter. Figure 3, b shows the trajectories of electrons (their projection onto the plane Z = 0) along the entire length of the formation of the electron beam in a uniform magnetic field with a magnitude of "margin" of 0 / V Br = 4.2, corresponding to a 3-cm wavelength range. It can be seen that the trajectories of the electrons located on opposite edges of the tape flow deviate in the direction of the X coordinate in mutually opposite directions, forming an S-shaped distortion of its edges. Figure 3, in the upper part of the figure shows the "trace" of the tape electron stream in the form of a current density distribution over its cross section in two Z planes: at the entrance to the gap (P5, input) and at the exit from the gap (P5, output) of the input resonator. In the lower part of the figure in Fig. 3, c, similar "traces" of the electron beam are shown at the entrance to the gap (P6, entrance) and at the exit from the gap (P6, exit) of the output resonator. It is seen that the perturbation of the flow structure due to the S-shaped distortion of the edges and the rotation of the entire ribbon stream leads to a partial deposition of electrons on the walls of the gap of the output resonator. The estimated value of the current flow to the collector in this case is 90%, in which the operation of the device is disrupted.
На фиг.4 приведены результаты компьютерного моделирования ЭОС предлагаемой конструкции ЦЗУ. При одинаковых относительных размерах эмиттера (w/d=75, t/d=2.2) для достижения удвоенной величины тока (Iо=400 мкА) и микропервеанса (Рµ=4,47 мкА/В3/2) задавался отрицательный потенциал фокусирующего электрода 3 (Uфок=-43 В) и положительный потенциал вытягивающего электрода 4 (Ua1=+9.5 B). Расчет формирования ленточного потока 7 в области резонаторной системы проводился в продольном магнитном поле при том же «запасе» (B0/BБр=4.2) для 3-см диапазона длин волн и при потенциалах резонаторов 5, 6 и диафрагмы 8 (Uo=+20 B) и потенциале коллектора 9 (Uкол=+250 В). Величина угла между плоскостью симметрии зазора 14 выходного резонатора 6 и центральной плоскостью симметрии пролетного канала в диафрагме 8 задавалась равной α=4°.Figure 4 shows the results of computer simulation of the EOS of the proposed design of the central memory. At the same relative emitter sizes (w / d = 75, t / d = 2.2), to achieve twice the current value (I о = 400 μA) and micropervance (P μ = 4.47 μA / V 3/2 ), the negative focusing potential was set electrode 3 (Ufoc = -43 V) and the positive potential of the pulling electrode 4 (Ua1 = + 9.5 V). The calculation of the formation of the tape flow 7 in the region of the resonator system was carried out in a longitudinal magnetic field with the same “margin” (B 0 / B Br = 4.2) for the 3 cm wavelength range and at the potentials of the
На фиг.4,а показано распределение плотности тока вдоль длины эмиттера: однородная плотность тока в центральной части и плавный ее спад по краям эмиттера, при которой снижается действие сил расталкивания собственного пространственного заряда и S-образное искажение краев ленточного электронного потока. На фиг.4,б показаны проекции траектории электронов плоскость Z=0 в области от катода 2 до коллектора 9. Сверху на фиг.4,в показаны «следы» ленточного электронного потока 7 на входе в зазор 13 (Р5, вход) и на выходе из зазора 13 (Р5, выход) входного резонатора 5. Снизу показаны «следы» потока на входе в зазор 14 (Р6, вход) и на выходе из зазора 14 (Р6, выход) выходного резонатора 6.Figure 4a shows the distribution of current density along the length of the emitter: a uniform current density in the central part and its smooth decline along the edges of the emitter, which reduces the effect of the repulsive forces of the own space charge and the S-shaped distortion of the edges of the tape electron beam. Figure 4, b shows the projection of the electron trajectory, the plane Z = 0 in the region from the
Полученные результаты компьютерного моделирования подтвердили 100% токопрохождение на коллектор 9 ленточного электронного потока 7 в предлагаемом циклотронном устройстве при удвоенной величине тока (микропервеанса) по сравнению с устройством-прототипом.The obtained results of computer simulation confirmed 100% current flow to the collector 9 of the tape electron flow 7 in the proposed cyclotron device at twice the current (micropervance) compared to the prototype device.
Измерения частотных зависимостей КСВН входа (выхода) проводились на экспериментальном образце предлагаемой конструкции ЦЗУ, результаты которых сравнивались с аналогичными измерениями на промышленном образце устройства-прототипа.The measurements of the frequency dependences of the VSWR input (output) were carried out on an experimental sample of the proposed design of the central memory, the results of which were compared with similar measurements on an industrial model of the prototype device.
Результаты сравнения приведены на фиг.5 в виде графиков 1, 2, 3. По оси абсцисс отложена ширина полосы частот (f-f0)/f0, %, где f - частота входного сигнала, f0 - частота входного сигнала в центре рабочей полосы частот. Ширина полосы рабочих частот определялась по уровню КСВН входа (выхода), равному 1.25.The comparison results are shown in figure 5 in the form of
График 1 относится к устройству - прототипу при стандартных величинах тока Iо=200 мкА и микропервеанса Рµ=2.23 мкА/В3/2 электронного потока, увеличенной вдвое (по сравнению с предлагаемым устройством) шириной резонаторных зазоров и настроенных трактах передачи сигнала от резонаторов на внешние СВЧ-линии. В соответствии с графиком 1 ширина рабочей полосы частот этого устройства-прототипа составляет 6.4%.Schedule 1 relates to a prototype device with standard values of current I о = 200 μA and micropervance Р μ = 2.23 μA / V 3/2 of the electron beam doubled (compared with the proposed device) by the width of the resonator gaps and tuned signal transmission paths from the resonators to external microwave lines. In accordance with schedule 1, the working bandwidth of this prototype device is 6.4%.
Графики 2 и 3 относятся к экспериментальному образцу предлагаемого циклотронного устройства. При тех же значениях тока Iо=200 мкА (микропервеанса Рµ=2.23 мкА/В3/2) и всех прочих равных условиях полоса рабочих частот в нем увеличилась до 7.8% (см. график 2). Кроме того, на этом же образце в полном соответствии с приведенными выше результатами компьютерного моделирования был вдвое увеличен ток Iо=400 мкА и микропервеанс Рµ=4.47 мкА/В3/2 электронного потока, и обеспечено 100% - токопрохождение на коллектор. В результате достигнутого повышения электронной нагрузки резонаторной системы полоса рабочих частот в предлагаемом устройстве расширилась до 9.8%. (см. график 3).
Таким образом, предлагаемая конструкция циклотронного защитного устройства позволяет в 1.5 раза расширить полосу рабочих частот по сравнению с существующим циклотронным устройством-прототипом 3-см диапазона длин волн.Thus, the proposed design of the cyclotron protective device allows 1.5 times to expand the operating frequency band in comparison with the existing
Источники информацииInformation sources
1. Патент Российской Федерации №2167480, МПК Н02Н 7/12.1. Patent of the Russian Federation No. 2164480, IPC Н02Н 7/12.
2. Патент Российской Федерации №2453018, МПК Н02Н 7/00.2. Patent of the Russian Federation No. 2453018, IPC Н02Н 7/00.
3. И.И. Голеницкий, Н.Г. Духина, Е.И. Каневский. Комплексный расчет трехмерных электронно-оптических и магнитных фокусирующих систем ЭВП СВЧ. Раздел 4. Ленточный электронный поток в ЦЗУ. // Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. Материаалы Юбилейной научно-технической конференции по СВЧ-технике (ФГУП НПП ИСТОК, 29-30 мая 2003 г. Часть 2 Вып.2 (482). 2003 г. С.55-65.3. I.I. Golenitsky, N.G. Dukhina, E.I. Kanevsky. Comprehensive calculation of three-dimensional electron-optical and magnetic focusing systems of microwave electron-beam composites.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013117623/07A RU2530746C1 (en) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Ultrahigh frequency cyclotron protective device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013117623/07A RU2530746C1 (en) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Ultrahigh frequency cyclotron protective device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2530746C1 true RU2530746C1 (en) | 2014-10-10 |
Family
ID=53381764
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013117623/07A RU2530746C1 (en) | 2013-04-16 | 2013-04-16 | Ultrahigh frequency cyclotron protective device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2530746C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631923C1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-09-29 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Superhigh-frequency cyclotron protective device |
RU2731297C1 (en) * | 2020-01-28 | 2020-09-02 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Super-high-frequency cyclotron protective device |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2245414A (en) * | 1990-03-28 | 1992-01-02 | Eev Ltd | Output cavity for electron beam tube |
RU2167480C2 (en) * | 1985-02-21 | 2001-05-20 | Государственное научно-производственное предприятие "Исток" | Superhigh-frequency protective device |
US6380803B2 (en) * | 1993-09-03 | 2002-04-30 | Litton Systems, Inc. | Linear amplifier having discrete resonant circuit elements and providing near-constant efficiency across a wide range of output power |
RU2319274C1 (en) * | 2006-06-28 | 2008-03-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" | Protective cyclotron unit characterized in enhanced operating frequency band |
RU2453018C1 (en) * | 2010-10-05 | 2012-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") | Microwave cyclotron protection device |
-
2013
- 2013-04-16 RU RU2013117623/07A patent/RU2530746C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2167480C2 (en) * | 1985-02-21 | 2001-05-20 | Государственное научно-производственное предприятие "Исток" | Superhigh-frequency protective device |
GB2245414A (en) * | 1990-03-28 | 1992-01-02 | Eev Ltd | Output cavity for electron beam tube |
US6380803B2 (en) * | 1993-09-03 | 2002-04-30 | Litton Systems, Inc. | Linear amplifier having discrete resonant circuit elements and providing near-constant efficiency across a wide range of output power |
RU2319274C1 (en) * | 2006-06-28 | 2008-03-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" | Protective cyclotron unit characterized in enhanced operating frequency band |
RU2453018C1 (en) * | 2010-10-05 | 2012-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") | Microwave cyclotron protection device |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631923C1 (en) * | 2016-04-18 | 2017-09-29 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Superhigh-frequency cyclotron protective device |
RU2731297C1 (en) * | 2020-01-28 | 2020-09-02 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Super-high-frequency cyclotron protective device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Staprans et al. | High-power linear-beam tubes | |
Kosmahl | Modern multistage depressed collectors—A review | |
US10062538B2 (en) | Electron device and method for manufacturing an electron device | |
Shu et al. | Experimental demonstration of a terahertz extended interaction oscillator driven by a pseudospark-sourced sheet electron beam | |
Jiang et al. | Experimental investigation of an electron-optical system for terahertz traveling-wave tubes | |
US2888597A (en) | Travelling wave oscillator tubes | |
RU2530746C1 (en) | Ultrahigh frequency cyclotron protective device | |
Iqbal et al. | Two surface multipactor discharge with two-frequency rf fields and space-charge effects | |
US3172004A (en) | Depressed collector operation of electron beam device | |
Jiang et al. | Numerical design and optimization of a curved collector for a Q-band gyro-traveling wave tube | |
Alhuwaidi | 3D modeling, analysis, and design of a traveling-wave tube using a modified ring-bar structure with rectangular transmission lines geometry | |
US2823332A (en) | Microwave amplifier device | |
Neben et al. | A co-axial electron gun to generate millimeter-wave RF using the two-stream instability | |
Hoff et al. | Microwave window breakdown experiments and simulations on the UM/L-3 relativistic magnetron | |
US2976454A (en) | High frequency energy interchange device | |
Ivanov | On studying the possibility to improve the output characteristics of W-band traveling-wave tubes | |
Post et al. | The Stanford mark II linear accelerator | |
RU2731297C1 (en) | Super-high-frequency cyclotron protective device | |
RU2631923C1 (en) | Superhigh-frequency cyclotron protective device | |
US7218053B2 (en) | Electron beam tube output arrangement | |
Zhu et al. | Simulation of a High-convergence Electron Optics System for an X-band High-impedance Relativistic Klystron. | |
Zhang et al. | Parallel multi-beam and its application in THz band | |
Burtsev et al. | Modeling of an electron-optical system with converging sheet beam for a traveling wave tube of terahertz frequency range | |
US2846612A (en) | Traveling wave tube slow-wave structure | |
US2829252A (en) | Traveling wave tube oscillators |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160331 |