RU2570172C1

RU2570172C1 - Method of control of parameters of radiation of phased antenna array on basis of klystron microwave generator

Info

Publication number: RU2570172C1
Application number: RU2014137385/07A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Вячеславович Воронин; Алексей Викторович Гутов; Виктор Дмитриевич Селемир; Николай Владимирович Степанов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2015-12-10

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to microwave equipment, it can be used at development of powerful microwave radiation sources with high electronic efficiency for radar-location, navigation and information transmission. In the control method during boosting of acceleration the electronic control of radiation phase is performed by means of effecting the electron beam profiled by electric field in acceleration space.

EFFECT: increase of energy flow density at the pre-set space point due to ensuring phase synchronism of radiation in acceleration space by electric field.

2 dwg

Description

Изобретение относится к сверхвысокочастотной (СВЧ) технике, может быть использовано при разработке мощных источников СВЧ излучения с высоким электронным КПД для целей радиолокации, навигации и передачи информации.The invention relates to microwave technology, can be used in the development of powerful sources of microwave radiation with high electronic efficiency for radar, navigation and information transfer.

Существующие в настоящее время фазированные антенные решетки (ФАР) с электронным управлением фазой имеют ограничение по излучаемой пиковой мощности. Это связано с ограничением на электрическую прочность фазосдвигающих элементов и с ограничением на общее количество излучающих элементов решетки.The currently existing phased array antennas (PAR) with electronic phase control are limited in terms of radiated peak power. This is due to the restriction on the electric strength of the phase-shifting elements and the restriction on the total number of radiating elements of the lattice.

В качестве фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа может рассматриваться многоканальный клистронный генератор (патент RU 2343584, 10.01.2009). СВЧ-генератор клистронного типа состоит из высоковольтного источника питания, окруженных магнитной системой и последовательно расположенных вдоль ее оси взрывоэмиссионного катода, анода, разделенной трубами дрейфа системы, по меньшей мере, из двух моделирующих резонаторов, выходного резонатора и коллектора электронов, а также средства вывода излучения. Особенность клистронного генератора по сравнению с предшествующими заключается в том, что в его составе между выходным резонатором и коллектором вдоль оси магнитной системы размещен, по крайней мере, один дополнительный выходной резонатор, идентичный выходному резонатору. В электрическую цепь между последующим и предыдущим выходными резонаторами включен дополнительный источник питания, обеспечивающий компенсацию энергетических потерь электронного пучка после прохождения им предыдущего выходного резонатора. В данном устройстве реализован способ управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа, состоящий в обеспечении модуляции электронного пучка, отдаче модулированным пучком энергии и его последующем доускорении путем воздействия электрическим полем.As a phased array antenna based on a klystron type microwave generator, a multi-channel klystron generator can be considered (patent RU 2343584, 01/10/2009). The klystron type microwave generator consists of a high-voltage power source surrounded by a magnetic system and sequentially located along its axis of the explosion-emission cathode, an anode separated by system drift tubes, at least two modeling resonators, an output resonator and an electron collector, as well as radiation output means . A feature of the klystron generator compared to the previous ones is that in its composition between the output resonator and the collector along the axis of the magnetic system at least one additional output resonator is located, identical to the output resonator. An additional power source is included in the electric circuit between the subsequent and previous output resonators, which compensates for the energy losses of the electron beam after it passes through the previous output resonator. This device implements a method for controlling the radiation parameters of a phased antenna array based on a klystron type microwave generator, which consists in providing modulation of the electron beam, giving off a modulated energy beam and its subsequent acceleration by exposure to an electric field.

Недостатком прототипа является то, что фазы колебаний поля в первом, втором и последующих выводных резонаторах (θ1…θ4 на фиг. 1) не одинаковы. Сдвиг фаз между соседними резонаторами будет зависеть от двух факторов - скорости электронных банчей ν_i, и расстояния между резонаторами L_i, где i - номер выводного резонатора. Различие фаз колебаний поля в резонаторах приводит к низкой плотности потока энергии в заданной точке пространства. При обеспечении работоспособности ФАР на основе такого многоканального клистронного генератора для управления параметрами излучения необходимо организовать управление фазой излучения, что требует изменения конструкции клистронного генератора.The disadvantage of the prototype is that the phase oscillations of the field in the first, second and subsequent output resonators (θ1 ... θ4 in Fig. 1) are not the same. The phase shift between adjacent resonators will depend on two factors - the speed of electron bunches ν _i , and the distance between the resonators L _i , where i is the number of the output resonator. The difference in the phases of the field oscillations in the resonators leads to a low energy flux density at a given point in space. To ensure the HEADLIGHT operation on the basis of such a multi-channel klystron generator, it is necessary to control the radiation phase to control the radiation parameters, which requires a change in the design of the klystron generator.

Техническим результатом является увеличение плотности потока энергии в заданной точке пространства за счет обеспечения синфазности излучения.The technical result is an increase in the density of the energy flux at a given point in space due to the in-phase radiation.

Этот технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного способа управления параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа, заключающегося в обеспечении модуляции электронного пучка, отдаче модулированном пучком энергии и его последующем доускорении путем воздействия электрическим полем, в предлагаемом способе в процессе доускорения обеспечивают электронное управление фазой излучения посредством воздействия на электронный пучок профилированным в пространстве ускорения электрическим полем.This technical result is achievable due to the fact that, in contrast to the known method of controlling the radiation parameters of a phased array antenna based on a klystron type microwave generator, which consists in providing modulation of the electron beam, the output of the modulated energy beam and its subsequent acceleration by exposure to an electric field, in the proposed the method in the process of acceleration provide electronic control of the radiation phase by acting on the electron beam profiled in space electric field.

Достижимость технического результата может быть обоснована следующим образом. Ниже приведенные данные свидетельствуют о возможности электронного управления фазой с целью управления параметрами излучения.The attainability of the technical result can be justified as follows. The following data indicate the possibility of electronic phase control in order to control the radiation parameters.

Для простоты последующих оценок предположим, что в реализующей способ схеме ФАР на основе СВЧ -генератора клистронного типа, аналогичной прототипу, все расстояния между соседними выводными резонаторами равны между собой, и более того, что они кратны длине волны генерируемого излучения L_i=L=nλ, где n - целое число.For simplicity of the subsequent estimates, we assume that in the PAR system based on a klystron type microwave generator similar to the prototype, all distances between adjacent output resonators are equal to each other, and moreover, they are multiples of the wavelength of the generated radiation L _i = L = nλ where n is an integer.

Скорость электронных банчей ν_i - величина не постоянная и зависит от пространственного распределения потенциала электрического поля доускоряющей системы (профилированное в пространстве ускорения электрическое поле).The speed of electron bunches ν _i is not constant and depends on the spatial distribution of the electric field potential of the accelerating system (electric field profiled in the acceleration space).

Только в тривиальном случае движения банчей в отсутствии ускоряющего поля их скорость v была бы константой. Тогда разность фаз определялась бы зависимостьюOnly in the trivial case of the movement of the bunches in the absence of an accelerating field would their velocity v be a constant. Then the phase difference would be determined by the dependence

где Т - период высокочастотных колебаний, t_np - время пролета банча между резонаторами, с - скорость света. Видим, что разность фаз между соседними резонаторами величина постоянная. Если отказаться от условия целочисленности n, то можно подобрать такое необходимое значение n=n₀, при котором сдвиг фаз будет кратен 2π, следовательно, на выходе всех выводных резонаторов колебания высокочастотного поля будут синфазны, что свидетельствует о возможности электронного управления фазой излучения в данной системе и приводит к повышению плотности потока энергии в заданной точке пространства.where T is the period of high-frequency oscillations, t _np is the time of flight of the bunch between the resonators, and s is the speed of light. We see that the phase difference between adjacent resonators is constant. If we abandon the integer condition n, then we can choose the necessary value n = n ₀ at which the phase shift will be a multiple of 2π, therefore, at the output of all output resonators, the high-frequency field oscillations will be in phase, which indicates the possibility of electronic control of the radiation phase in this system and leads to an increase in the energy flux density at a given point in space.

При наличии ускоряющего поля между резонаторами время пролета банча t_nр зависит от амплитуды и распределения поля. Рассмотрим два предельных идеализированных случая. Пусть в первом случае ускоряющее поле сосредоточено в области непосредственно за предшествующим выводным резонатором. Тогда электронные банчи, отдав часть кинетической энергии в предшествующий резонатор, и сразу же ускорившись на небольшом участке тракта пучка до максимально необходимого, будут в дальнейшем двигаться по инерции в сторону последующего резонатора. Во втором случае ускоряющее поле сосредоточено в области непосредственно перед последующим резонатором. Тогда электронные банчи, отдав часть своей кинетической энергии предшествующему резонатору, будут сначала двигаться по инерции, а затем перед последующим резонатором, быстро наберут недостающую энергию в поле доускорения. Очевидно, что время пролета банча от одного резонатора до другого в этих случаях будет различным. В первом случае время пролета будет минимальным, во втором случае - максимальным. Все остальные варианты распределения ускоряющего поля будут давать промежуточные значения времени пролета банча.In the presence of an accelerating field between the resonators, the time of flight of the bunch t _nр depends on the amplitude and distribution of the field. We consider two limiting idealized cases. Let in the first case, the accelerating field is concentrated in the region immediately behind the previous output resonator. Then the electron bunches, having given part of the kinetic energy to the previous resonator, and immediately accelerated in a small section of the beam path to the maximum necessary, will continue to move by inertia towards the subsequent resonator. In the second case, the accelerating field is concentrated in the region immediately before the subsequent resonator. Then the electron bunches, having given part of their kinetic energy to the previous resonator, will first move by inertia, and then before the next resonator, they will quickly gain the missing energy in the acceleration field. Obviously, the time of flight of the bunch from one resonator to another in these cases will be different. In the first case, the flight time will be minimum, in the second case - maximum. All other options for the distribution of the accelerating field will give intermediate values of the time of flight of the bunch.

Считаем, что пространство ускорения формируется системой доускорения, состоящей из набора секций, позволяющих сформировать ускоряющее поле с различным пространственным распределением потенциала, в том числе с двумя идеализированными распределениями, описанными выше. В этом случае можно получить оценку на величину разности фаз между соседними выводными резонаторамиWe believe that the acceleration space is formed by the acceleration system, consisting of a set of sections, allowing to form an accelerating field with different spatial distribution of potential, including with two idealized distributions described above. In this case, it is possible to obtain an estimate for the magnitude of the phase difference between adjacent output resonators

где i - номер выводного резонатора, t_np.max - максимальное время пролета банча между резонаторами (соответствует второму случаю), t_np.min - минимальное время пролета банча между резонаторами (соответствует первому случаю).where i is the number of the output resonator, t _np.max is the maximum time of flight of the bunch between the resonators (corresponds to the second case), t _np.min is the minimum time of flight of the bunch between the resonators (corresponds to the first case).

Таким образом, возможность электронного управления фазой в ФАР путем воздействия профилированным электрическим полем на электронный пучок в процессе доускорения позволит управлять параметрами излучения с увеличением плотности потока энергии в заданной точке пространства за счет обеспечения синфазности излучения в пространстве ускорения электрическим полем.Thus, the possibility of electronically controlling the phase in the headlamp by applying a profiled electric field to the electron beam during the acceleration process will allow controlling the radiation parameters with increasing energy flux density at a given point in space by ensuring that the radiation is in phase in phase with the electric field.

На фиг. 1 схематично изображена реализующая заявляемый способ ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа в виде линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка. На фиг. 2 графически представлен предельный диапазон перестройки фазы колебаний поля в соседних резонаторах в зависимости от потенциала доускорения для различных значений диодного напряжения.In FIG. 1 schematically depicts implementing the inventive method of PAR using a klystron type microwave generator in the form of a linear antenna array with three stages of electron beam acceleration. In FIG. Figure 2 graphically shows the limiting range of the tuning phase of the field oscillations in adjacent resonators, depending on the acceleration potential for various values of the diode voltage.

Способ может быть реализован с помощью ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа, схема которого в виде линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка представлена на фиг. 1. Устройство, изображенное на чертеже, содержит взрывоэмиссионный катод 1, анод 2, модулирующие резонаторы 3 (условно обозначенные одним резонатором), образующие область доускорения электронного пучка, выходной резонатор 4 со средством вывода излучения, второй и последующие выходные резонаторы 5, дополнительные внешние источники питания 7, включенные в электрическую цепь между выходным резонатором 4 (5) и последующим выходным резонатором 5, коллектор электронов 6, магнитную систему 8 и высоковольтный источник питания 9.The method can be implemented using a headlamp based on a klystron type microwave generator, a diagram of which is presented in FIG. 3 as a linear antenna array with three stages of electron beam acceleration. 1. The device shown in the drawing contains an explosive emission cathode 1, anode 2, modulating resonators 3 (conventionally designated as one resonator), forming an electron beam acceleration region, an output resonator 4 with radiation output means, second and subsequent output resonators 5, additional external sources power supply 7 included in the electric circuit between the output resonator 4 (5) and the subsequent output resonator 5, an electron collector 6, a magnetic system 8 and a high-voltage power supply 9.

Управление параметрами излучения фазированной антенной решетки на основе СВЧ-генератора клистронного типа (в частности, линейной антенной решетки с тремя каскадами доускорения электронного пучка) осуществляется следующим образом. Магнитная система 8 формирует продольное магнитное поле относительно оси устройства. На катод 1 от высоковольтного источника питания 9 подается импульсное высоковольтное напряжение отрицательной полярности. В электрическом поле между катодом 1 и анодом 2 вследствие взрывной эмиссии формируется электронный пучок. Электроны пучка, пройдя систему из модулирующих резонаторов 3 (условно обозначенную на рисунке одним резонатором), модулируются по плотности. Электронные сгустки поступают в выходной резонатор 4, отдавая свою кинетическую энергию в энергию СВЧ-излучения. Прошедшие выходной резонатор электронные сгустки попадают в профилированное по потенциалу в пространстве ускорения электрическое поле, формируемое внешним источником питания 7, чем обеспечивается приобретение электронным потоком дополнительной кинетической энергии (в процессе доускорения), необходимое смещение электронных сгустков в пространстве и, соответственно, электронное управление фазой излучения. Доускоренные электронные сгустки поступают в следующий выходной резонатор 5, вновь отдавая свою энергию в энергию СВЧ-излучения и т.д. Затем электронный пучок попадает на коллектор 6 и рассеивает свою оставшуюся энергию в виде тепла.The radiation parameters of a phased antenna array based on a klystron type microwave generator (in particular, a linear antenna array with three stages of electron beam acceleration) are controlled as follows. The magnetic system 8 generates a longitudinal magnetic field relative to the axis of the device. At the cathode 1 from the high-voltage power supply 9, a pulsed high-voltage voltage of negative polarity is supplied. An electron beam is formed in an electric field between the cathode 1 and anode 2 due to explosive emission. The beam electrons passing through a system of modulating resonators 3 (conventionally indicated in the figure by one resonator) are modulated in density. Electronic bunches enter the output resonator 4, giving their kinetic energy to the energy of microwave radiation. The electron bunches that passed through the output resonator fall into the electric field profiled by the potential in the acceleration space, which is formed by an external power source 7, which ensures the acquisition of additional kinetic energy by the electron stream (in the process of acceleration), the necessary displacement of the electron bunches in space, and, accordingly, the electronic control of the radiation phase . The accelerated electron bunches enter the next output cavity 5, again transferring their energy to the energy of microwave radiation, etc. Then the electron beam enters the collector 6 and dissipates its remaining energy in the form of heat.

Графически представленный на фиг. 2 предельный диапазон перестройки фазы колебаний поля в соседних резонаторах в зависимости от потенциала доускорения для различных значений диодного напряжения показывает следующее. Результаты расчетов получены для фиксированного расстояния между резонаторами L=λ при резонансной частоте 1 ГГц.Graphically represented in FIG. Figure 2 shows the limiting range of the adjustment of the phase of field oscillations in neighboring resonators depending on the acceleration potential for various values of the diode voltage. The calculation results were obtained for a fixed distance between the resonators L = λ at a resonant frequency of 1 GHz.

Увеличение расстояния между резонаторами приводит к линейному увеличению диапазона сдвига фаз. Например, при расстоянии между резонаторами L=2λ для случая диодного напряжения 400 кВ и при использовании системы доускорения с потенциалом 180 кВ, максимальный сдвиг фаз колебаний поля в соседних резонаторах составит величину 150°.An increase in the distance between the resonators leads to a linear increase in the phase shift range. For example, when the distance between the resonators is L = 2λ for the case of a diode voltage of 400 kV and when using an acceleration system with a potential of 180 kV, the maximum phase shift of the field oscillations in adjacent resonators will be 150 °.

Полученные результаты позволяют предложить концепцию линейной фазированной антенной решетки с электронным управлением фазы между излучающими элементами решетки. Эта концепция крайне нетривиальна. Существующие в настоящее время ФАР с электронным управлением фазой имеют ограничение по излучаемой пиковой мощности. Это связано с ограничением на электрическую прочность фазосдвигающих элементов и с ограничением на общее количество излучающих элементов решетки. Так, ограничение по импульсной мощности для ферромагнитных фазовращателей, обусловленное резким возрастанием вносимых потерь, находится на уровне 20-25 кВт [Сколник М. Справочник по радиолокации. - «Советское радио», Москва, 1977, т. 2, с. 217]. В предлагаемой концепции линейной ФАР сдвиг фазы осуществляется не за счет взаимодействия высокочастотного поля с фазосдвигающим элементом, а за счет взаимодействия электронного пучка с электрическим полем, что позволяет управлять фазой излучения с мощностью, в несколько раз превышающей мощность ФАР на обычных фазовращателях.The results obtained allow us to propose the concept of a linear phased antenna array with electronic phase control between the radiating elements of the array. This concept is extremely nontrivial. Existing electronic phase control headlamps are limited in terms of radiated peak power. This is due to the restriction on the electric strength of the phase-shifting elements and the restriction on the total number of radiating elements of the lattice. So, the impulse power limit for ferromagnetic phase shifters, due to the sharp increase in insertion loss, is at the level of 20-25 kW [Skolnik M. Radar Reference. - “Soviet Radio”, Moscow, 1977, v. 2, p. 217]. In the proposed concept of a linear PAR, the phase shift is not due to the interaction of the high-frequency field with the phase-shifting element, but due to the interaction of the electron beam with the electric field, which allows you to control the radiation phase with a power several times higher than the power of the PAR on conventional phase shifters.

Преимущества ФАР на основе СВЧ-генератора клистронного типа с электронным управлением фазой очевидны. Она обеспечивает высокую скорость сканирования пространства и возможность одновременной работы по нескольким пространственным направлениямThe advantages of a headlamp based on a klystron type microwave generator with electronic phase control are obvious. It provides high speed scanning of space and the ability to simultaneously work in several spatial directions.

Claims

The method of controlling the radiation parameters of a phased antenna array based on a klystron type microwave generator, which consists in providing modulation of the electron beam, giving off a modulated energy beam and its subsequent acceleration by exposure to an electric field, characterized in that in the process of acceleration, they provide electronic control of the radiation phase by exposing the electron beam to an electric field profiled in the acceleration space.