RU2706644C1 - Traveling-wave tube for linear amplifiers of communication satellite microwave power - Google Patents

Traveling-wave tube for linear amplifiers of communication satellite microwave power Download PDF

Info

Publication number
RU2706644C1
RU2706644C1 RU2019109342A RU2019109342A RU2706644C1 RU 2706644 C1 RU2706644 C1 RU 2706644C1 RU 2019109342 A RU2019109342 A RU 2019109342A RU 2019109342 A RU2019109342 A RU 2019109342A RU 2706644 C1 RU2706644 C1 RU 2706644C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microwave
electrons
electron
kinetic energy
energy
Prior art date
Application number
RU2019109342A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Данилович Шалаев
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз")
Priority to RU2019109342A priority Critical patent/RU2706644C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2706644C1 publication Critical patent/RU2706644C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/34Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention relates to microwave devices, mainly traveling-wave tubes (TWT). Traveling-wave tube comprises an electron gun, a magnetic focusing system, a decelerating system with input and output of microwave energy, with a passage channel for electron flow passage and a collector-recuperator of kinetic energy of electrons. Additionally, after the decelerating system with input and output of microwave energy, with a passage channel for passage of the electron flow, in front of the collector-recuperator of kinetic energy of electrons, TWT comprises a device for conversion into kinetic energy of electrons of the electron flux of microwave energy of microwave signals in the range of operating frequencies of the device, which include the frequency of the additional signal outside the range of working frequencies allocated for the communication channel and used for linearisation of characteristics of TWT in the mode of operation with high electronic efficiency. Conversion device consists of magnetic focusing system and section of delay system with input of microwave energy and transit channel for passage of electron flow, wherein period of said section of slowing system corresponds, at its operating voltage, mode of interaction in it of electron flow and electromagnetic wave passing in direction of collector-recuperator of kinetic energy of electrons, with increase of kinetic energy of electrons of electron flow due to conversion of microwave energy of microwave signals with frequency in range of operating frequencies of device, including the frequency of the additional signal outside the range of working frequencies allocated for the communication channel and the characteristics used for linearisation TWTL in operating mode with high electronic efficiency. Recuperation of obtained additional kinetic energy of electrons of electron flow in collector-recuperator allows reducing power consumption and increasing efficiency TWTL.
EFFECT: technical result is increase in efficiency factor TWTL in operating mode with high electronic efficiency and linearity of characteristics.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электровакуумным приборам СВЧ О-типа, в частности, к лампам бегущей волны (ЛБВ).The invention relates to electric vacuum microwave O-type devices, in particular, traveling wave tubes (TWT).

Известна ЛБВ, содержащая электронную пушку, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, магнитную фокусирующую систему и коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов. [Справочник по вакуумной электронике. Компоненты и устройства. // Под редакцией Дж. Айхмайера, М. Тамма. Перевод с английского Е.Б. Махияновой под редакцией Н.А. Бушуева. Москва, изд. Техносфера. 2011. С. 39, 40.]. Такая ЛБВ имеет высокий КПД (50-70%) в режиме насыщения выходной мощности, однако нелинейности ее характеристик в этом режиме не позволяют применять такую ЛБВ в усилителях систем связи с модуляцией СВЧ-сигналов, обеспечивающей высокую скорость передачи цифровой информации. Соответствие характеристик такой ЛБВ необходимым требованиям по линейности обеспечивается при эксплуатации ее в этих усилителях в существенно линейном режиме работы - с выходной мощностью на 7-10 дБ меньше мощности насыщения. Это приводит к уменьшению КПД ЛБВ в 3-5 раз. При этом требуемая выходная мощность ЛБВ достигается за счет увеличения мощности электронного потока в 5-10 раз, что приводит к увеличению в 3-8 раз тока электронного потока, соответствующему увеличению амплитуды индукции магнитного поля магнитной фокусирующей системы, увеличению габаритных размеров ЛБВ, увеличению плотности токоотбора с поверхности катода и снижению надежности ЛБВ.Known TWT containing an electron gun, a slowing down system with an input and output of microwave energy, a magnetic focusing system and a collector-recuperator of kinetic energy of electrons. [Handbook of Vacuum Electronics. Components and devices. // Edited by J. Eichmeier, M. Tamm. Translated from English by Е.Б. Makhiyanova edited by N.A. Bushueva. Moscow, ed. Technosphere. 2011. S. 39, 40.]. Such TWT has a high efficiency (50-70%) in the saturation mode of the output power, however, the nonlinearity of its characteristics in this mode does not allow the use of such TWT in amplifiers of communication systems with microwave signal modulation, which provides a high speed of digital information transmission. The compliance of the characteristics of such TWT with the necessary linearity requirements is ensured when it is used in these amplifiers in a substantially linear mode of operation - with an output power of 7-10 dB less than the saturation power. This leads to a decrease in the TWT efficiency by 3-5 times. In this case, the required TWT output power is achieved by increasing the electron flux power by a factor of 5–10, which leads to an increase in the electron flux current by a factor of 3–8, corresponding to an increase in the magnetic field induction amplitude of the magnetic focusing system, an increase in the overall dimensions of the TWT, and an increase in current collection density from the surface of the cathode and reduce the reliability of the TWT.

Известна также ЛБВ с пассивным устройством, включенным между областью преобразования кинетической энергии электронного потока в энергию СВЧ волны (замедляющей системой) и коллектором-рекуператором кинетической энергии электронов. [H.G. Kosmahl (NASA) // Electron beam controller. Патент США 3764850, МКИ H01J 23/02. Опубликован 09.10.1973]. В пассивном устройстве уменьшается индукция магнитного поля магнитной фокусирующей системы, при этом происходит увеличение радиуса электронного потока, уменьшение плотности тока электронного потока, частичное преобразование поперечных скоростей электронов в продольные и уменьшение его неламинарности, что способствует улучшению рекуперации энергии электронов.TWT is also known with a passive device connected between the region of conversion of the kinetic energy of the electron beam into microwave energy (slowing system) and the collector-recuperator of the kinetic energy of electrons. [H.G. Kosmahl (NASA) // Electron beam controller. U.S. Patent 3,764,850, MKI H01J 23/02. Published October 10, 1973]. In a passive device, the magnetic field of the magnetic focusing system is reduced, while the radius of the electron beam increases, the current density of the electron beam decreases, the transverse velocities of the electrons are partially converted to longitudinal and their non-laminarity is reduced, which improves electron energy recovery.

Недостатки этой ЛБВ состоят в том, что полная энергия электронного потока в пассивном устройстве не увеличивается и соответствие характеристик такой ЛБВ необходимым требованиям по линейности также достигается в существенно линейном режиме работы - с выходной мощностью на 7-10 дБ меньше мощности насыщения.The disadvantages of this TWT are that the total energy of the electron beam in the passive device does not increase and that the characteristics of such a TWT with the necessary linearity requirements are also achieved in a substantially linear mode of operation - with an output power of 7-10 dB less than the saturation power.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является ЛБВ, содержащая электронную пушку, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, магнитную фокусирующую систему, коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов, предназначенная для работы как при односигнальном, так и многосигнальном усилении [Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Результаты экспериментальных исследований амплитудной и фазовой модуляции в двухчастотном режиме работы спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД // Саратов: Вестник СГТУ. 2010. №3 (48). Выпуск 3. С. 99-105.], [Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Уменьшение нелинейных искажений сигналов в ЛБВ О-типа в полосе рабочих частот выходных усилителей СВЧ-мощности спутников связи // Радиотехника. 2017. №7. С. 14-18.]. При подаче на вход этой ЛБВ дополнительного СВЧ-сигнала достигается существенное улучшение линейности ее характеристик в режиме работы с высоким электронным КПД. Чтобы этот дополнительный СВЧ-сигнал не нарушал спектр рабочих частот в канале связи, на вход ЛБВ подают дополнительный СВЧ-сигнал с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот. Недостатком этой ЛБВ, как установлено в результате исследования ЛБВ-прототипа [Шалаев П.Д. Линеаризация характеристик усилителей СВЧ-мощности на ЛБВ в режимах с высоким КПД с помощью немодулированного дополнительного сигнала и рекуперации энергии СВЧ-электромагнитного поля // Радиотехника. 2018. №8. С. 187-191.], является то, что при существенном улучшении линейности ее характеристик в нелинейном режиме работы с выходной мощностью на 5-7 дБ больше мощности в линейном режиме за счет подачи на ее вход дополнительного СВЧ-сигнала с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот, полный КПД ЛБВ не увеличивается по сравнению с линейным режимом ее работы без подачи дополнительного СВЧ-сигнала. Это связано с тем, что часть (до 30%) выходной мощности ЛБВ приходится на выходной СВЧ-сигнал с частотой за пределами выделенной для канала связи полосы частот и не используется, а входит в сумму общих потерь в ЛБВ. То есть до 30% мощности электронного потока дополнительно расходуется на усиление дополнительного СВЧ-сигнала, используемого для линеаризации характеристик ЛБВ (без учета мощности комбинационных составляющих в силу их сравнительной малости).Closest to the proposed invention is TWT, containing an electron gun, a slowing down system with an input and output of microwave energy, a magnetic focusing system, a collector-recuperator of kinetic energy of electrons, designed to operate with both single-signal and multi-signal amplification [Shalaev P.D. , Simonov D.L. The results of experimental studies of amplitude and phase modulation in a two-frequency mode of operation of a spiral TWT with high electronic efficiency // Saratov: Vestnik of SSTU. 2010. No3 (48). Issue 3. P. 99-105.], [Shalaev P.D., Simonov D.L. Reduction of nonlinear distortion of signals in O-type TWT in the operating frequency band of output amplifiers of microwave power of communication satellites // Radio Engineering. 2017. No. 7. S. 14-18.]. When an additional microwave signal is applied to the input of this TWT, a significant improvement in the linearity of its characteristics is achieved in the operation mode with high electronic efficiency. To this additional microwave signal does not violate the spectrum of operating frequencies in the communication channel, an additional microwave signal with a frequency outside the operating frequency band allocated for the communication channel is fed to the TWT input. The disadvantage of this TWT, as established as a result of the study of the TWT prototype [Shalaev P.D. Linearization of characteristics of microwave power amplifiers on TWT in high-efficiency modes using an unmodulated additional signal and energy recovery of a microwave electromagnetic field // Radio Engineering. 2018. No8. P. 187-191.], It is that with a significant improvement in the linearity of its characteristics in a non-linear mode of operation with an output power of 5-7 dB more power in a linear mode due to the supply to its input of an additional microwave signal with a frequency outside the allocated for the communication channel of the operating frequency band, the total TWT efficiency does not increase compared to the linear mode of its operation without supplying an additional microwave signal. This is due to the fact that part (up to 30%) of the TWT output power falls on the microwave output signal with a frequency outside the frequency band allocated for the communication channel and is not used, but is included in the total loss in the TWT. That is, up to 30% of the power of the electron beam is additionally spent on amplification of an additional microwave signal used to linearize the TWT characteristics (without taking into account the power of the combination components due to their comparative smallness).

Задача настоящего изобретения заключается в том, что предлагаемая лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи (ЛБВЛ) должна обеспечивать возможность использования выходной мощности на частоте дополнительного входного СВЧ-сигнала для увеличения КПД.The objective of the present invention is that the proposed traveling wave lamp for linear amplifiers of microwave power of communication satellites (TWL) should provide the ability to use the output power at the frequency of an additional input microwave signal to increase efficiency.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение КПД ЛБВЛ в режиме работы с высокими электронным КПД и линейностью характеристик.The technical result of the present invention is to increase the efficiency of the TWTL in the mode of operation with high electronic efficiency and linearity of characteristics.

Технический результат достигается тем, что лампа бегущей волны содержит электронную пушку, магнитную фокусирующую систему, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, с пролетным каналом для прохождения электронного потока и коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов. Дополнительно, после замедляющей системы с входом и выходом СВЧ-энергии, с пролетным каналом для прохождения электронного потока, перед коллектором-рекуператором кинетической энергии электронов, ЛБВ содержит устройство преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов в диапазоне рабочих частот устройства, включающих частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик ЛБВ в режиме работы с высоким электронным КПД. Устройство преобразования состоит из магнитной фокусирующей системы и участка замедляющей системы с входом СВЧ-энергии и пролетным каналом для прохождения электронного потока, причем период этого участка замедляющей системы соответствует, при его рабочем напряжении, режиму взаимодействия в нем электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора кинетической энергии электронов, с увеличением кинетической энергии электронов электронного потока за счет преобразования СВЧ-энергии СВЧ-сигналов с частотой в диапазоне рабочих частот устройства, включая частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик ЛБВЛ в режиме работы с высоким электронным КПД. Рекуперация полученной дополнительной кинетической энергии электронов электронного потока в коллекторе-рекуператоре позволяет уменьшить потребляемую мощность и увеличить КПД ЛБВЛ.The technical result is achieved by the fact that the traveling wave lamp contains an electron gun, a magnetic focusing system, a decelerating system with an input and output of microwave energy, with a passage channel for the passage of the electron beam and a collector-recuperator of kinetic energy of electrons. Additionally, after the slow-down system with the input and output of microwave energy, with a passage channel for the passage of the electron stream, in front of the collector-recuperator of the kinetic energy of electrons, the TWT contains a device for converting the electron kinetic energy of electrons into the electron flux of microwave energy of microwave energy in the operating frequency range of the device including the frequency of the additional signal outside the operating frequency range allocated for the communication channel and used to linearize the TWT characteristics in high-speed operation Kim electronic efficiency. The conversion device consists of a magnetic focusing system and a section of the slowdown system with an input of microwave energy and a passage channel for the passage of the electron beam, and the period of this section of the delay system corresponds, at its operating voltage, to the mode of interaction of the electron beam and the electromagnetic wave passing in it in the direction collector-recuperator of the kinetic energy of electrons, with an increase in the kinetic energy of the electrons of the electron stream due to the conversion of microwave energy microwave signal s with a frequency in the operating frequency range of the device, including the frequency of the additional signal outside the operating frequency range allocated for the communication channel and used to linearize the characteristics of the TWL in the mode of operation with high electronic efficiency. The recovery of the obtained additional kinetic energy of the electron flow electrons in the collector-recuperator can reduce the power consumption and increase the efficiency of the TWT.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

на Фиг. 1 - представлена ЛБВ-прототип, где:in FIG. 1 - presents the TWT prototype, where:

1 - электронная пушка,1 - electron gun,

2 - магнитная фокусирующая система,2 - magnetic focusing system,

3 - замедляющая система,3 - retarding system

4 - вход СВЧ-энергии,4 - input microwave energy

5 - выход СВЧ-энергии5 - microwave energy output

6 - пролетный канал для прохождения электронного потока,6 - passage channel for the passage of the electron stream,

7 - коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов.7 - collector-recuperator of the kinetic energy of electrons.

На Фиг. 2 - представлена ЛБВЛ, соответствующая предлагаемому изобретению, где:In FIG. 2 - presents TWL corresponding to the invention, where:

1 - электронная пушка,1 - electron gun,

2 - магнитная фокусирующая система,2 - magnetic focusing system,

3 - замедляющая система,3 - retarding system

4 - вход СВЧ-энергии,4 - input microwave energy

5 - выход СВЧ-энергии,5 - output microwave energy

6 - пролетный канал для прохождения электронного потока,6 - passage channel for the passage of the electron stream,

7 - коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов,7 - collector-recuperator of the kinetic energy of electrons,

8 - устройство преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов,8 - a device for converting into kinetic energy of electrons an electron stream of microwave energy of microwave signals,

9 - магнитная фокусирующая система,9 - magnetic focusing system,

10 - участок замедляющей системы,10 - section of the retarding system,

11 - вход СВЧ-энергии,11 - input microwave energy

12 - пролетный канал для прохождения электронного потока.12 - passage channel for the passage of the electron stream.

Лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи содержит электронную пушку (1), магнитную фокусирующую систему (2), замедляющую систему (3) с входом (4) и выходом (5) СВЧ-энергии и пролетным каналом (6) для прохождения электронного потока, коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов (7), дополнительно, после замедляющей системы (3) с входом (4) и выходом (5) СВЧ-энергии и пролетным каналом (6) для прохождения электронного потока, перед коллектором-рекуператором кинетической энергии электронов (7), содержит устройство (8) преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов в диапазоне рабочих частот устройства, включающих частоту дополнительного сигнала в ЛБВЛ за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот, используемого для линеаризации характеристик ЛБВЛ в режиме работы с высоким электронным КПД, состоящее из магнитной фокусирующей системы (9), участка замедляющей системы (10) с входом СВЧ-энергии (11) и пролетным каналом (12) для прохождения электронного потока, с периодом этого участка замедляющей системы, при его рабочем напряжении, соответствующим режиму взаимодействия в нем электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора кинетической энергии электронов, с увеличением кинетической энергии электронов электронного потока за счет преобразования СВЧ-энергии СВЧ-сигналов с частотой в диапазоне рабочих частот устройства, включая частоту дополнительного сигнала.A traveling wave lamp for linear amplifiers of microwave power of communication satellites contains an electron gun (1), a magnetic focusing system (2), a decelerating system (3) with an input (4) and an output (5) of microwave energy and a passage channel (6) for passing electron flow, a collector-recuperator of kinetic electron energy (7), additionally, after a deceleration system (3) with an input (4) and an output (5) of microwave energy and a passage channel (6) for the passage of electron flow, in front of the kinetic collector-recuperator electron energy (7), contains a device (8) converting the electron flux of microwave energy of microwave signals into the kinetic energy of electrons in the operating frequency range of the device, including the frequency of the additional signal in the TWL beyond the band allocated for the communication channel of the working frequencies used to linearize the characteristics of the TWL in the mode of operation with high electronic efficiency consisting of a magnetic focusing system (9), a section of the slowing system (10) with an input of microwave energy (11) and a passage channel (12) for the passage of the electron beam, I slow down with the period of this section system with its operating voltage corresponding to the mode of interaction of the electron beam and the electromagnetic wave in it, passing in the direction of the collector-recuperator of the kinetic energy of electrons, with an increase in the kinetic energy of the electrons of the electron stream due to the conversion of microwave energy of microwave signals with a frequency in the range of working device frequencies, including the frequency of the additional signal.

Лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи работает следующим образом: электронная пушка (1) создает электронный поток и ускоряет его электроны до скорости Vэп на выходе из электронной пушки, электроны электронного потока из электронной пушки входят в замедляющую систему (3) и двигаются в ее пролетном канале (6) к коллектору-рекуператору кинетической энергии электронов (7) со скоростью Vэу, магнитная фокусирующая система (2) создает магнитное поле, которое удерживает электронный поток во внешних границах меньше границ пролетного канала (6), во вход (4) из внешнего СВЧ тракта подаются входные сигналы ЛБВЛ, включая дополнительный сигнал для улучшения линейности ее характеристик, вход (4) передает входные сигналы ЛБВЛ в замедляющую систему (3), электромагнитные волны входных СВЧ-сигналов распространяются вдоль замедляющей системы (3) в направлении движения электронов электронного потока со скоростью Vсвчу<Vэу близкой к скорости движения электронов электронного потока. При этом происходит модуляция электронного потока по плотности и торможение электронов на участках с большей плотностью в тормозящих фазах электромагнитных волн. В результате торможения электронов их кинетическая энергия преобразуется в энергию электромагнитных волн - происходит увеличение мощности электромагнитных волн входных СВЧ-сигналов (усиление). Усиленные СВЧ-сигналы через выход СВЧ-сигналов (5) передаются в выходной СВЧ-тракт. Причем часть (до 30%) выходной мощности ЛБВЛ приходится на выходной сигнал с частотой дополнительного сигнала за пределами выделенной для канала связи полосы рабочих частот. Но выходной СВЧ-сигнал на частоте дополнительного сигнала не используется для работы канала связи, выделяется из спектра выходных сигналов, подается, при использовании ЛБВ-прототипа, в нагрузку и рассеивается в ней в виде тепла. Часть кинетической энергии электронного потока, оставшаяся после передачи их кинетической энергии усиливаемым СВЧ-сигналам, включая дополнительный сигнал, возвращается в источник электропитания в коллекторе-рекуператоре кинетической энергии электронов (7) при торможении электронов в постоянном электрическом поле его электродов, имеющих потенциалы ниже потенциала замедляющей системы (3). Увеличенная в ЛБВЛ СВЧ-энергия на частоте дополнительного сигнала повышает потери СВЧ-энергии ЛБВЛ, существенно снижает ее КПД за счет дополнительного уменьшения кинетической энергии электронов электронного потока на выходе из замедляющей системы (3) без возврата в ЛБВЛ СВЧ-энергии на частоте дополнительного сигнала.A traveling wave lamp for linear amplifiers of microwave power of communication satellites works as follows: an electron gun (1) creates an electron stream and accelerates its electrons to a speed Vep at the exit of the electron gun, the electron stream electrons from the electron gun enter the deceleration system (3) and move in its passage channel (6) to the collector-recuperator of the kinetic energy of electrons (7) with the velocity Vеу, the magnetic focusing system (2) creates a magnetic field that holds the electron flux at external boundaries less the span of the passage channel (6), in the input (4) from the external microwave path the input signals of the TWL are supplied, including an additional signal to improve the linearity of its characteristics, input (4) transmits the input signals of the TWL into the slow-down system (3), the electromagnetic waves of the input microwave The signals propagate along the retardation system (3) in the direction of electron flow of the electron beam with a velocity V microwave <V eu close to the velocity of the electron beam. In this case, the electron beam is modulated by density and the electrons are decelerated in regions with a higher density in the inhibitory phases of electromagnetic waves. As a result of the deceleration of electrons, their kinetic energy is converted into the energy of electromagnetic waves - there is an increase in the power of electromagnetic waves of input microwave signals (amplification). The amplified microwave signals through the output of the microwave signals (5) are transmitted to the output microwave path. Moreover, a part (up to 30%) of the output power of the TWLF falls on the output signal with the frequency of the additional signal outside the operating frequency band allocated for the communication channel. But the microwave output signal at the frequency of the additional signal is not used for the communication channel, is allocated from the spectrum of output signals, supplied, using the TWT prototype, to the load and dissipated in it in the form of heat. A part of the kinetic energy of the electron flux remaining after the transfer of their kinetic energy to amplified microwave signals, including an additional signal, is returned to the power source in the collector-recuperator of the kinetic energy of electrons (7) when electrons are braked in a constant electric field of its electrodes having potentials lower than the retarding potential systems (3). The microwave energy increased in the TWLF at the frequency of the additional signal increases the loss of the TWFL microwave energy, significantly reduces its efficiency due to an additional decrease in the kinetic energy of the electrons of the electron stream at the output of the slowing system (3) without returning the microwave energy to the TWFL at the frequency of the additional signal.

При использовании предлагаемой в изобретении ЛБВЛ, электроны модулированного по плотности и скорости электронного потока из пролетного канала (6) замедляющей системы (3) входят в пролетный канал (12) участка замедляющей системы (10) устройства (8) и двигаются в пролетном канале (12) к коллектору-рекуператору кинетической энергии электронов (7). Не смотря на различие скоростей электронов электронного потока в пролетном канале (12), на участках электронного потока с большей плотностью электронов их скорости мало отличаются от их средней скорости Vэр. На этом участке модуляция электронного потока по плотности сохраняется и при прохождении электронов в пролетном канале (12) устройства (8).When using the TWFL proposed in the invention, the electrons of the electron density and velocity modulated electron density from the passage channel (6) of the retardation system (3) enter the passage channel (12) of the section of the retardation system (10) of the device (8) and move in the passage channel (12 ) to the collector-recuperator of the kinetic energy of electrons (7). Despite the difference in the electron velocity of the electron beam in the passage channel (12), in the areas of the electron beam with a higher electron density their velocities differ little from their average velocity Vэр. In this section, the electron density modulation in density is also preserved during the passage of electrons in the passage channel (12) of the device (8).

Магнитная фокусирующая система (9) устройства (8) создает магнитное поле, которое удерживает электронный поток во внешних границах меньше границ пролетного канала (12),The magnetic focusing system (9) of the device (8) creates a magnetic field that holds the electron flux at the outer boundaries less than the boundaries of the passage channel (12),

Выделенный в выходном тракте из спектра выходных сигналов, выходной СВЧ-сигнал на частоте дополнительного сигнала, подается на вход СВЧ-энергии (11) устройства (8), и передается через вход СВЧ-энергии (11) в участок замедляющей системы (10). Период этого участка замедляющей системы, при его рабочем напряжении, соответствует режиму взаимодействия в нем электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора (7), с увеличением кинетической энергии электронов электронного потока за счет преобразования СВЧ-энергии СВЧ-сигналов с частотой в диапазоне рабочих частот устройства (8), включая частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик ЛБВЛ в режиме работы с высоким электронным КПД. Электромагнитная волна выходного СВЧ-сигнала на частоте дополнительного сигнала распространяется вдоль замедляющей системы (10) в направлении движения электронов электронного потока со скоростью Vсвчр>Vэр близкой к скорости движения электронов электронного потока при отрицательных значениях параметра рассинхронизма или, как вариант, Vсвчр<Vэр близкой к скорости движения электронов электронного потока при положительных значениях параметра рассинхронизма, соответствующей режиму взаимодействия электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора (7), с преобразованием энергии СВЧ-волны в кинетическую энергию электронов электронного потока. В результате такого преобразования кинетическая энергия электронов электронного потока в пролетном канале (12) устройства (8) увеличивается и в источник электропитания ЛБВЛ возвращается больше энергии в коллекторе-рекуператоре (7). Такая последовательная рекуперация СВЧ-энергии выходного СВЧ-сигнала на частоте дополнительного сигнала в два этапа: на первом этапе в устройстве (8) СВЧ-энергия преобразуется в кинетическую энергию электронов, на втором этапе в коллекторе-рекуператоре (7) эта кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию постоянного тока источника электропитания ЛБВЛ, позволяет существенно (на 4-5% по абсолютной величине) увеличить КПД ЛБВЛ.Isolated in the output path from the spectrum of output signals, the output microwave signal at the frequency of the additional signal is fed to the input of microwave energy (11) of the device (8), and transmitted through the input of microwave energy (11) to the section of the slow-down system (10). The period of this section of the slowdown system, at its operating voltage, corresponds to the mode of interaction of the electron flow and the electromagnetic wave in it, passing in the direction of the collector-recuperator (7), with an increase in the kinetic energy of the electrons of the electron stream due to the conversion of microwave energy of microwave signals with a frequency in the operating frequency range of the device (8), including the frequency of the additional signal outside the operating frequency band allocated for the communication channel and used to linearize the characteristics of the TWT in the mode of operation with high electronic efficiency. An electromagnetic wave of the output microwave signal at a frequency of an additional signal propagates along the slowing-down system (10) in the direction of electron flow electron velocity with a velocity Vcwr> Vep close to the speed of the electron flow electrons with negative values of the desynchronism parameter or, alternatively, Vcwr <Vep close to the electron velocity of the electron beam with positive values of the desynchronism parameter corresponding to the regime of interaction of the electron beam and electromagnetic olny extending in a reservoir-heat exchanger (7) to transform the microwave energy wave into kinetic energy of the electron flow of electrons. As a result of such a conversion, the kinetic energy of the electrons of the electron stream in the passage channel (12) of the device (8) increases and more energy is returned to the power supply of the TWTL in the collector-recuperator (7). Such a sequential recovery of the microwave energy of the output microwave signal at the frequency of the additional signal in two stages: at the first stage in the device (8), the microwave energy is converted into the kinetic energy of the electrons, at the second stage in the collector-recuperator (7) this kinetic energy of the electrons is converted into the direct current energy of the power supply of LBVL, it allows to significantly (by 4-5% in absolute value) increase the efficiency of LBVL.

При необходимости, в ЛБВЛ, соответствующей предлагаемому изобретению, может рекуперироваться и энергия сигналов других источников СВЧ-сигналов в полосе рабочих частот устройства (8), например, ЛБВ-прототипов.If necessary, the energy of signals of other sources of microwave signals in the operating frequency band of the device (8), for example, TWT prototypes, can also be recovered in the TWFL corresponding to the invention.

Источники информации:Information sources:

1. Справочник по вакуумной электронике. Компоненты и устройства. // Под редакцией Дж. Айхмайера, М. Тамма. Перевод с английского Е.Б. Махияновой под редакцией Н.А. Бушуева. Москва, изд. Техносфера. 2011. С. 39, 40.1. Handbook of vacuum electronics. Components and devices. // Edited by J. Eichmeier, M. Tamm. Translated from English by Е.Б. Makhiyanova edited by N.A. Bushueva. Moscow, ed. Technosphere. 2011.S. 39, 40.

2. H.G. Kosmahl (NASA) // Electron beam controller. Патент США 3764850, МКИ H01J 23/02. Опубликован 09.10.1973.2. H.G. Kosmahl (NASA) // Electron beam controller. U.S. Patent 3,764,850, MKI H01J 23/02. Published October 10, 1973.

3. Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Результаты экспериментальных исследований амплитудной и фазовой модуляции в двухчастотном режиме работы спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД // Саратов: Вестник СГТУ. 2010. №3 (48). Выпуск 3. С. 99-105.3. Shalaev P.D., Simonov D.L. The results of experimental studies of amplitude and phase modulation in a two-frequency mode of operation of a spiral TWT with high electronic efficiency // Saratov: Vestnik of SSTU. 2010. No3 (48). Issue 3. S. 99-105.

4. Шалаев П.Д., Симонов Д.Л. Уменьшение нелинейных искажений сигналов в ЛБВ О-типа в полосе рабочих частот выходных усилителей СВЧ-мощности спутников связи // Радиотехника. 2017. №7. С. 14-18.4. Shalaev P.D., Simonov D.L. Reduction of nonlinear distortion of signals in O-type TWT in the operating frequency band of output amplifiers of microwave power of communication satellites // Radio Engineering. 2017. No. 7. S. 14-18.

5. Шалаев П.Д. Линеаризация характеристик усилителей СВЧ-мощности на ЛБВ в режимах с высоким КПД с помощью немодулированного дополнительного сигнала и рекуперации энергии СВЧ-электромагнитного поля // Радиотехника. 2018. №8. С. 187-191.5. Shalaev P.D. Linearization of characteristics of microwave power amplifiers on TWT in high-efficiency modes using an unmodulated additional signal and energy recovery of a microwave electromagnetic field // Radio Engineering. 2018. No8. S. 187-191.

Claims (1)

Лампа бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи, содержащая электронную пушку, магнитную фокусирующую систему, замедляющую систему с входом и выходом СВЧ-энергии, с пролетным каналом для прохождения электронного потока и коллектор-рекуператор кинетической энергии электронов, отличающаяся тем, что дополнительно, после замедляющей системы с входом и выходом СВЧ-энергии, с пролетным каналом для прохождения электронного потока, перед коллектором-рекуператором кинетической энергии электронов, содержит устройство преобразования в кинетическую энергию электронов электронного потока СВЧ-энергии СВЧ-сигналов в диапазоне рабочих частот устройства, включающих частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик лампы бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи в режиме работы с высоким электронным КПД, состоящее из магнитной фокусирующей системы и участка замедляющей системы с входом СВЧ-энергии и пролетным каналом для прохождения электронного потока, причем период этого участка замедляющей системы соответствует, при его рабочем напряжении, режиму взаимодействия в нем электронного потока и электромагнитной волны, проходящих в направлении коллектора-рекуператора кинетической энергии электронов, с увеличением кинетической энергии электронов электронного потока за счет преобразования СВЧ-энергии СВЧ-сигналов с частотой в диапазоне рабочих частот устройства, включая частоту дополнительного сигнала за пределами выделенного для канала связи диапазона рабочих частот и используемого для линеаризации характеристик лампы бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи в режиме работы с высоким электронным КПД, и рекуперацией полученной дополнительной кинетической энергии электронов электронного потока в коллекторе-рекуператоре с увеличением КПД лампы бегущей волны для линейных усилителей СВЧ мощности спутников связи.A traveling wave lamp for linear amplifiers of microwave power of communication satellites, containing an electron gun, a magnetic focusing system, a slow-down system with an input and output of microwave energy, with a span channel for the passage of electron flow and a collector-recuperator of kinetic energy of electrons, characterized in that it additionally after the slow-down system with the input and output of microwave energy, with a passage channel for the passage of the electron stream, in front of the collector-recuperator of the kinetic energy of electrons, contains a device converting the electron flux of microwave energy of microwave signals into the kinetic energy of electrons in the operating frequency range of the device, including the frequency of the additional signal outside the operating frequency range allocated for the communication channel and used to linearize the characteristics of a traveling wave lamp for linear amplifiers of microwave power of communication satellites in the operating mode with high electronic efficiency, consisting of a magnetic focusing system and a section of the retarding system with an input of microwave energy and a passage channel for I is the electron flow, and the period of this section of the slowing down system corresponds, at its operating voltage, to the interaction regime of the electron flow and the electromagnetic wave in it, passing in the direction of the collector-recuperator of the kinetic energy of the electrons, with an increase in the kinetic energy of the electrons of the electron flux due to microwave energy Microwave signals with a frequency in the operating frequency range of the device, including the frequency of the additional signal outside the operating range allocated for the communication channel This is used to linearize the characteristics of a traveling wave lamp for linear amplifiers of microwave power of communication satellites in a high electronic efficiency mode and recovering the additional kinetic energy of electrons of an electron stream in a collector-recuperator with increasing efficiency of a traveling wave lamp for linear amplifiers of microwave power of communication satellites .
RU2019109342A 2019-03-29 2019-03-29 Traveling-wave tube for linear amplifiers of communication satellite microwave power RU2706644C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109342A RU2706644C1 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Traveling-wave tube for linear amplifiers of communication satellite microwave power

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109342A RU2706644C1 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Traveling-wave tube for linear amplifiers of communication satellite microwave power

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2706644C1 true RU2706644C1 (en) 2019-11-19

Family

ID=68580075

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019109342A RU2706644C1 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Traveling-wave tube for linear amplifiers of communication satellite microwave power

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2706644C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738394C1 (en) * 2020-04-24 2020-12-11 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") Traveling-wave tube of linearized microwave power amplifier

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3764850A (en) * 1972-06-27 1973-10-09 Nasa Electron beam controller
US5780970A (en) * 1996-10-28 1998-07-14 University Of Maryland Multi-stage depressed collector for small orbit gyrotrons
RU2352017C1 (en) * 2007-12-12 2009-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий" Traveling wave lamp with magnetic periodic focusing system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3764850A (en) * 1972-06-27 1973-10-09 Nasa Electron beam controller
US5780970A (en) * 1996-10-28 1998-07-14 University Of Maryland Multi-stage depressed collector for small orbit gyrotrons
RU2352017C1 (en) * 2007-12-12 2009-04-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий" Traveling wave lamp with magnetic periodic focusing system

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Радиотехника, 2017, N 7, с.14-18. *
Радиотехника, 2017, N 7, с.14-18. Радиотехника, 2018, N8, с.187-191. *
Радиотехника, 2018, N8, с.187-191. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738394C1 (en) * 2020-04-24 2020-12-11 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") Traveling-wave tube of linearized microwave power amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US2794936A (en) Space-charge wave tubes
KR100888709B1 (en) Method and system for switching mode power amplification
RU2706644C1 (en) Traveling-wave tube for linear amplifiers of communication satellite microwave power
Kowalczyk et al. High efficiency E-band MPM for communications applications
US5568014A (en) Traveling-wave tube amplifier having collector potential lower than body potential
US2800606A (en) Space charge wave amplifiers
US2745039A (en) Ultra-high frequency electronic device
US2974252A (en) Low noise amplifier
RU2738394C1 (en) Traveling-wave tube of linearized microwave power amplifier
US5283534A (en) High frequency amplifying apparatus with a collector which has a periodic amplitude variable longitudinal magnetic field therein
US3761760A (en) Circuit velocity step taper for suppression of backward wave oscillation in electron interaction devices
CN106935456A (en) A kind of helix TWT based on segmentation tandem slow wave system
US3123735A (en) Broadband crossed-field amplifier with slow wave structure
CN102064068B (en) Slow wave structure for reducing harmonic output of coupled cavity traveling wave tube
US3122710A (en) Synchronous wave parametric amplifier and conversion means
RU2404477C1 (en) Klystron
US3051911A (en) Broadband cyclotron wave parametric amplifier
Shalaev Traveling Wave Tube with Energy Recovery of an Additional Microwave Signal
RU2516874C1 (en) Travelling-wave tube
US3128432A (en) Cyclotron-wave parametric amplifiermixer tube
US7474148B2 (en) Amplifier comprising an electronic tube provided with collectors biased by at least two DC bias sources
RU2237943C2 (en) Hybrid o-type tube
Kotiranta et al. Harmonic distortion in a traveling wave tube at 850 GHz and its use in frequency multiplication
RU189407U1 (en) HYBRID MICROWAVE GENERATOR ON A WORKED TURBULENT ELECTRON BEAM
US2379818A (en) Coupling between resonators and electron streams