CC BY
12
НАУКОВО-ТЕХН1ЧНИЙ РОЗД1Л
тараненко в. ii.
Г1РОПРИЛАДИ
Розглянуто принцип ди та кторпо створення елекгронних приладав НВЧ - проприла-дов, основаних на взаемодп елекгронних потоюв з несповшьненою електромагштною хвилею. Проприлади виршшли проблему отримання великих потужностей в мшмет-ровому даапазош хвиль.
В ювшейному виданш журналу слад вщзначити робота, виконаш на ра-дютехшчному факультет!, яю з1грали видатну роль в електрошщ НВЧ на свгговому р1вш Одними з таких е робота по створенню в 1955-1957 роках фазохрошв, що й лягли в основу техшки сучасних проприлад1в.
Проприлади базуються на принцип! взаемодп з несповшьненими елект-ромагштними хвилями. Вцщова ввд використання сшдалыпоючих структур складтсть виготовлення яких в зв'язку з зменшенням розм1р1в значно збшь-шуеться з переходом до мшметрового чи субмш) метрового доапазошв, використання як електродинам1чних систем взаемодп вщмзюв регулярних хвиле-вод1в (круглих та прямокутних) з пор1вняно великими розм1рами поперечного перерезу, дозволили вир1шити проблему створення в обласп взаемодп потужних електронних пучюв та розсгювання велико! потужносп.
Р1шення ще1 проблеми привело до створення в даапазош мшметрових та субмшметрових хвиль приладав, що дозволяють генерувати велша потужносп з високим ККД. Проприлади виршили проблему отримання великих потужностей - сотень мловатчв в тривалому режим 1 та одиниць мегава-пв в ¡мпульсному в мiлiмeтpoвoмy та субмшметровому диапазонах.
3 точки зору фгшки традищйних НВЧ-приладе в проприладах умова синхрошзму електрошв з ВЧ-полем виконусгься внаслщок р1вносп циклот-ронно! часготи (або и гармонш) та кругово! частота робочо! моди електрома-гштного поля.
В реальних при ладах кругове обертання електрона забезпечусться постшким магштним полем, причому вш рухаеться по страль
Розглянемо умову синхрошзму електрона, що рухаеться по страт, з полем б1жучо1 хвшп (рис. 1).
Вздовж оа 2 розповсюджусться плоска електромагттаа хвиля з швид-юстю
© Тараненко В. Г1.
33
Ех = Е0 - (Зг),р =
в.
(1)
со - кругова частота хвшн, (3 - фазова стала, — фазова швидость.
Електрон обертаеться в площши 2 = 0, ларалельнш фронту хвил1, з кру говою частотою О. по кругу з радоусом г.
X = ГС08(П/ + ф0) у = /*5т(О/ + ср0)
О - циклотрон на частота,
С1 = —В, т
В - величина ¡ндукци магштного поля.
у
(2)
(3)
Рис. 1
Шлях, який проходить електрон вздовж оа 2 дор1внюе = . За один оберт електрон проходить вздовж 2 вщдаль 2Ь
2%
П
(4)
Для того, щоб електрон весь час знаходився в тш самш фaзi вщносно
2п
ВЧ-поля хвши, необхадно, щоб за перюд обертання Т = —, поле змшило фазу на 2 л в точщ 2 - шакше:
со/-(32, =2п (5)
або
ГИсля перетворень отримаемо:
ю-О
(7)
со
Ця залежшсть 1 е та умова, за ямн електрон, рухаючись по сгарал1, не змшюе свое! фази в1дносно поля i весь час взаемодае з цим полем, гальм1в-ним або лрискорюючим. При зустр1чному руа хвши та електрона (взаемодая з зворотною просторовою гармошкою поля), умова взаемодп буде
Кр1м стрально! траекторп, можуть бути 1 ппш, при яких можлив! попе-речш рухи електрошв, наприклад трохоща, що бувае в схрещених елект-ронному та магштному полях.
При розглянутому мехашзм! взаемодп тщнбне не гальмування елекг-ромагштно! хвшп, а поперечш коливання електрошв з частотою П, близько1 до кругово! частота ю .
Для ефективно! взаемодо електрошв з полем необхцщо створити посш-довшсть заряд1в (згустюв), шакше електронний поток необхщно промодулю-вати.
В приладах такого типу електрони групуються внаслщок того, що час-гота обертання електрона в магштному пош залежить вщ швидкосп:
При цьому сутгевою являсться азимутальне групування, обумовлене залеж-шспо циклотронно1 частота вщ кшетичшн енергп, в той час як просторове групування грае другорядну роль. Основш закономерности такого групування аналопчш приладам типу «О». Тому прилади типу «О» мають сво! аналоги в проприладах.
Умови взаемодп [7], [8] електрошв з несповшьненою хвилею типу ТЕМ вперше в свт встановив С. I. Тетельбаум в 1954 р. [1]. Вш же 1 запропонував шляхи створення приладав НВЧ на цьому принциш. Щ прилади вш назвав фазохронами.
О-со
(8)
со
(9)
Перший доючий фазохрон був збудований К. Я. Шждвоем в 1957 р. Еле-ктродинам1чною структурою в фазохрош використовувалась двопровадна лппя, створена рейками, яи поступово переходили в проводники круглого перетину.
Електрони м!ж рейками рухались по трохоадальних траектор1ях. Вико-ристовувалось поперечне магштне поле. Опис робочого макета та результата експериментального дослщження були опубл1коваш в журналах «Радиотехника и электроника» в 1957 рощ [2].
Але основний вклад в розвиток теори та техшки створення сучасних п-роприладов вше академш A.B. Гапонов i3 своши ствробтшками в юнщ 50-х роив. Ними були вирпнеш два важливих питания:
1) введения релятив1стсько1 поправки при визначенш циклотронно! час-тоти дозволило поясните принцип азимутального групування в проприладах
[3];
2) використання круглого хвилеводу, робочо! моди Ноь ¡нжекторно! ма-гнетронно! гармати призвело до створення оптимально! конструкцп пропри-ладов.
Bei сучасш проприлади базуються на щй конструкщ!.
Рис.2
На рис. 2 приведена схема конструкщ! одного з видов проприладдв - ri-ротрона. Електронна гармата 1 формуе трубчастий електронний попк з eni-ральними траектор1ями електрошв в потощ.
На рис. 3 зображеш траекторп електрошв та розподол 1ндукщ1 магштно-го поля вздовж потоку. Електромагшт 2 забезпечуе необидно магштне поле в зош електронюн гармати для формування електронного потоку та задас необхщну циклотронну частоту обертання електрошв П при подальшому рухов11х в зош взаемоди з високочастотним полем в резонатор! 3.
Резонатор переходить в граничний хвилевщ з боку електронно! гармати для попередження випромшювання електромагштно! енергп в напрямку електронно1 гармати. Плавшсть звуження дозволяе попередиги трансформа-щю робочо! мода в моди з меншими радоальними вдексами та забезпечуе як екранування простору формування пучка вщ попадания ВЧ-енергп, так 1 повне ввдбиття робочо! моди.
Рис.3
3 боку колектора резонатор мае плавне звуження, що переходить посту-пово в цшндричний хвилев1д 4, виконуючий одночасно функцию виводу енергп \ колектора. Резонатор \ колектор мають канали для циркуляцп охо-лоджуючо! рщини. В вихздному хвилевода теля охолоджено! поверхш колектора розм1щуеться даелектричне вшно виводу енергц 5.
Резонатор розм1щуегься в однорщнш частиш магштного поля,*по обидва боки В1д резонатора напруженють магштного поля достатньо швидко змен-шусться, що забезпечуе формування пучка в катодшй обласп електронно! гармати та осщання вцщрацьованих електрошв на стшки колектора.
В проприладах величина магштного поля пропорцшна круговш частот! електромагштного поля. Тому прилади працюють з великими магштними полями. Якщо виразиги робочу частоту в пгагерцах, величину магштного поля в теслах, то
ДГТц) = 28В [Тл].
Як видно, для генераци хвил1 довжиною 1 мм потр1бне магштне поле з ¿ндукщоо ЮТл. Таке магштне поле можна отримати ильки в соленош з котушками з надпровщного матср1ала при гел1евих температурах. Це 1 е один 13 сутгевих недолшв проприлад!в. Другим ктотним недолгом про-прилад1в е '¿хня вузькосмупдасть, яка закладена в принцип! роботи дих приладив. Робоча полоса частот проприладу визначаеться шириною лшп циклотронного резонанса 1 досягае долей вщсотив вщ середньо! робочо! частоти.
Розглянутий вище проприлад мае назву протрон 1 е аналогом приладу О-типу - монотрона.
Якщо пом1стити на шляху руху електрошв другий резонатор, можна отримати прошпстрон - аналог дворезонаторного прольотного клистрона. Перший в СРСР проюпстрон був створений на кафедр1 РТПС в сшвдружно-сп з НД1 «Орюн» в 1969 рощ (Тараненко В. П., Л1ждвой К. Я., Глушенко В. М., Рапопорт Г. Н., Прус В. А., Кошева С. В., Трапезой В. А.). Кшстрон працював в мшметровому д!апазош хвиль, мав коефцдент шдсилення 40дБ, ККД до 40%, при потужносп в тр ива лому режим 1 порядка одиниць илова-Т1в. Вперше на кафедр 1 РТПС був розроблений метод експериментального анализу м1кроструктури електронних потогав в протронах та збудований анал1затор таких потогав [4, 5]. По аналоги можна побудувати про-лампи б1жучо"1 хвилЦпро-ЛБХ], про-лампи зворотно! хвшп [про-ЛЗХ].
Процес пщсилення в про-ЛБХ аналопчний шдсиленню в звичайшй ЛБХ типу О. Електродинам1чна система про-ЛБХ являе собою гладкий цш-ндричний хвилевщ з вхщним пристроем для перетворення слектромагштноУ хвил! на входа приладу в хвилю типу Н0ь В електродина\пчшй систем! вщ-буваегься взаемод!я електрошв з полем хвшн, що розповсюджуегься в на-прямку руху електрошв. На колекторному мнщ е вивщ енергп, аналопчний виводу енергп протрона (рис. 2), та пристрш узгодження хвилеводу з вихщ-ним трактом. Вихщ електрошв з синхрошзму з полем вщбуваеться за раху-нок р1зкого зменшення напруженост! магштного поля в обласи колекгора.
Пщсилення сигналу в про-ЛБХ в умовах точного синхрошзму вщбувае-ться таким чином. Електрони, рухаючись в пол1 хват шдсилюваного ВЧ сигналу, отримують модулящю енерги обергання, в результат! чого вщбува-егься IX азимутальне групування. По м1р1 утворення згустюв в елсктронному потощ створюегься гармошка конвекщйного струму, що збуджуе хвилю ВЧ-
поля, яка ¡нтерферуе з хвилею гадсилюваного сигналу. Фаза збуджуважй' хвил! вщповщае умовам максимального гальмування електронних згу стыв, що передають свою енергпо полю хвшп. Найб1льша ширина полоси гадси-лення вщповщае умов! р1вносп групово1 швидкосп хвшп швидкосп посту-пального руху електрошв.
Плдсумовуючи, щкаво привести як приклад, даш сучасних проприладав
[6].
Таблица 1
Назва Тип приладу Робочий Д1апазон ГГц Потуж-шсть кВт ККД % Коеф. щдсилен-ня дБ Полоса % Лгг-ра
917Н Генераторний протрон ¡мпульс-ного режиму 60 285 44 [6]
934НХХ те ж саме 100 500 35
УСВ8005 Генераторний протрон тривало-го режиму 56 200 35 а
931ХХ те ж саме 90-100 1 30
лаб. зразок Проюпстрон три-валого режиму 35 400 40 40 0,1
916Н Про-ЛБХ трива-лого режиму 91-95 5 8 30 2
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Тетелъбаум С. I. Про поняття фазово! швидкосп посл1Довносп частинок // ДАН УРСР - 1954,- № 1.
2. Тетелъбаум С. I. Фазохронные генераторы обратной волны // Радиотехника и электроника - 1957.-К» 1.
3. Гапонов А. В. Возбуждение линии передачи непрямолинейным элекгронным потоком. Взаимодействие непрямолинейных электронных потоков с электромагнитными волнами в линиях передач // Радиофизика,- 1959.- № 3.
4. Тараненко В. П., Прус В. А., Лиждвой К Я. Новый метод исследования спира-лизированных электронных пучков для фазохронов // Электронная техника. Электроника СВЧ,-1970,-№ 10.
5. Тараненко В. П., Глушенко В. Н., Кошевая С. В., Трапезой В. А. Влияние разброса скоростей электронов в поливинтовых электронных потоках на стартовый ток и КПД гиротронов // Электронная техника. Электроника СВЧ.- 1974 - № 2.
6. Лучшие зарубежные СВЧ-приборы. Справочные материалы по электронной технике // Ю. Н. Чукина, М. Е. Багарина и др.- 1986.
НадШшла до редколеги 05.03.98.
