RU2067336C1 - Microwave generator - Google Patents

Abstract

FIELD: microwave devices. SUBSTANCE: device has anode resonator unit, which contains anode resonators with communication slits, and cathode. Communication slits are displaced with respect to center of anode converters by equal distance in single direction. Cathode has cathode three-dimensional resonators which are located in symmetry to anode ones. Device may be used in microwave transmission devices, radars, radio scanning devices, plasma heating devices. EFFECT: increased functional capabilities. 2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к генерированию СВЧ-колебаний и может найти применение в специальных системах передачи СВЧ-энергии на расстояние, в радиолокации, в системах радиовидения, в системах нагрева плазмы и др. The invention relates to the generation of microwave oscillations and may find application in special systems for transmitting microwave energy over a distance, in radar systems, in radio vision systems, in plasma heating systems, and others.

Известны устройства для генерирования СВЧ-колебаний, содержащие расположенные вдоль прямой линии электрически связанные объемные резонаторы со щелями связи и внешние магнитные системы для создания магнитного поля в рабочем канале. Эти устройства могут быть как генераторами, так и усилителями (ЛБВ и ЛОВ типа М) [1]
Недостатками всех этих устройств является то, что преобразование энергии электронных потоков происходит в небольшом объеме внешнего магнитного поля, что не позволяет получить высокую мощность и удельную мощность на единицу массы и единицу объема прибора. Значительные части массы и объема аналогов занимают внешние магнитные системы, которые вносят основное ограничение на относительную величину объема рабочего канала, мощность и удельную мощность прибора.Known devices for generating microwave oscillations, containing located along a straight line electrically connected volume resonators with coupling slots and external magnetic systems to create a magnetic field in the working channel. These devices can be either generators or amplifiers (TWT and BWT type M) [1]
The disadvantages of all these devices is that the conversion of energy of electron flows occurs in a small amount of external magnetic field, which does not allow to obtain high power and specific power per unit mass and unit volume of the device. Significant parts of the mass and volume of analogues are occupied by external magnetic systems, which introduce the main limitation on the relative value of the volume of the working channel, power and specific power of the device.

Известен генератор СВЧ-излучения, содержащий генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных резонаторов со щелями связи, образующих анодный резонаторный блок и катод [2]
Прототипу присущи все недостатки, указанные для аналогов. Кроме того, этот генератор имеет сравнительно сложную конструкцию.A known microwave generator containing a generator module consisting of electrically connected anode resonators arranged around a circle with communication slots forming an anode resonator block and a cathode [2]
The prototype has all the disadvantages indicated for analogues. In addition, this generator has a relatively complex design.

Целью изобретения является упрощение конструкции и увеличение выходной мощности. The aim of the invention is to simplify the design and increase the output power.

Цель изобретения достигается тем, что в генераторе СВЧ-излучения, содержащем генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных и объемных резонаторов со щелями связи, образующих анодный резонаторный блок, и катод, щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде, симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы со щелями связи. The purpose of the invention is achieved in that in a microwave radiation generator comprising a generator module, consisting of circumferentially electrically connected anode and volume resonators with coupling slots forming an anode resonator block, and a cathode, coupling slots are shifted in azimuth relative to the midpoints of the anode resonators by the same the distance in one direction, and in the cathode, symmetrically anode, made cathodic cavity resonators with coupling slots.

Дополнительно цель изобретения достигается тем, что генератор СВЧ-излучения содержит не менее двух генераторных модулей, расположенных соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны и заключенных в общую волноводную систему. Additionally, the aim of the invention is achieved in that the microwave radiation generator contains at least two generator modules located coaxially at a distance of half the operating wavelength and enclosed in a common waveguide system.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 7. The invention is illustrated in FIG. 1 7.

На фиг. 1 показан поперечный разрез одной секции генераторного модуля, где 1 анодная секция, 2 анодная ламель, 3 внутренний объем анодного резонатора, 4 щели связи, 5 выходная щель, 6 катодная секция, 7 - катодная ламель, 8 внутренний объем катодного резонатора, 9 катодные щели, 10 электронные эмиттеры любого известного вида 11, 12 электрические зажимы для подвода электрической энергии от внешнего источника. Анодные и катодные секции расположены вдоль образующей окружности, как показано на фиг. 2 (поперечный разрез), где 13 радиальные токоподводы к катодным ламелям, 14 - корпус коаксиального резонатора волн Н_оп, 15 радиальные токоподводы к анодным секциям, 16 радиальные токоподводы к катодным секциям, 17 прорезь или катодный резонатор длинных волн. Анодные и катодные щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении.In FIG. 1 shows a cross section of one section of the generator module, where 1 anode section, 2 anode lamella, 3 internal volume of the anode resonator, 4 communication slots, 5 output slit, 6 cathode section, 7 - cathode lamel, 8 internal volume of the cathode resonator, 9 cathode slots , 10 electronic emitters of any known type 11, 12 electrical terminals for supplying electrical energy from an external source. The anode and cathode sections are arranged along a circumferential circle, as shown in FIG. 2 (cross section), where 13 are radial current leads to the cathode lamellas, 14 are the coaxial wave resonator housing H _op , 15 are radial current leads to the anode sections, 16 radial current leads to the cathode sections, 17 a slot or a cathode resonator of long waves. Anodic and cathodic coupling slots are shifted in azimuth relative to the midpoints of the anode resonators by the same distance and in the same direction.

При работе генератора к зажимам 11, 12 каждой секции подают один и тот же высоковольтный импульс напряжения в несколько сотен кВ. Под действием напряжения формируется ток автоэлектронной эмиссии со средней плотностью радиального тока j_r со всех поверхностей эмиттеров 10 (фиг. 1). В анодных и катодных ламелях 2, 7 протекает азимутальная составляющая анодного тока j_a, модуль которого возрастает к точкам крепления ламелей к секциям. Азимутальная составляющая анодного тока создает в рабочем канале поперечное магнитное поле с индукцией В. Под действием этого поля электроны приобретают азимутальную скорость V, значение которой возрастает от 0 у катода до релятивистской у анода.When the generator is operating, the same high-voltage voltage pulse of several hundred kV is supplied to the clamps 11, 12 of each section. Under the action of voltage, a field emission current is generated with an average radial current density j _r from all surfaces of the emitters 10 (Fig. 1). In the anode and cathode lamellas 2, 7, the azimuthal component of the anode current j _a flows, the module of which increases to the points of attachment of the lamellas to the sections. The azimuthal component of the anode current creates a transverse magnetic field with induction B in the working channel. Under the influence of this field, the electrons acquire an azimuthal velocity V, the value of which increases from 0 at the cathode to relativistic at the anode.

На фиг. 3 показаны расчетные графики зависимости средней плотности тока и азимутальной скорости V электронов для одного из режимов работы генератора: амплитуда импульса напряжения 500 кВ, длительность импульса 10^-7 c. Графики скорости электронов на половине расстояния межэлектродного зазора (r l/2) и у анода (r l) имеют участок плато, что обеспечивает автоматическое поддержание условия синхронизации с учетом допустимого диапазона на всем протяжении длительности импульса или рабочего промежутка времени t_p. В режиме преобразования энергии импульса напряжения в энергию СВЧ-колебаний работа генератора подобна работе релятивистского магнетрона.In FIG. Figure 3 shows the calculated graphs of the average current density and the azimuthal velocity V electrons for one of the generator operating modes: voltage pulse amplitude 500 kV, pulse duration 10 ^-7 s. The graphs of the electron velocity at half the distance of the interelectrode gap (rl / 2) and at the anode (rl) have a plateau portion, which automatically maintains the synchronization condition taking into account the allowable range over the entire duration of the pulse or working time t _p . In the mode of converting the energy of a voltage pulse into the energy of microwave oscillations, the operation of the generator is similar to the work of a relativistic magnetron.

Отсутствие внешнего магнита позволяет расположить соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны любое количество генераторных модулей, заключенных в общую волноводную систему. The absence of an external magnet allows you to arrange coaxially at a distance of half the working wavelength of any number of generator modules enclosed in a common waveguide system.

На фиг. 4 показан продольный разрез генератора, содержащего четыре генераторных модуля, где 19 анодный резонаторный блок модуля, 20 катодный блок, 21 радиальный токоподвод, 22 связки, которые одновременно выполняют роль токоподводов к анодным секциям, 23 изолирующая втулка, 24 рупор, 25 - конус, 26 проходная диафрагма из диэлектрика, 27 дополнительные формирующие втулки. Генераторные модули расположены в корпусе коаксиального резонатора волн Н_оп, образующие общую волноводную систему для всех генераторных модулей. Для данной схемы подвод первичной энергии осуществляется по коаксиальным электродам 11, 12 с одной стороны генератора. Количество генераторных модулей ограничивается возрастанием плотности мощности излучения на входе излучателя из рупора 24 и конуса 25 и пробоем диафрагмы 26.In FIG. Figure 4 shows a longitudinal section of a generator containing four generator modules, where 19 are the anode resonator block of the module, 20 are the cathode block, 21 are radial current leads, 22 are bundles that simultaneously act as current leads to the anode sections, 23 an insulating sleeve, 24 a speaker, 25 a cone, 26 dielectric passage diaphragm, 27 additional forming bushings. The generator modules are located in the housing of the coaxial wave resonator H _op , forming a common waveguide system for all generator modules. For this circuit, the primary energy is supplied through coaxial electrodes 11, 12 on one side of the generator. The number of generator modules is limited by an increase in the radiation power density at the input of the emitter from the speaker 24 and cone 25 and the breakdown of the diaphragm 26.

При работе генератора по схеме на фиг. 4 СВЧ-энергия из резонатора 14 выводится непосредственно на излучение через рупор 24. When the generator operates according to the circuit of FIG. 4 microwave energy from the resonator 14 is output directly to the radiation through the speaker 24.

Генераторные модули 30 (фиг. 5) могут быть расположены в тороидальном резонаторе 31 волн Н_оп с радиальными токоподводами 11, 12. Большой радиус тороидального резонатора 31 должен быть значительно больше длины волны колебаний. СВЧ-энергия из резонатора 31 при работе генератора может выводиться через фидерные линии 32 любого известного вида.Generator modules 30 (Fig. 5) can be located in the toroidal resonator 31 of the waves N _op with radial current leads 11, 12. The large radius of the toroidal resonator 31 should be significantly greater than the wavelength of the oscillations. Microwave energy from the resonator 31 during generator operation can be output through feeder lines 32 of any known type.

На фиг. 6 показан продольный разрез излучающей системы на основе генераторов с тороидальными резонаторами 31, где 33 поверхность решетки. В зависимости от длины волны СВЧ-энергия может выводится к решетке или вибраторами 34, или гибкими прямоугольными волноводами с излучающими рупорами на выходе. Синхронизация колебаний в соседних тороидальных резонаторах осуществляется связками 37. Все генераторные модулей 30 и тороидальных резонаторов 31 можно получить любой требуемый уровень мощности излучения. Мощность излучения ограничивается пробоем среды на поверхности решетки и мощностью источника питания. In FIG. 6 shows a longitudinal section of a radiating system based on generators with toroidal resonators 31, where 33 is the surface of the grating. Depending on the wavelength, microwave energy can be output to the array either by vibrators 34, or by flexible rectangular waveguides with radiating horns at the output. The synchronization of oscillations in adjacent toroidal resonators is carried out by bundles 37. All generator modules 30 and toroidal resonators 31 can receive any desired level of radiation power. The radiation power is limited by the breakdown of the medium on the surface of the grating and the power of the power source.

На фиг. 7 показана развертка части анодных ламелей 2, на которых изображены мгновенные распределения зарядов q и высокочастного поля Е в одной из плоскостей радиального сечения при возбуждении π-колебаний. Токоподводы 12 и связки 22 находятся в точках нулевых потенциалов высокочастотных колебаний. Заряды и поля в анодных резонаторах и на ламелях соседних генераторных модулей колеблются в противофазе. Поперечное магнитное поле В всех генераторных модулей направлено в одну сторону. Расстояния между соседними модулями по плоскостям экваториальных сечений модулей Z_c равны половине рабочей длине волны.In FIG. Figure 7 shows a scan of part of the anode lamellas 2, which depict instantaneous distributions of the charges q and the high-frequency field E in one of the planes of the radial section upon excitation of π-oscillations. Current leads 12 and bundles 22 are located at the points of zero potentials of high-frequency oscillations. Charges and fields in the anode resonators and on the lamellas of adjacent generator modules oscillate in antiphase. The transverse magnetic field In all generator modules is directed in one direction. The distances between adjacent modules along the planes of the equatorial sections of the modules Z _c are equal to half the working wavelength.

Технико-экономическая эффективность генератора обусловлена новым выполнением конструкции, что исключило необходимость применения внешних магнитов и существенно упростило конструкцию. Отсутствие внешних магнитов позволяет располагать соосно любое количество генераторных модулей, что позволяет увеличить мощность до любого требуемого уровня. The technical and economic efficiency of the generator is due to the new design, which eliminated the need for external magnets and greatly simplified the design. The absence of external magnets allows you to coaxially position any number of generator modules, which allows you to increase power to any desired level.

Источники информации
1. Лебедев Н.В. Техника и приборы СВЧ. т. 2, М. Высшая школа, 1972, с. 107, 375.Information sources
1. Lebedev N.V. Microwave equipment and devices. T. 2, M. Higher School, 1972, p. 107, 375.

Диденко А. Н. и др. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М. Энергоатомиздат, 1984, с. 112. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 Didenko A. N. et al. Powerful microwave pulses of nanosecond duration. M. Energoatomizdat, 1984, p. 112. YYY2 YYY4 YYY6

Claims (2)

1. Генератор СВЧ -излучения, содержащий генераторный модуль, состоящий из расположенных по окружности электрически соединенных анодных объемных резонаторов с щелями связи образующих анодный резонаторный блок и катод, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и увеличения выходной мощности, щели связи смещены по азимуту относительно середин анодных резонаторов на одинаковое расстояние и в одном направлении, а в катоде, симметрично анодным, выполнены катодные объемные резонаторы со щелями связи. 1. A microwave radiation generator comprising a generator module, consisting of electrically connected anode volume resonators located around a circle with communication slots forming an anode resonator block and a cathode, characterized in that, in order to simplify the design and increase the output power, the communication slots are shifted in azimuth relative to the midpoints of the anode resonators at the same distance and in one direction, and in the cathode, symmetrically anodic, cathodic cavity resonators with coupling slots are made. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что содержит не менее двух генераторных модулей, расположенных соосно на расстоянии в половину рабочей длины волны и заключенных в общую волноведущую систему. 2. The generator according to claim 1, characterized in that it contains at least two generator modules located coaxially at a distance of half the working wavelength and enclosed in a common waveguide system.

Images