RU2494490C2 - Travelling wave tube - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: travelling wave tube (TWT) of ultrahigh-frequency range of wave lengths comprises an electron gun, a moderating system of "opposite pins" type, comprising connected cells, dielectric sealing partitions that separate the moderating system from microwave tracks, a focusing system in the form of a chain of permanent magnets and a collector. Between flight tubes of the input and output resonators of the moderating system and inner conductors of coaxial tracks there are capacitance gaps, and input and output resonators have a diameter that is more than the diameter of the moderating system.

EFFECT: reduced power consumption of a TWT and increased working frequency band.

2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области техники СВЧ. Лампы бегущей волны, основанные на использовании принципа непрерывного длительного взаимодействия электронного потока с полем бегущей электромагнитной волны в нерезонансной колебательной системе, могут быть использованы в различной радиоэлектронной аппаратуре.The invention relates to the field of microwave technology. Lamps of a traveling wave, based on the principle of continuous long-term interaction of the electron beam with the field of a traveling electromagnetic wave in a non-resonant oscillatory system, can be used in various electronic equipment.

Уровень техникиState of the art

Развитие многоцелевой радиолокации дальней тропосферной и космической связи современных средств радиоэлектронного подавления (РЭП) информационных каналов систем управления оружием требует создания широкополосных усилителей СВЧ колебаний большой мощности (свыше 100 ватт).The development of multi-purpose radar for long-range tropospheric and space communications of modern means of radio-electronic suppression (REP) of information channels of weapon control systems requires the creation of broadband amplifiers of high-frequency microwave oscillations (over 100 watts).

Вакуумные усилители мощности, работающие в дециметровом диапазоне длин волн, широко используются в выходных усилителя мощности бортовых радиолокационных станций. В бортовом оборудовании наряду с техническими характеристиками большую роль играют и массогабаритные характеристики. По этой причине в последнее время большое развитие получило исследование и проектирование перспективных замедляющих систем.Vacuum power amplifiers operating in the decimeter wavelength range are widely used in the output power amplifier of airborne radar stations. In airborne equipment, along with technical characteristics, a large role is played by mass and size characteristics. For this reason, in recent years, research and design of promising retardation systems has been greatly developed.

Наиболее перспективными электровакуумными приборами, позволяющими создать такие усилители, являются лампы бегущей волны (ЛБВ) - приборы О-типа с продольными электрическим и магнитным полями. Благодаря распределенному по длине взаимодействию электронного потока с электромагнитным полем бегущей волны в приборах этого типа достигается значительное усиление при сравнительно небольшом токе электронного пучка. Коэффициенты усиления при необходимости могут достигать 60 децибел и более. Применение замедляющих систем со слабо выраженными резонансными свойствами обеспечивает усиление в широкой полосе частот, достигающей двух и более октав. Мощные ЛБВ непрерывного и импульсного режимов относятся к наиболее быстро развивающейся группе СВЧ приборов. Широкая полоса усиливаемых частот наиболее просто достигается применением спиральных замедляющих систем. При переходе к средним мощностям (порядка киловатта и более) приходится переходить к резонаторным замедляющим системам, которые при использовании в ЛБВ всегда дают меньшую полосу усиливаемых частот (обычно не более 10% относительно средней частоты диапазона).The most promising electrovacuum devices to create such amplifiers are traveling wave tubes (TWTs) - O-type devices with longitudinal electric and magnetic fields. Due to the interaction of the electron beam distributed over the length with the electromagnetic field of the traveling wave in devices of this type, significant gain is achieved with a relatively small electron beam current. Gain factors, if necessary, can reach 60 decibels or more. The use of slow-wave systems with weakly pronounced resonant properties provides amplification in a wide frequency band, reaching two or more octaves. Powerful TWT continuous and pulsed modes are among the fastest growing group of microwave devices. A wide band of amplified frequencies is most easily achieved by using spiral decelerating systems. In the transition to medium powers (of the order of kilowatts or more), one has to switch to resonator slowdown systems, which when used in TWT always give a smaller band of amplified frequencies (usually not more than 10% relative to the average frequency of the range).

В современных мощных ЛБВ наиболее часто применяются замедляющие системы в виде цепочек резонаторов с индуктивной связью, выполненных в виде диафрагмированного круглого волновода, а также замедляющие системы типа «встречные штыри», широко используемые в изделиях ФГУ «НПП «Исток».In modern powerful TWTs, the most often used are slowing systems in the form of chains of resonators with inductive coupling made in the form of a diaphragmed circular waveguide, as well as slow-down systems of the “counter-pin” type, which are widely used in the products of FGU NPP Istok.

Для получения предельных параметров по мощности и КПД широкое распространение также получили усилительные цепочки, состоящие из предварительного усилителя (на основе ЛБВ) с большим коэффициентом усиления и выходной "прозрачной" ЛБВ (то есть без поглотителей СВЧ мощности) с небольшим коэффициентом усиления (7-15 децибел). В «прозрачной» ЛБВ также наиболее часто используют резонаторные замедляющие системы.To obtain the limiting parameters in terms of power and efficiency, amplification chains consisting of a preamplifier (based on TWT) with a large gain and an output “transparent” TWT (that is, without microwave power absorbers) with a small gain (7-15 decibel). In a “transparent” TWT, resonator slowdown systems are also most often used.

Повышение мощности, уменьшение массогабаритных характеристик, расширение рабочей полосы частот при продвижении мощных СВЧ приборов в дециметровый диапазон длин волн к ЛБВ является чрезвычайно актуальной задачей, и на ее решение было потрачено немало усилий отечественных и зарубежных специалистов. Одним из возможных решений является использование замедляющей структуры типа «встречные штыри». Использование замедляющей системы типа «встречные штыри», работающей на волне Н_11, позволяет существенно уменьшить поперечные размеры замедляющей структуры. Оценки размеров такой замедляющей системы для так называемой "-1"-ой рабочей гармоники и длин волн 18-40 см дают величины диаметров 50-110 мм и значения периодов от 30 до 70 мм.Increasing power, reducing weight and size characteristics, expanding the working frequency band while moving powerful microwave devices to the decimeter wavelength range to TWT is an extremely urgent task, and a lot of efforts of domestic and foreign experts have been spent on its solution. One possible solution is to use a retarding pin type retardation structure. The use of a counterpropagating system such as “opposing pins” operating on a H ₁₁ wavelength can significantly reduce the transverse dimensions of the retardation structure. Estimates of the dimensions of such a retarding system for the so-called "-1" -th harmonic and wavelengths of 18-40 cm give diameters of 50-110 mm and periods from 30 to 70 mm.

Для сравнения диаметры замедляющей системы с индуктивными щелями связи для этого диапазона длин волн будут примерно в два раза больше.For comparison, the diameters of the slowing-down system with inductive coupling slits for this wavelength range will be approximately two times larger.

Уменьшение поперечных размеров замедляющей системы дает также реальную возможность для создания фокусирующего поля использовать постоянные магниты.Reducing the transverse dimensions of the retarding system also gives a real opportunity to use permanent magnets to create a focusing field.

Для ЛБВ с замедляющей системой в виде цепочки связанных резонаторов задача получения рабочей полосы частот, превышающей 10%, то есть обеспечение хорошего согласования замедляющей системы с передающими линиями (коэффициент стоячей волны по напряжению ≤1.5) является одной из самых актуальных. Чрезвычайно сложно получить хорошее согласование замедляющей системы с передающими линиями во всей полосе ее пропускания, особенно на ее границах. Поэтому есть опасность возникновения внутренней обратной связи из-за отражения электромагнитной волны на концах замедляющей системы, особенно на границах полосы пропускания. При этом ЛБВ может перестать выполнять свои функции и самовозбудиться. Для устранения самовозбуждения в замедляющей системе размещают либо селективные поглотители (например, из керамики марок КТ-30, АН-35Ж, ПМК, АН-МКХ), которые вносят потери в ограниченных областях полосы пропускания замедляющей системы (вблизи границ полосы), либо распределенные пленочные поглотители (например, пленка из альсифера).For TWTs with a slow-wave system in the form of a chain of coupled resonators, the task of obtaining a working frequency band in excess of 10%, that is, ensuring good coordination of the slow-wave system with transmission lines (standing wave voltage coefficient ≤1.5) is one of the most relevant. It is extremely difficult to obtain good agreement between the slow-wave system and the transmission lines in its entire passband, especially at its borders. Therefore, there is a risk of internal feedback due to the reflection of the electromagnetic wave at the ends of the slowdown system, especially at the borders of the passband. At the same time, TWT can stop fulfilling its functions and become self-excited. To eliminate self-excitation, either selective absorbers (for example, from ceramics of the KT-30, AN-35Zh, PMK, AN-MKH brands) are placed in the retarding system, which introduce losses in limited regions of the bandwidth of the retarding system (near the strip boundaries), or distributed film absorbers (e.g. alsifer film).

Мощная ЛБВ обычно содержит замедляющую систему в виде цепочки связанных резонаторов. Электронный поток создается электронной пушкой. В замедляющей системе кинетическая энергия электронов преобразуется в СВЧ энергию. Пройдя через замедляющую систему, "отработавший" электронный поток попадает в коллектор. Первый и последний резонаторы замедляющей системы служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно и связаны с коаксиальными или волноводными СВЧ трактами. Герметизирующие диэлектрические перегородки отделяют вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ трактов. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной системой, состоящей из электромагнитов или ряда постоянных магнитов.A powerful TWT usually contains a retardation system in the form of a chain of coupled resonators. The electron stream is created by an electron gun. In a retarding system, the kinetic energy of electrons is converted to microwave energy. Having passed through the slow-down system, the "spent" electronic stream enters the collector. The first and last resonators of the moderator system are used to input the amplified microwave signal and output the amplified signal, respectively, and are connected with coaxial or waveguide microwave paths. Sealing dielectric partitions separate the evacuated retardation system from the non-evacuated microwave paths. The magnetic field focusing the electron beam is created by a magnetic system consisting of electromagnets or a series of permanent magnets.

Мощные ЛБВ с замедляющей структурой типа «встречные штыри» описаны в патентах 2290714, 2250529, 2378793. ЛБВ, приведенная в патенте 2378793, может рассматриваться как прототип. Она содержит электронную пушку, замедляющую систему типа встречные штыри, состоящую из цепочки связанных резонаторов, резонаторы ввода и вывода энергии, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ коаксиальных трактов, фокусирующую систему в виде магнитной периодической фокусирующей системы МПФС и коллектор, охлаждаемый водой. Как следует из текста описания изобретения и фиг.3, заявлена «прозрачная» ЛБВ, в которой в полосе порядка 10% получена расчетная величина мощности от 6 до 8 кВт. На фиг.1, приведенной в описании изобретения, показана ЛБВ, в которой внутренний проводник коаксиала СВЧ трактов электрически связан с пролетными трубками резонаторов ввода и вывода энергии. Резонаторы ввода и вывода энергии можно рассматривать как коаксиально-волноводные переходы. Диаметр коаксиально-волноводного перехода равен диаметру замедляющей системы. Электрическая связь внутреннего проводника коаксиала с пролетной трубкой ограничивает возможную полосу согласования замедляющей системы с коаксиальным трактом. А равенство диаметров коаксиально волноводного перехода и замедляющей структуры приближает критическую длину волны коаксиально волноводного перехода к полосе пропускания замедляющей структуры, что ухудшает согласование замедляющей системы вблизи длинноволновой границы пропускания.Powerful TWTs with a retarding pin type retardation structure are described in patents 2290714, 2250529, 2378793. The TWT described in patent 2378793 can be regarded as a prototype. It contains an electron gun that slows down the opposing pin type system, consisting of a chain of coupled resonators, energy input and output resonators, sealing dielectric partitions separating the evacuated slowing system from the non-evacuated microwave coaxial paths, a focusing system in the form of a magnetic periodic focusing system MPFS and a collector cooled water. As follows from the text of the description of the invention and figure 3, declared "transparent" TWT, in which in the band of about 10% received the estimated value of power from 6 to 8 kW. Figure 1, shown in the description of the invention, shows the TWT, in which the inner conductor of the coaxial microwave paths is electrically connected with the span tubes of the resonators input and output energy. Resonators of input and output of energy can be considered as coaxial waveguide transitions. The diameter of the coaxial-waveguide transition is equal to the diameter of the retarding system. The electrical connection of the inner conductor of the coaxial with the span tube limits the possible matching band of the retarding system with the coaxial path. And the equality of the diameters of the coaxial waveguide transition and the retardation structure brings the critical wavelength of the coaxial waveguide transition closer to the passband of the retardation structure, which impairs the coordination of the retardation system near the long-wavelength transmission boundary.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Актуальной проблемой является получение хорошего согласования замедляющей системы мощной ЛБВ в дециметровом диапазоне длин волн с передающими линиями во всей полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10% (получение в полосе пропускания замедляющей системы коэффициента стоячей волны по напряжению КСВн≤1.5).An urgent problem is obtaining good agreement between the slow-wave system of a powerful TWT in the decimeter wavelength range and transmission lines in the entire pass-band of the slow-wave system exceeding 10% (obtaining the standing wave voltage coefficient in the pass-band of the slow-wave system of VSWR ≤1.5).

Указанная проблема решается следующим образом. Мощная лампа бегущей волны содержит электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», работающего на волне типа Н₁₁, с пролетными трубками, каждая из которых закреплена на цилиндрической поверхности резонатора с помощью одной штанги, магнитную систему в виде постоянных магнитов, резонаторы ввода и вывода энергии, герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие вакуумированную замедляющую систему от невакуумированных СВЧ коаксиальных трактов и коллектор. Электронный поток создается электронной пушкой. Проходя через замедляющую систему, пучок передает часть кинетической энергии электромагнитному полю, сам при этом частично тормозится и попадает в коллектор. Входной и выходной резонаторы, отделенные от коаксиальных СВЧ трактов герметизирующими диэлектрическими перегородками, служат для ввода усиливаемого СВЧ сигнала и вывода усиленного сигнала соответственно. Магнитное поле, фокусирующее электронный поток, создается магнитной периодической фокусирующей системой (МПФС), состоящей из ряда постоянных магнитов и штанг с магнитоактивным материалом.The indicated problem is solved as follows. A powerful traveling wave lamp contains an electron gun that slows down the oncoming pin type operating on an H ₁₁ type wave with span tubes, each of which is mounted on the cylindrical surface of the resonator using one rod, a magnetic system in the form of permanent magnets, input resonators and energy output, sealing dielectric partitions separating the evacuated slowing down system from the non-vacuum microwave coaxial paths and the collector. The electron stream is created by an electron gun. Passing through the retardation system, the beam transfers part of the kinetic energy to the electromagnetic field, while at the same time it partially slows down and enters the collector. The input and output resonators, separated from the coaxial microwave paths by sealing dielectric partitions, serve to input the amplified microwave signal and output the amplified signal, respectively. The magnetic field focusing the electron beam is created by a magnetic periodic focusing system (MPFS), consisting of a number of permanent magnets and rods with magnetically active material.

Замедляющая система состоит из связанных ячеек (периодов), каждый из которых содержит отрезок цилиндра и пролетную трубку. Пролетная трубка закреплена на отрезке цилиндра с помощью одной штанги. Штанги соседних ячеек могут быть повернуты между собой на некоторый угол, а штанги, расположенные через ячейку, находятся в одной плоскости. Величина угла поворота подбирается расчетным или экспериментальным путем и определяет полосу пропускания замедляющей системы. Размеры, форма и материал штанги выбираются, исходя из требуемых величин магнитного периода, значения амплитуды магнитного поля на оси, а также конструктивных и технологических соображений.The retardation system consists of connected cells (periods), each of which contains a segment of a cylinder and a span tube. The span tube is fixed to a segment of the cylinder with a single rod. The rods of adjacent cells can be rotated with each other at a certain angle, and the rods located through the cell are in the same plane. The value of the angle of rotation is selected by calculation or experimentally and determines the passband of the retarding system. The dimensions, shape and material of the rod are selected based on the required values of the magnetic period, the amplitude of the magnetic field on the axis, as well as structural and technological considerations.

Если связь входного и выходного резонаторов с коаксиальным трактом сделать емкостной (сделать зазор между пролетной трубкой и внутренним проводником коаксиала), а диаметр этих резонаторов увеличить по отношению к диаметру замедляющей системы таким образом, чтобы критическая длина волны коаксиально-волноводного перехода (входного и выходного резонаторов) равнялась критической длине волны прямоугольного волновода, работающего в том же диапазоне длин волн, то, во-первых, согласование можно производить, регулируя емкостной зазор между пролетной трубкой и внутренним проводником коаксиального тракта и, во-вторых, устраняется влияние близкого расположения критической длины волны на согласование в области длинных волн. Величина емкостного зазора зависит от полосы согласования замедляющей системы и подбирается расчетным или экспериментальным путем. Как следствие этого значительно упрощается задача получения хорошего согласования (КСВн≤1,5) в полосе пропускания замедляющей системы, превышающей 10%.If the coupling of the input and output resonators with the coaxial path is made capacitive (the gap between the span tube and the inner conductor of the coaxial is made), and the diameter of these resonators is increased with respect to the diameter of the delay system so that the critical wavelength of the coaxial waveguide transition (input and output resonators ) was equal to the critical wavelength of a rectangular waveguide operating in the same wavelength range, then, firstly, matching can be done by adjusting the capacitive gap between by the flying tube and the inner conductor of the coaxial path and, secondly, the influence of the proximity of the critical wavelength on matching in the region of long waves is eliminated. The value of the capacitive gap depends on the matching band of the retarding system and is selected by calculation or experimentally. As a consequence of this, the task of obtaining good coordination (VSWR ≤1.5) in the passband of a slowdown system in excess of 10% is greatly simplified.

Используя в ЛБВ дециметрового диапазона длин волн замедляющую систему типа «встречные штыри» с измененными входным и выходным резонаторами можно не только использовать МПФС на постоянных магнитах, что существенно улучшает массогабаритные характеристики и снижает энергопотребление ЛБВ дециметрового диапазона длин волн, но и увеличить рабочую полосу частот существенно больше 10%.Using in the TWT of the decimeter wavelength range a counterpropagating slow-wave system with modified input and output cavities, it is possible not only to use MPFS with permanent magnets, which significantly improves the weight and size characteristics and reduces the power consumption of the TWT of the decimeter wavelength range, but also significantly increases the operating frequency band more than 10%.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1. Лампа бегущей волны, в которой в качестве замедляющей системы использована замедляющая структура типа «встречные штыри».Figure 1. A traveling wave lamp, in which a “counter-pin” type deceleration structure is used as a decelerating system.

Фиг.2. Расчетная зависимость выходной мощности от частоты для мощной «прозрачной» ЛБВ с замедляющей системой типа «встречные штыри» и МПФС на постоянных магнитах.Figure 2. Estimated dependence of the output power on frequency for a powerful transparent TWT with a retardation system of the type of “opposing pins” and MPFS with permanent magnets.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Лампа бегущей волны, показанная на фиг.1, содержит следующие устройства:The traveling wave lamp shown in FIG. 1 contains the following devices:

- электронную пушку 1;- electronic gun 1;

- замедляющую систему типа «встречные штыри» 2;- a slowing down system like “counter pins” 2;

- магнитную систему 3;- magnetic system 3;

- коллектор 4;- collector 4;

- входной резонатор 5;- input resonator 5;

- коаксиальный ввод энергии 6;- coaxial input of energy 6;

- выходной резонатор 7;- output resonator 7;

- коаксиальный вывод энергии 8;- coaxial energy output 8;

- входное герметизирующее окно 9;- input sealing window 9;

- выходное герметизирующее окно 10.- outlet sealing window 10.

Электронный поток, который создается электронной пушкой (поз.1), распространяется вдоль замедляющей системы (поз.2) и взаимодействует с продольной составляющей электрического поля и продольным фокусирующим магнитным полем, создаваемым постоянными магнитами (поз.3). Электронный поток в процессе взаимодействия модулируется по скорости, что приводит к его модуляции по плотности. Благодаря длительному взаимодействию электромагнитного поля и электронного потока при их синхронном движении от входа замедляющей системы к выходу, растет мощность электромагнитной волны, а кинетическая энергия электронов уменьшается. В результате этого процесса происходит усиление входного СВЧ сигнала, подаваемого во входной резонатор (поз.5) со стороны коаксиального ввода энергии (поз.6). Вывод усиленного СВЧ сигнала осуществляется из выходного резонатора (поз.7) через коаксиальный вывод энергии (поз.8). Замедляющая система отделяется от СВЧ трактов с помощью герметизирующих диэлектрических перегородок (поз.9, 10). "Отработавший" электронный поток попадает в коллектор (поз.4), где остаточная кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию.The electron flux generated by the electron gun (pos. 1) propagates along the retardation system (pos. 2) and interacts with the longitudinal component of the electric field and the longitudinal focusing magnetic field created by the permanent magnets (pos. 3). The electron beam in the process of interaction is modulated in speed, which leads to its modulation in density. Due to the long-term interaction of the electromagnetic field and the electron beam during their synchronous movement from the input of the slowing system to the output, the power of the electromagnetic wave increases, and the kinetic energy of the electrons decreases. As a result of this process, the input microwave signal is amplified supplied to the input resonator (pos. 5) from the side of coaxial energy input (pos. 6). The amplified microwave signal is output from the output resonator (pos. 7) through the coaxial energy output (pos. 8). The retardation system is separated from the microwave paths using sealing dielectric partitions (keys 9, 10). The "spent" electron stream enters the collector (item 4), where the residual kinetic energy of the electrons is converted into thermal energy.

На фиг.2 показана расчетная зависимость выходной мощности от частоты для мощной «прозрачной» ЛБВ с замедляющей системой типа «встречные штыри» и МПФС на постоянных магнитах. Рабочий диапазон длин волн: 18-21 см (рабочая полоса длин волн относительно средней длины волны рабочего диапазона ~15,4%). Ускоряющее напряжение - 19 киловольт, ток пучка - 2,5 ампера, амплитуда магнитного поля на оси ~1000 гаусс, мощность входного сигнала ~200 ватт.Figure 2 shows the calculated dependence of the output power on frequency for a powerful "transparent" TWT with a retardation system of the type of "opposing pins" and MPPS with permanent magnets. Working wavelength range: 18-21 cm (working wavelength band relative to the average wavelength of the working range ~ 15.4%). The accelerating voltage is 19 kilovolts, the beam current is 2.5 amperes, the amplitude of the magnetic field on the axis is ~ 1000 gauss, and the input signal power is ~ 200 watts.

Результаты расчетов подтверждают работоспособность предложенной конструкции.The calculation results confirm the performance of the proposed design.

Claims (1)

Лампа бегущей волны, содержащая электронную пушку, замедляющую систему типа «встречные штыри», герметизирующие диэлектрические перегородки, отделяющие замедляющую систему от СВЧ-трактов, фокусирующую систему в виде цепочки постоянных магнитов и коллектор, отличающаяся тем, что между пролетными трубками входного и выходного резонаторов и внутренними проводниками коаксиальных трактов имеются емкостные зазоры, а диаметры этих резонаторов увеличены по отношению к диаметру замедляющей системы таким образом, чтобы критическая длина волны входного и выходного резонаторов равнялась критической длине волны прямоугольного волновода, работающего в том же диапазоне длин волн. A traveling-wave lamp containing an electron gun that slows down the oncoming pin type system, seals the dielectric walls, separates the slowdown system from the microwave paths, focuses the system in the form of a chain of permanent magnets and a collector, characterized in that between the passage tubes of the input and output resonators and there are capacitive gaps in the internal conductors of the coaxial paths, and the diameters of these resonators are increased with respect to the diameter of the slowdown system so that the critical wavelength The input and output resonators equaled the critical wavelength of a rectangular waveguide operating in the same wavelength range.

Images