RU2781157C1 - Delay system for a twt - Google Patents

Abstract

FIELD: electronics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electronic equipment, namely, to delay systems for high-power O-type broadband apparatus. Delay system for a TWT comprises a rectangular waveguide with a periodic structure along the central axis of conducting elements transverse to a common axis. A transient channel, two protrusions, and two coupling slots are made in each transverse element, and the elements are rotated relative to each other in the period by 90°. Each transverse element has N transient channels with hexagonal packing, wherein N is 7 or more, and each hexagonal protrusion only covers the transient channels. Additional protrusions are made on the wall of the waveguide opposite the hexagonal protrusion in the direction of the common axis of the system and the groove on the edges of the wall.

EFFECT: increase in the average and pulse output powers of an apparatus with a gain band of at least 16% and ensured good heat removal from the elements of the delay system.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к замедляющим системам для мощных широкополосных приборов О-типа.The invention relates to the field of electronic engineering, namely to retarding systems for powerful O-type broadband devices.

Известна замедляющая система типа цепочки связанных резонаторов для ЛБВ сантиметрового диапазона, содержащая волновод, периодически перегороженный одинаковыми диафрагмами, содержащими щели связи и каналы для пролета электронов. Она обеспечивает работу ЛБВ в полосе частот 20-30% при почти постоянном замедлении волны [Накрап И.А., Савин А.Н., Шараевский Ю.П. Моделирование широкополосных замедляющих систем типа цепочки связанных резонаторов с использованием планируемого эксперимента// Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51, №3. С. 333-340].A retarding system such as a chain of coupled resonators for TWTs of the centimeter range is known, containing a waveguide periodically blocked by identical diaphragms containing communication slots and channels for the passage of electrons. It ensures the operation of the TWT in the frequency band of 20-30% with an almost constant wave slowdown [Nakrap I.A., Savin A.N., Sharaevsky Yu.P. Simulation of broadband retarding systems such as a chain of coupled resonators using the planned experiment // Radio engineering and electronics. 2006. V. 51, No. 3. S. 333-340].

В известной замедляющей системе недостатком является настолько малое сопротивление связи, так что она практически не используется в ЛБВ.In the known retarding system, the disadvantage is that the resistance of the connection is so low, so that it is practically not used in the TWT.

Известна также замедляющая система, выполненная из двух гребенок, которые соединяются по их зубьям пайкой. В свободных концах зубьев, в боковых стенках гребенок и у их основания предварительно вырезаются пазы. При соединении гребенок пазы в свободных концах гребенок создают пролетный канал для электронного пучка, а пазы в боковых сторонах гребенок и у их основания - прорези связи между резонатора. Резонаторы и щели связи образуются после припаивания к гребенкам металлических крышек, которые служат вакуумной оболочкой.A retarding system is also known, made of two combs, which are connected by soldering along their teeth. Grooves are pre-cut in the free ends of the teeth, in the side walls of the combs and at their base. When the combs are connected, the grooves in the free ends of the combs create a transit channel for the electron beam, and the grooves in the sides of the combs and at their base create slots for coupling between the resonator. Resonators and coupling slots are formed after soldering metal covers to the combs, which serve as a vacuum shell.

Эта конструкция требует установки гребенок в оправки и их пайки, что приводит к большим погрешностям при изготовлении. Кроме того, из-за наличия спаев между гребенками и между гребенками и металлическими крышками вакуумной оболочки в ней высоки высокочастотные потери [Авторское свидетельство №1426332, МПК H01J 23/24].This design requires the installation of combs in mandrels and their soldering, which leads to large manufacturing errors. In addition, due to the presence of junctions between the combs and between the combs and metal covers of the vacuum shell, high-frequency losses are high in it [Author's certificate No. 1426332, IPC H01J 23/24].

Наиболее близкой к предлагаемой замедляющей системе является двухступенчатая лестничная схема с повторным входом (прототип) [B.G. James. US Pat. 4866343, Sep. 12, 1989, US C1, 315/3.5.].Closest to the proposed retarding system is a two-stage ladder circuit with re-entry (prototype) [B.G. James. US Pat. 4866343, Sep. 12, 1989, US C1, 315/3.5.].

В замедляющей системе вдоль оси периодически размещены пластины с пролетным каналом, у которых на противоположных концах выполнены прорези, причем в соседних пластинах эти прорези повернуты на 90°. Параллельно прорезям с каждой стороны пластины на все длине выполнен выступ, так что в пространстве между двумя соседними пластинами выступы оказываются повернутыми на 90°. Установленные вдоль оси ЗС пластины припаяны к боковым крышкам, служащим вакуумной оболочкой. В результате образуется цепочка связанных щелями резонаторов с перекрывающимися выступами внутри них.In the decelerating system, plates with a span channel are periodically placed along the axis, in which slots are made at opposite ends, and these slots are rotated by 90° in adjacent plates. Parallel to the slots on each side of the plate, a protrusion is made along the entire length, so that in the space between two adjacent plates, the protrusions are rotated by 90°. The plates installed along the SL axis are soldered to the side covers, which serve as a vacuum shell. As a result, a chain of slot-connected resonators with overlapping protrusions inside them is formed.

Недостатком такой системы является наличие длинных выступов на пластинах, которые увеличивают емкость резонаторов, что приводит к уменьшению поперечных размеров ЗС. Несоосность установки пластин вызывает нарушение периодичности ЗС, что приводит к ухудшению взаимодействия электронного пучка с электромагнитной волной и также снижает выходные характеристики лампы. Для уменьшения крутизны дисперсионной характеристики, при сохранении шага системы неизменным, резко уменьшается площадь поперечного сечения пластины, что приводит к ухудшению условий для охлаждения, при этом механические и теплоотводящие свойства пластин оказываются неудовлетворительными. Данную ЗС предпочтительно применять в ЛБВ-длинноволнового диапазона длин волн со средним уровнем мощности.The disadvantage of such a system is the presence of long protrusions on the plates, which increase the capacitance of the resonators, which leads to a decrease in the transverse dimensions of the SL. Misalignment of the plate installation causes a violation of the periodicity of the SL, which leads to a deterioration in the interaction of the electron beam with the electromagnetic wave and also reduces the output characteristics of the lamp. To reduce the steepness of the dispersion characteristic, while maintaining the step of the system unchanged, the cross-sectional area of the plate sharply decreases, which leads to a deterioration in the conditions for cooling, while the mechanical and heat-removing properties of the plates turn out to be unsatisfactory. This ZS is preferably used in the TWT-long-wavelength range of wavelengths with an average power level.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение средней и импульсной выходных мощностей прибора с полосой усиления не менее 16% и обеспечение хорошего отвода тепла от элементов замедляющей системы.The technical result of the invention is to increase the average and pulse output powers of the device with a gain band of at least 16% and ensure good heat removal from the elements of the slowing down system.

Технический результат достигается тем, что замедляющая система для ЛБВ содержит прямоугольный волновод с периодической структурой вдоль центральной оси из проводящих поперечных общей оси элементов. В каждом поперечном элементе выполнен пролетный канал, два выступа и две щели связи, и в периоде элементы повернуты относительно друг друга на 90°. Каждый поперечный элемент имеет N пролетных каналов с гексагональной упаковкой, где N от 7, а каждый выступ, выполненный шестигранным, охватывает только пролетные каналы. На стенке волновода напротив шестигранного выступа выполнены дополнительные выступы в направлении общей оси системы и проточки на краях этой стенки.The technical result is achieved by the fact that the slow-wave system for the TWT contains a rectangular waveguide with a periodic structure along the central axis of conductive elements transverse to the common axis. In each transverse element, a span channel, two protrusions and two connection slots are made, and in the period the elements are rotated relative to each other by 90°. Each transverse element has N span channels with hexagonal packing, where N is from 7, and each hexagonal ledge covers only span channels. On the wall of the waveguide, opposite the hexagonal protrusion, additional protrusions are made in the direction of the common axis of the system and grooves on the edges of this wall.

Технический эффект достигается тем, что пролетные каналы максимально плотно упакованы относительно оси системы, это увеличивает сопротивления связи в широкой полосе частот (не менее 16%). Наиболее плотной упаковкой одинаковых неперекрывающихся пролетных каналов является гексагональная упаковка с коэффициентом однородного заполнения 74.05%, что позволяет существенно минимизировать площадь рабочего зазора. В конструкцию ЗС также введены выступы в форме шестиугольника, которые расположены в пространстве электронного-волнового взаимодействия и выполняют функцию трубки дрейфа. Это обеспечивает более высокую концентрацию электрического поля и позволяет электронному пучку взаимодействовать с полем бегущей волны более эффективно. Уменьшение крутизны дисперсионной характеристики достигается за счет уменьшения емкости между соседними проводящими элементами, что в свою очередь определяет эффективную площадь рабочего зазора, на котором можно расположить от 7 и более пролетных каналов.The technical effect is achieved by the fact that the passage channels are packed as tightly as possible relative to the axis of the system, this increases the communication resistance in a wide frequency band (at least 16%). The most dense packing of identical non-overlapping span channels is a hexagonal packing with a uniform fill factor of 74.05%, which allows one to significantly minimize the working gap area. The AP design also includes hexagonal protrusions, which are located in the space of electron-wave interaction and perform the function of a drift tube. This provides a higher concentration of the electric field and allows the electron beam to interact with the field of the traveling wave more efficiently. Reducing the steepness of the dispersion characteristic is achieved by reducing the capacitance between adjacent conductive elements, which in turn determines the effective area of the working gap, on which 7 or more span channels can be located.

В каждом проводящем элементе имеются два диаметрально расположенных окна связи. Окна связи выполнены в виде двух симметрично расположенных щелей. Дополнительные выступы и проточки на краях узкой стенки волновода вносят изменение в участок щели связи, влияющий преимущественно на длинноволновую границу полосы. За счет дополнительного выступа и проточек площадь поперечного сечения щели вязи уменьшается и соответственно, снижается ее эквивалентная индуктивность, но средняя часть щели, влияющая на емкость, не изменяется. Таким образом можно смещать дисперсионную кривую вдоль частотного диапазона, подбирая высоту дополнительного выступа, при этом дисперсионная характеристика будет с мало изменяющимся замедлением в широкой полосе частот (не менее 16%), что обеспечит эффективное взаимодействие электронного пучка с электромагнитной волной и высокий уровень выходной импульсной мощности.Each conductive element has two diametrically spaced communication windows. Communication windows are made in the form of two symmetrically located slots. Additional protrusions and grooves on the edges of the narrow wall of the waveguide introduce a change in the section of the coupling slot, which mainly affects the long-wavelength boundary of the band. Due to the additional protrusion and grooves, the cross-sectional area of the ligature slot decreases and, accordingly, its equivalent inductance decreases, but the middle part of the slot, which affects the capacitance, does not change. Thus, it is possible to shift the dispersion curve along the frequency range, selecting the height of the additional protrusion, while the dispersion characteristic will be with a slightly changing slowdown in a wide frequency band (at least 16%), which will ensure effective interaction of the electron beam with an electromagnetic wave and a high level of output pulse power .

Взаимодействие электронного пучка осуществляется на пространственной гармонике 2 моды. Использование второй моды позволило увеличить период и выполнить поперечные элементы в виде толстых пластин, которые обеспечивают хороший теплоотвод, что в свою очередь позволяет работать ЛБВ с высокой средней мощностью.The interaction of the electron beam is carried out on the spatial harmonic of the 2nd mode. The use of the second mode made it possible to increase the period and make transverse elements in the form of thick plates, which provide good heat removal, which in turn allows the TWT to operate with a high average power.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемой замедляющей системы для ЛБВ, где:In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed slow-wave system for TWT, where:

- прямоугольный волновод 1,- rectangular waveguide 1,

- поперечный элемент 2,- cross member 2,

- пролетный канал 3,- passage channel 3,

- шестигранный выступ 4,- hexagonal protrusion 4,

- щель связи 5,- connection slot 5,

- стенка волновода 6,- waveguide wall 6,

- дополнительный выступ 7,- additional protrusion 7,

- проточка 8.- groove 8.

На фиг. 2 показана дисперсионная характеристика замедляющей системы для ЛБВ, где: U/U_ф - коэффициент замедления волны,In FIG. 2 shows the dispersion characteristic of the slowing down system for the TWT, where: U/U _f is the wave deceleration coefficient,

допустимая область рассинхронизма выделена.the admissible region of desynchronism is highlighted.

ПримерExample

Замедляющая система содержит прямоугольный волновод 1, выполненный из меди, размером 12.2×15 мм. Вдоль центральной оси волновода 1 периодически расположены проводящие элементы 2, выполненные из меди, толщиной 2 мм. Четырнадцать пролетных каналов 3 диаметром 1.5 мм расположены с гексагональной упаковкой на каждом проводящем элементе 2. С двух сторон проводящего элемента 2 выполнен медный выступ 4 шестиугольной формы толщиной 1.5 мм. В каждом проводящем элементе 2 имеются две диаметрально расположенные щели связи 5. На стенке волновода 6 выполнен дополнительный медный выступ 7 в направлении общей оси системы размером 6.2×1 мм и на краях стенки 6 выполнены проточки 8 размером 3×1 мм. Период замедляющей системы равен 14 мм.The retarding system contains a rectangular waveguide 1 made of copper, 12.2×15 mm in size. Conductive elements 2 made of copper, 2 mm thick, are periodically arranged along the central axis of the waveguide 1. Fourteen span channels 3 with a diameter of 1.5 mm are located with a hexagonal packing on each conductive element 2. On both sides of the conductive element 2, a copper protrusion 4 of a hexagonal shape 1.5 mm thick is made. Each conductive element 2 has two diametrically located coupling slots 5. An additional copper protrusion 7 is made on the wall of the waveguide 6 in the direction of the common axis of the system, 6.2 × 1 mm in size, and grooves 8 3 × 1 mm in size are made on the edges of the wall 6. The period of the slowing system is 14 mm.

Предлагаемая замедляющая система работает следующим образом.The proposed retarding system works as follows.

В ЛБВ через ввод энергии в замедляющую систему подается входная СВЧ-мощность. В замедляющей системе распространяется бегущая волна по периодическому волноводу 1 вдоль проводящих элементов 2. Электронные пучки проходят каждый через свой пролетный канал 3, расположенный в выступе 4 каждого проводящего элемента 2. Электрическое поле СВЧ-волны взаимодействует с проходящим вдоль замедляющей системы электронным потоком, усиливается за счет кинетической энергии электронного потока. Усиленная СВЧ-волна через вывод энергии поступает в полезную нагрузку. Эффект взаимодействия СВЧ-волны с электронным потоком осуществляется в определенной части полосы прозрачности замедляющей системы (рабочем диапазоне), который определяется щелями связи 5, дополнительными выступами 7 и проточками 8 на стенке волновода 6. В рабочем диапазоне ЛБВ скорость электронного потока приблизительно равна фазовой скорости СВЧ-волны, то есть выполняется условие синхронизма.In the TWT, through the input of energy, the input microwave power is supplied to the slow-wave system. In the retarding system, a traveling wave propagates along a periodic waveguide 1 along the conductive elements 2. The electron beams each pass through their transit channel 3 located in the protrusion 4 of each conductive element 2. The electric field of the microwave wave interacts with the electron flow passing along the retarding system, and is amplified by calculation of the kinetic energy of the electron beam. The amplified microwave wave enters the payload through the energy output. The effect of the interaction of the microwave wave with the electron flow is carried out in a certain part of the transparency band of the slowing system (working range), which is determined by the coupling slots 5, additional protrusions 7 and grooves 8 on the wall of the waveguide 6. In the operating range of the TWT, the electron flow velocity is approximately equal to the phase velocity of the microwave -waves, that is, the condition of synchronism is satisfied.

Предлагаемая конструкция замедляющей системы позволяет обеспечить необходимые условия теплового режима и увеличить выходную мощность до 24 кВт при скважности 8 для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн, усилением 17 дБ и КПД 28%, работающей в интервале рабочих напряжений 20-24 кВ в рабочей полосе частот 18%, что подтверждает дисперсионная характеристика замедляющей системы, показанная на фиг. 2.The proposed design of the retarding system makes it possible to provide the necessary conditions for thermal conditions and increase the output power up to 24 kW with a duty cycle of 8 for TWT in the centimeter wavelength range, with a gain of 17 dB and an efficiency of 28%, operating in the operating voltage range of 20-24 kV in an operating frequency band of 18% , which is confirmed by the dispersion characteristic of the slow-wave system shown in Fig. 2.

Claims (1)

Замедляющая система для ЛБВ, содержащая прямоугольный волновод с периодической структурой вдоль центральной оси из проводящих поперечных общей оси элементов, в каждом поперечном элементе выполнен пролетный канал, два выступа и две щели связи, и в периоде элементы повернуты относительно друг друга на 90°, отличающаяся тем, что каждый поперечный элемент имеет N пролетных каналов с гексагональной упаковкой, где N от 7, а каждый выступ, выполненный шестигранным, охватывает только пролетные каналы, на стенке волновода напротив шестигранного выступа выполнены дополнительные выступы в направлении общей оси системы и проточки на краях этой стенки.Slow-wave system for TWT, containing a rectangular waveguide with a periodic structure along the central axis of conducting elements transverse to the common axis, each transverse element has a span channel, two protrusions and two coupling slots, and in the period the elements are rotated relative to each other by 90°, characterized in that that each transverse element has N span channels with hexagonal packing, where N is from 7, and each hexagonal protrusion covers only span channels, on the waveguide wall opposite the hexagonal protrusion, additional protrusions are made in the direction of the common axis of the system and grooves on the edges of this wall .

Images