автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Высокопервеансные электронно-оптические системы с сеточным формированием электронного потока для ламп бегущей волны сантиметрового диапазона

Введение.

Глава 1. Формирование высокопервеансного электронного потока в ЭОС мощных ЛБВ.

1.1. Анализ возможностей повышения первеанса электронных пушек со сходящимся потоком.

1.2. Выбор оптимальной конфигурации сеточных структур.

1.3. Методика и рекомендации по проектированию электронных пушек с высоким первеансом.

1.4. .Высокопервеансная электронная пушка со сферическими катодом, теневой, управляющей и анодной сетками

1.5. Высокопервеансная электронная пушка с тороидальными катодом, теневой, управляющей сетками и сферической анодной сеткой.

1.6 Экспериментальные исследования высокопервеансных электронных пушек для приборов сантиметрового диапазона.

1.7. Высокопервеансная электронная пушка с катодом, теневой и анодной сетками.

1.8. Эволюция структуры электронного потока за анодом высокопер-.веансныхЭОС.

1.9. Вольтамперные характеристики высокопервеансных ЭОС.

1.10. Выводы.

Глава 2. Исследование магнитной фокусировки высокопервеансного электронного потока в ЛБВ.

2.1. Провисание потенциала в поперечном сечении пролётного канала ЭОС с высокопервеансным потоком.

2.2. Фокусировка высокопервеансного аксиально-симметричного сплошного цилиндрического потока магнитным полем МПФС.

2.3. МПФС с несинусоидальным распределением магнитного поля.

2.4. Повышение токопрохождения в мощных ЛБВ с МПФС.

2.5. Структура высокопервеансного электронного потока в МПФС.

2.6. Выводы. ф

Глава. 3. Исследование возможности создания мощных сантиметровых высокопервеансных ЛБВ и перспективы увеличения первеанса

СВЧ усилителей в коротковолновом диапазоне длин волн.

3.1. Анализ связи первеанса с основными характеристиками и параметрами ЛБВ.

3.2. Снижение модулирующих напряжений электронной пушки.

3.3. Выбор типа ЗС для высокопервеансных ЛБВ.

3.4. Высокопервеансные ЛБВ со спиральной ЗС.

3.5. Высокопервеансные ЛБВ с ЗС «кольцо-стержень».

3.6. .Исследование возможности повышения технического КПД мощных ЛБВ с высокопервеансными ЭОС.

3.7. Конструктивные особенности мощных импульсных высокопервеансных ЛБВ.

3.8. Перспективы создания мощной высокопервеансной ЛБВ в диапазоне 10 ГГц.

3.9. Выводы.

В настоящее время продолжается совершенствование различных радиотехнических устройств для радиолокации, связи и навигации, которое выдвигает ряд специальных требований к применяемым в них вакуумным сверхвысокочастотным (СВЧ) приборам. В частности важнейшими становятся требования по миниатюризации, мобильности и многофункциональности, включающие в себя улучшение выходных параметров, снижение габаритов и массы СВЧ приборов.

Анализ параметров и конструкций электровакуумных приборов (ЭВП) СВЧ показывает, что одним из обязательных условий уменьшения их габаритов и массы является снижение рабочего напряжения. При сохранении выходных мощностных параметров это равносильно увеличению первеанса электронно-оптической системы (ЭОС) ЭВП. В случае сохранения рабочего напряжения увеличение первеанса равносильно увеличению мощности и усиления ЭВП.

Актуальность проблемы

Актуальность научных исследований, направленных на миниатюризацию СВЧ изделий была впервые отмечена в 70-х годах прошлого столетия в работах М.Б. Голанта, С.И. Реброва и других авторов [1-4]. В них указывалось, что основным условием решения поставленной задачи является поиск новых физических принципов и технических решений, обеспечивающих снижение рабочего напряжения и увеличение коэффициента полезного действия (КПД) СВЧ изделий при сохранении их выходных электрических параметров.

Многочисленные исследования по оптимизации выходных параметров СВЧ изделий с протяжёнными электронными потоками, миниатюризации изделий и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), показывают, что существенные успехи в этом направлении возможны при увеличении первеанса ЭОС СВЧ ЭВП.

Наиболее широкое применение в промышленном производстве мощных ламп бегущей волны О-типа (ЛБВ) непрерывного и импульсного действия нашли ЭОС, формирующие сплошные цилиндрические электронные потоки с умеренным значением первеанса(до 2-Ю'6 А/В3/2).

Поэтому для СВЧ приборов О-типа задача уменьшения массогабаритных характеристик сводится к разработке ЭОС, способных формировать электронные потоки с первеансом существенно выше, чем в наиболее распространённых электронных пушках Пирса со сферическим катодом [5].

Большой вклад в развитие теории и практики проектирования ЭОС, формирующих интенсивные электронные потоки внесли зарубежные и отечественные учёные и инженеры: Д. Пирс (J. Pierce), П. Кирштейн (P. Kirstein), Г. Кайно (G. Kino), Д. Петилло (J. Petillo), Е. Нельсон (Е. Nelson), М. Мюллер (М. Miiller), Д. Хехтель (J. Hechtel), Д. Эберс (J. Ebers), Р. Тру (R. True), Г. Брюер (G. Brewer), Д. Мендель (J. Mendel), Г. Мирам (G. Miram), И.В. Алямовский, Ю.А. Григорьев, Ю.А. Калинин, С.И. Молоковский, С.П. Морев, П.В. Невский, В.Т. Овчаров, В.В. Пензяков, Б.С. Правдин, А.Д. Сушков, В.Н. Усов, а также многие другие авторы [5-25].

В результате многочисленных научных исследований были подробно изучены способы реализации высокопервеансных электронных потоков в многолучевых ЭОС, магнетронно-инжекторных пушках, пушках с продольной компрессией электронного пучка, а также в электронных пушках, формирующих ленточные и.трубчатые электронные потоки. »

Рассмотрим более подробно основные преимущества и недостатки известных к настоящему времени конструкций высокопервеансных ЭОС с протяжённым электронным потоком и выясним причины затруднений их использования в ЛБВ с одним пролётным каналом, так как именно такие приборы наиболее просты и технологичны в промышленном производстве, надёжны и долговечны в эксплуатации, и поэтому получили широкое распространение.

Многолучевые ЭОС. Как известно в мощных клистронах и ЛБВ используются многолучевые ЭОС с суммарным микропервеансом электронного потока 5. Л5 мкА/В . в сочетании с-относительно узкополосными замедляющими системами (ЗС) типа «цепочка связанных резонаторов» (ЦСР). При этом реализуется снижение рабочего • напряжения, расширение рабочей полосы частот, снижение габаритов и массы ЭВП СВЧ и РЭА [26].

Методика расчёта многолучевых ЭОС основана на предположении об отсутствии взаимодействия между парциальными пучками и на идентичности взаимодействия парциальных пучков с высокочастотными (ВЧ) полями, так как каждый пучок имеет свой пролётный канал. Взаимодействие парциальных пучков становится заметным при микропервеансе каждого пучка более 0,7

If} мкА/В , поэтому его величина в многолучевых ЭОС обычно менее 0,1.0,6

Х/'У мкА/В [27]. При одинаковых значениях суммарного тока и равных ускоряющих напряжениях, ЭОС с К пучками требует для формирования электронного потока магнитное поле в 4к раз меньше, чем однолучевая ЭОС. Масса магнитной фокусирующей системы (МФС) при этом снижается также в 4к раз. Наилучшее токопрохождение может быть получено при полном погружении всей ЭОС в сильное однородное продольное магнитное поле. Дальнейшее снижение массы МФС удаётся достичь при использовании реверсной фокусировки и применения радиально-намагниченных самариево-кобальтовых магнитов.

Ток в многолучевых ЭОС с плоскими катодами ограничен плотностью токоотбора с каждого элементарного катода. При экранировке катодов от магнитного поля ток парциальных пучков можно увеличить путём применения сферических или эллиптических эмиттерных ячеек, либо осуществлением сходимости парциальных пучков управляющим электродом [27].

В ЛБВ необходимый для многолучевой ЭОС ВЧ пакет можно реализовать при использовании ЗС ЦСР. В дециметровом (ДМ) диапазоне размеры ЗС ЦСР настолько велики, что применение компактных МФС затруднительно. Использование магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС) с полюсными наконечниками, являющимися элементами ЗС, допускает реализацию многолучевой ЭОС в мощных ЛБВ сантиметрового (СМ) диапазона [28,29].

Работы, направленные на увеличение мощности спиральных широкополосных ЛБВ путём создания многолучевых приборов с ЗС, состоящей из двух и более спиралей, заключённых в одном пространстве взаимодействия, показали, что свойства таких систем обеспечивают необходимое взаимодействие СВЧ поля с пучком лишь при значительном удалении спиралей друг от друга. При этом увеличиваются поперечные размеры ЛБВ и масса МФС [30].

Таким образом, идея применения многолучевой электронной оптики хотя и является рациональным конструктивным решением, но не может быть реализована в целях увеличения выходной мощности, снижения рабочего напряжения, габаритов и массы ЛБВ с одним пролётным каналом.

ЭОС с трубчатым пучком. Известно, что в ЭОС с трубчатым цилиндрическим пучком также может быть реализован первеанс пучка, существенно превышающий первеанс ЭОС с электронной пушкой Пирса. Полый пучок имеет меньшее провисание потенциала в потоке и меньший уровень ионных шумов, чем сплошной пучок. Кроме того, он обладает преимуществами с точки зрения взаимодействия с ВЧ волной (обеспечивает максимальный переход энергии поля в ВЧ энергию на минимальной длине взаимодействия).

Для формирования полых пучков разработано множество конструкций электронных пушек и методик их расчёта. Основные типы электронных пушек для формирования полых потоков: электростатическая пушка Пирса, свернутая в кольцо; магнетронно-инжекторная пушка; тороидальная пушка Гарриса; сферическая пушка Тренёвой и магнитоограниченная пушка с плоским кольцевым катодом. На практике чаще всего используются первые два типа пушек [31].

Общим недостатком электростатических электронных пушек, принципиально сдерживающим повышение их первеанса, является ограниченность пространства, занимаемого катодом. Дальнейшее увеличение микропервеанса вплоть до нескольких десятков единиц связано с использованием магнетронно-инжекторных пушек с развитой поверхностью катода, находящегося в продольном магнитном поле. Благодаря этому обеспечивается большая компрессия потока и высокие значения первеанса. Однако их применение ограничивается значительными шумовыми свойствами потока, создаваемого пушкой, трудностью формирования пучка с большой степенью сходимости и сложностью конструкции. Поэтому ЛБВ с такими пушками, как правило, имеют ограниченное применение и используются в стационарной аппаратуре [31].

При сопровождении протяжённого полого потока в магнитном поле может наблюдаться неустойчивость его пространственной структуры [17]. Для получения устойчивого потока требуется, чтобы в области катода величина магнитного поля была не менее 80% от его уровня в пролётном канале [32, 33]. Практически это реализуется при использовании соленоида или постоянного магнита. Однако МФС имеет большую массу и потребляет много энергии.

S '

Формирование полого пучка электронными пушками частично или полностью экранированными от магнитного поля - сложная задача, связанная с формированием устойчивой внутренней границы электронного потока. В этом случае необходимо предварительное закручивание пучка, либо помещение на оси системы дополнительного электрода (штыря) [17, 32].

В длинноволновой чарти ДМ диапазона длин волн создание мощной спиральной ЛБВО с трубчатым пучком с электронной пушкой с плоским кольцевым катодом, полностью погружённом в однородное магнитное поле соленоида не представляет сложностей. Однако создание высокопервеансной ЭОС труб-• * чатым потоком для ЛБВ СМ и более коротковолнового диапазона длин волн затруднительно из-за малых поперечных размеров электродов электронной пушки, ограничений по удельной эмиссионной способности катода и сложности замены соленоида на малогабаритную МПФС. Поэтому применение полых пучков обосновано в приборах с большим радиусом пролётного канала.

Спиральная ЗС и её модификации не допускают размещения внутри пролётного канала металлических электродов для стабилизации внутренней границы потока, а указанные способы ввода пучка в магнитное поле трудновыполнимы, поэтому ЭОС с полым пучком не нашли широкого применения в усилительных ЛБВ с одним пролётным каналом.

ЭОС с продольной компрессией электронного потока. В электронных пушках Пирса действие анодной линзы приводит к ослаблению поля и уменьшению плотности тока в центральной части катода. Это действие можно уменьшить, располагая перед анодом дополнительный электрод с более высоким потенциалом. Один из способов реализации высокопервеансного сплошного аксиально-симметричного потока - это применение в традиционной пушке со сходящимся сплошным аксиально-симметричным пучком двух анодов. Такая пушка позволяет сформировать с помощью первого анода электронный пул/л чок с микропервеансом до 2 мкА/В и затем путём его торможения между первым и вторым анодом (продольная компрессия) повысить в несколько раз пер-веанс пучка в пролётном канале [34]. При этом необходимо, чтобы потенциал первого анода был существенно выше, чем потенциал ЗС. Такой путь действительно позволяет улучшить массогабаритные параметры ЛБВ. Однако объём и масса СВЧ аппаратуры при этом не уменьшается, так как требуется дополнительный источник питания высоковольтного первого анода. Кроме того, конструктивно сложно обеспечить изоляцию высоковольтного анода. Поэтому этот метод на практике обычно не используется.

ЭОС с пушкой Пирса с увеличенной компрессией. Известны попытки увеличения первеанса пушки Пирса за счёт существенного увеличения сходимости (компрессии) пучка путём изменения формы фокусирующих электродов с целью улучшения распределения потенциала в прикатодной области. Для этого катоду необходимо придать форму одной из эквипотенциальных поверхностей, что усложняет форму эмиссионной поверхности катода [8].

М. Miiller, G. Brewer, J. Ebers, R. Hechtel исследовали возможности повышения микропервеанса пушки Пирса с увеличенной компрессией до 4 мкА/В путём компенсации влияния анодного отверстия дополнительным анодом, концентрирующим электродом с отрицательным потенциалом или изменением формы катода [5, 6, 8, 10, 12, 17]. Однако исследования не привели к положительным результатам. Из-за эффектов неламинарности реальный контур пучка существенно отличается от расчётного. Возникающие при этом аберрации и трудности согласования потока с магнитным полем не способствовали широкому практическому применению таких решений.

Итак, магнетронно-инжекторные пушки формируют пучок с повышенной шумностью, пушкам с продольной компрессией необходим высоковольтный источник для питания первого анода, полые пучки требуют для сопровождения постоянное магнитное поле и центральный проводник, а многолучевые пучки в одном канале не сохраняют своей структуры на большой длине. Ленточный пучок прямоугольного сечения может быть применён в ЭВП лишь с очень малой толщиной из-за значительного смещения друг относительно друга его слоёв [6].

Таким образом, анализ известных конструкций высокопервеансных ЭОС показывает, что они не могут быть взяты за основу при проектировании мощных коротковолновых ЛБВ с ЗС типа спирали, «кольцо-стержень» и их модификаций с одним пролётным каналом.

В настоящее время неуклонно расширяется сфера применения мощных ЛБВ с низковольтной модуляцией [35, 36]. Поэтому разработка и исследование свойств новых конструкций высокопервеансных ЭОС для ЛБВ сантиметрового диапазона, отличающихся высоким уровнем выходной СВЧ мощности, низкими рабочими напряжениями и малыми габаритами и массой, является актуальной задачей современной вакуумной СВЧ электроники.

Цель и основные задачи диссертационного исследования

Целью работы является исследование свойств высокопервеансных ЭОС для мощных широкополосных ЛБВ импульсного и непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн; анализ влияния увеличения первеанса на электрические и массогабаритные характеристики приборов.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

• исследование возможностей формирования высокопервеансного пучка в ЭОС электродами, расположенными внутри области, занятой электронным, потоком;

• анализ фокусировки высокопервеансного потока магнитным полем в пролётном канале с учётом значительной величины пространственного заряда;

• теоретический анализ и экспериментальные исследования электрических и массогабаритных характеристик мощных широкополосных ЛБВ с вы-сокопервеансными ЭОС и определение перспективности их применения в сантиметровом диапазоне длин волн.

Методы и средства исследования . В работе использованы методы математического моделирования высокопервеансных ЭОС на ЭВМ по двумерной и трёхмерной моделям электронного потока, анализа взаимодействия сгруппированного электронного потока с СВЧ полем бегущей волны по одномерной и двумерной нелинейной моделям, методы масштабного моделирования ЭОС, экспериментальные методы исследования и оптимизации основных параметров высокопервеансных электронных пушек и ЭОС на макетах и приборах, а также методы физического эксперимента (диафрагмы с малым отверстием) для изучения структуры и прямого измерения распределения плотности тока в электронных потоках при наличии и в отсутствии-внешних фокусирующих магнитных полей.

Научная новизна:

1. Предложены и исследованы высокопервеансные ЭОС для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн, обеспечивающие микропервеанс более 4,5 мкА/В , которые позволяют существенно снизить рабочие напряжения, повысить электронный КПД, расширить полосу усиливаемых частот и уменьшить габариты и массу приборов и радиоаппаратуры в целом.

2. Теоретически и экспериментально исследованы свойства высокопервеансного электронного потока в электронных пушках со сферическими катодом, теневой и анодной сетками и с тороидальными катодом, теневой сеткой и сферической анодной сеткой. Установлено, что оптимальной является вторая конструкция пушки, в которой при микропервеансе до 4,5 мкА/В3/2 число ячеек анодной сетки следует выбирать равным 6 или 8, а при микропервеансе до 10 мкА/В3/2 — 12 или 16. 3. . Экспериментально на макете пушки с двумя сетками получены значения микропервеанса от 10 до 23 мкА/В при диаметре пучка в кроссовере от 2 до 6 мм. Исследованы распределения плотности тока в поперечном сечении на различных расстояниях за анодной сеткой. Электронный поток трансформируется из многоструйного в сплошной аксиально-симметричный на расстоянии 1,5.2 диаметра пролётного канала.

4. Показано, что в высокопервеансной электронной пушке с управляющей сеткой наблюдается низкая чувствительность траекторий электронов к изменению напряжения на управляющей сетке, что снижает токооседание на электроды ЭОС. Это объясняется более слабой зависимостью распределения потенциала между катодом и анодом от тока пучка в пушках с анодной сеткой по сравнению с пушкой Пирса. В результате становится возможным использование таких пушек в условиях многорежимной работы ЛБВ.

5. Установлено, что увеличение первеанса вызывает необходимость увеличения амплитуды магнитного поля и уменьшения периода МПФС для сохранения величины параметра магнитного поля, что приводит к уменьшению амплитуды и периода пульсаций границы пучка.

6. Получены выражения для вычисления продольной и поперечной компонент магнитного поля МГТФС с полюсными наконечниками и кольцевой вставкой для обеспечения несинусоидального распределения магнитного поля.

7. Экспериментально исследованы зависимости магнитного поля в макетах МПФС с синусоидальным и несинусоидальным распределением при малых диаметрах пролётного канала. Получено выражение для вычисления погрешности измерения магнитного поля с помощью датчика Холла.

8. Экспериментально исследована структура электронных потоков с пру микропервеансом свыше 4,5 мкА/В в МПФС в поперечном и продольном направлениях для ряда диаметров пролётного канала.

9. В результате проведённого анализа связи микропервеанса с основными параметрами ЛБВ установлено, что при его увеличении в 4 раза (с 1,5 мкА/В до 6 мкА/В ) возможно снижение ускоряющего напряжения ЛБВ на 39%, массы на 42%, длины на 50%, увеличение электронного КПД с 14. 17% до 25.30% и, соответственно, выходной мощности. 10.- Экспериментально показано, что применение дополнительных радиальных и кольцевых перемычек в теневой и управляющей сетках, а также оптимизация межэлектродных расстояний в высокопервеансной электронной пушке позволяют снизить запирающее напряжение на 40%, а напряжение превышения более чем на 50%.

11. Экспериментально подтверждена возможность расширения рабочей полосы частот ЛБВ со спиральной ЗС без использования специальных мер управления дисперсией до 1,5 октавы, а ЛБВ с ЗС «кольцо-стержень» с 15% до 50.60% в результате применения ЭОС с микропервеансом 5 мкА/В3/2. Практическая значимость

Результаты проведённых исследований высокопервеансных ЭОС и предложенные научно-технические решения позволяют обеспечить создание высокоэффективных мощных импульсных и непрерывных ЛБВ в сантиметровом диапазоне длин волн для наземных и бортовых радиолокационных станций (РЛС) нового поколения и других применений.

Обоснована возможность разработки мощных низковольтных однолуче-вых ЛБВ с термокатодами в коротковолновом диапазоне длин волн с магнитной фокусировкой и низковольтным управлением, превосходящих по совокупности параметров современные ЛБВ. Эффективность таких ЛБВ может быть охарактеризована отношением произведения выходной импульсной или непрерывной мощности на рабочую полосу к произведению рабочего напряжения на среднюю частоту и на массу ЛБВ величиной Рвых.-(/в. ~ ' fcp.'M = (0,02.0,06) Вт/{В-кг) вместо типичной для ЛБВ с пушкой Пирса величины (0,003.0,007) Вт/(В-кг), то есть в 6.9 раз большей.

Достоверность полученных результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается корректностью применяемых теоретических методов исследований и подтверждается полученными экспериментальными результатами исследований высокопервеансных ЭОС и макетов мощных ЛБВ на их основе.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Электронные пушки со сходящимся электронным потоком, прика-тодной теневой сеткой и расположенной в её тени анодной сеткой, позволяют получить цилиндрический сплошной поток за анодной сеткой на расстоянии 1,5.2 диаметра пролётного канала с микропервеансом 4.20 мкА/В для приборов сантиметрового диапазона длин волн.

2. Оптимальной конструкцией высокопервеансной электронной пушки является пушка с тороидальными катодом и теневой сеткой, сферической

-у/1} анодной сеткой. При микропервеансе до 4,5 мкА/В оптимальное количество

•у/1} ячеек анодной сетки - 6, 8, а при микропервеансе до 10 мкАУВ - 12, 16.

3. Применение высокопервеансных ЭОС в однолучевых ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн позволяет снизить ускоряющее напряжение, увеличить параметр усиления Пирса до значений 0,15.0,25, и, соответственно, электронный КПД до 25.30%, усиление на единицу электрической длины пространства взаимодействия в 2.5 раз, и расширить рабочую полосу частот спиральных ЛБВ до полутора октав без применения специальных мер управления дисперсией и ЛБВ с ЗС «кольцо-стержень» до 50.60%.

4. Результаты исследования особенностей фокусировки высокопервеансных электронных потоков в МПФС с учётом снижения продольной скорости электронов под действием пространственного заряда и перехода части энергии пучка во вращательное движение в фокусирующем магнитном поле.

Реализация результатов

Результаты работы используются в НИР и ОКР, проводимых в НПЦ «Электронные системы» ФГУП «НЛП «Алмаз» (г. Саратов). Конструкции высокопервеансных ЭОС применяются при разработке новых мощных ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн.

Апробация работы

Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2004)» (г. Саратов, СГТУ, 2004 г.), 5-ой Международной конференции IVESC-2004 (г. Пекин, Китай, 2004 г.), Всероссийском конкурсе среди учащейся молодежи высших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по естественным, техническим наукам и инновационным научно-образовательным проектам в сфере приоритетных направлений науки и техники (г. Саратов, СГТУ, 2004 г.), Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (г. Саратов, СГТУ, 2005 г.), Седьмом Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (г. Москва, ФГУП «НПО «Орион», 2005 г.), XIII Зимней школе-семинаре по СВЧ электронике и радиофизике (г. Саратов, 2006 г.), а также на научных семинарах кафедры «Электротехника и электроника» СГТУ.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах.

Структура и объём диссертации

I 4

Диссертация общим объёмом 168 страниц состоит из введения, трёх глав с выводами, заключения и содержит 75 рисунков, 7 таблиц, список использованной литературы из 103 наименований.

Основные результаты и выводы диссертационной работы заключаются в следующем: 1

1. Предложены и исследованы высокопервеансные ЭОС для ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн (обеспечивающие микропервеанс

4.20 мкА/В ), которые снимают существующие ограничения по величине первеанса, и тем самым создают перспективу для разработки нового поколения высокоэффективных импульсных и непрерывных ЭВП СВЧ О-типа, характеризующихся существенно меньшими рабочими напряжениями, повышенным электронным КПД, расширенной полосой усиливаемых частот, сниженными габаритами и массой.

2. Экспериментально подтвержден способ получения сплошных высокопервеансных протяжённых электронных потоков для мощных ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн в ЭОС с теневой и анодной сетками.

3. Исследованы три вида конструкций высокопервеансных ЭОС: со сферической формой катода, теневой, управляющей и анодной сеток, с тороидальной формой катода, теневой и управляющей сеток и сферической анодной сеткой и конструкция ЭОС без управляющей сетки, предназначенные для использования в сантиметровых ЛБВ как импульсного, так и непрерывного действия. Выявлены преимущества и недостатки каждой из конструкций, определяющие сферу их применения.

4. Исследованы структуры высокопервеансных электронных потоков и процессы формирования, фокусировки и взаимодействия с СВЧ полем в однолуче-вых ЛБВ.

5. Методом математического моделирования по одномерной и двумерной программам расчёта ЛБВ и экспериментально исследованы конструкции и выходные характеристики мощных импульсных высокопервеансных ЛБВ со спиральной ЗС и ЗС «кольцо-стержень». Теоретически показана возможность создания мощных ЛБВ в диапазоне 8.12 ГГц с выходной импульсной мощностью не менее 15 кВт при микропервеансе ЭОС 4. .5 мкА/В .

6. Применение высокопервеансных ЭОС в однолучевых ЛБВ сантиметрового диапазона позволяет увеличить параметр усиления Пирса до значений 0,15.0,25, что вызывает рост электронного КПД до 25.30% и усиления на единицу электрической длины пространства взаимодействия ЛБВ в 2.5 раз, приводит к расширению рабочей полосы спиральных ЛБВ до полутора октав без введения азимутальных неоднородностей в пространство взаимодействия и к расширению с 15.20% до 50.60% рабочей полосы ЛБВ с ЗС «кольцо-стержень».

7. Проведённые исследования показывают целесообразность и практическую возможность применения высокопервеансных ЭОС в мощных ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн для достижения существенно более высоких импульсной и средней мощностей, чем в настоящее время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Scott A. Miniature TWT's that fit inside X-band waveguide / A. Scott // Microwave Journal. 1971. - V. 14, N 5. - P. 53 - 54, 56, 57.

2. Hechtel J. Analysis of non-laminar electron beams for high-power microwave Tube / J. Hechtel // In: Int. Electron Dev. Meeting Washington D.C. - 1974. -Pi 197-200.

3. Heil О. A new wide-range, high-frequency oscillator / O. Heil, J. Ebers // Proc. IRE. 1950. - V. 38, N 6. - P. 645 - 650.

4. True R. PPM focusing a 4 microperv beam from a gridded gun / R. True // Proc. Sixth Intern. Vacuum Electronics Conf. (IVEC2005). Noordwijk, 2005. - P. 475-476.

5. Brewer G. The formation of the beams with large current density / G. Brewer // Journal Appl. Phys. 1957. - V. 28, N 1. - P. 7 - 15.

6. Kino G. New Rf design of high perveance guns / D. Colburn, K. Harker, G. Kino // Proc. 4-th Intern. Cong, on Microwave Tubes. The Hague, Holland Publ. Co., Eindhoven. - 1963. - P. 572.

7. Mendel J. Electron beam focusing with periodic permanent magnetic fields / J. Mendel, C. Quate, W. Yocom // Proc. IRE. 1954. - V. 42, N 5. - P. 800 - 810.

8. Confined flow multiple beam .guns for high power Rf applications / L. Ives, G.i

9. Miram, D. Marsden, M. Mizuhara, T. Robinson, J. Guevara // Proc. Intern. Vacuum Electronics Conf. (IVEC2003). 2003. - P. 272 - 274.

10. Овчаров B.T. Теория формирования электронных пучков / В.Т. Овчаров // Радиотехника и электроника. 1957. - Т. 2, № 6. - С. 696 - 704.

11. Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки / И.В. Алямов-ский. М.: Сов. радио, .1966. - 456 с.

12. Молоковский С.И. Интенсивные электронные и ионные пучки / С.И. Мо-локовский, А.Д. Сушков. Л.: Энергия, 1972. - 271 с.

13. Расчёт и экспериментальное исследование электростатических электрон-tных пушек, рассчитанных методом синтеза / П.В. Невский, Г.Г. Смолярен-ко, А.Я. Федотова, В.А. Хромов // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1969. - Вып. 10. - С. 81 - 87.

14. Пензяков В.В. Расчёт электронных пушек на электронных цифровых машинах / В.В. Пензяков // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. -1966.-Вып. 1.-С. 41 -49.

15. Синтез и анализ электронно-оптических систем приборов типа «О» / Ю.А. Григорьев, В.В. Пензяков, Г.А. Рехен, В.И. Роговин // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ «Электроника», 1975. -Вып. 6(303).-72 с.

16. Григорьев Ю.А. Электронно-оптические системы с сеточным управлением

17. Ю.А. Григорьев, Б.С. Правдин, В.И. Шестеркин // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ «Электроника», 1987. -Вып. 7(1264).-71 с.

18. Калинин Ю.А. Экспериментальное исследование структуры электронного пучка в ЛБВО / Ю.А. Калинин. В кн.: Лекции по электронике СВЧ (2-я зимняя школа-семинар инженеров). Кн. VI. - Саратов: Изд-во СГУ, 1972. -С. 208-262.

19. П.В. Невский. Основные проблемы электронной оптики многолучевых электронных потоков и их решение / П.В. Невский // Прикладная физика.1998.-№3-4.-С. 45-51.

20. Экспериментальное исследование многолучевой электронной пушки в магнитном поле / Г.П. Егоров, С.В. Королёв, Г.В. Курилов и др. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1974. - Вып. 9. - С. 87 - 92.

21. Тараненко З.И. Замедляющие системы / З.И. Тараненко, Я.К. Трохименко. Киев: Техника, 1965. - 307 с.

22. Ищенко А.И. Анализ магнитных фокусирующих систем для многолучевых ,ЛБВ О-типа / А.И. Ищенко, В.А. Кожушный, В.И. Часнык // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1975. - Т. XVIII, № 10. - С. 50 - 55.

23. Scherba М. Multi-beams TWT's: tommorow's tubes today / M. Scherba // Microwaves. 1974.-V. 13, N9.-P. 50-52, 54, 56.

24. Бахрах Л.Э. К вопросу о фокусировке полого цилиндрического электронного потока в продольном магнитном поле / Л.Э. Бахрах, И.Ш. Козель // Радиотехника и электроника. 1958. - Т. III, № 6. - С. 819 - 825.

25. Ильюшин В.Д. Устойчивость внутренней структуры трубчатых электронных потоков / В.Д. Ильюшин, Л.А. Сапрынская // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1977. - Вып. 1. - С. 98 - 100.

26. Зинченко М.С. Курс лекций по электронной оптике / М.С. Зинченко. -Харьков: Изд-во Харьковского гос. университета, 1961.-363 с.

27. Бушуев Н.А. Комплексирование основа повышения эффективности Электронной СВЧ компонентной базы / Н.А. Бушуев // Электронная промышленность: проблемы управления и развития. - 2005, №4. - С. 30 - 32.

28. Канащенков А.И. Электронные СВЧ компоненты - база настоящих и будущих радиолокационных систем / А.И. Канащенков, В.В. Копылов, В.Я. Рогов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2003, № 7. - С. 26 - 29.

29. Олейников В.И. Программа синтеза трёхмерных электронных пушек О, типа, формирующих криволинейные эллиптические в сечении пучки / В.И.

30. Олейников // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1978. -Вып. 7.-С. 122-124.

31. Комплекс программ для проектирования на ЭВМ электронных пушек с се1.'точным управлением / А.И. Петросян, В.Д. Журавлева, В.В. Пензяков, В.И. Роговин // Прикладная физика. 2002. - № 3. - С. 127- 133.

32. Усов В.Н. Электронная пушка. / А.с. 266075 СССР, заявл. 26.02.68, опубл. 17.03.70. // Б.И. 1970. - № 11. - С. 69.

33. Dress J.M. Non-intercepting grid structure for an electron tube. Патент США, кл. HOI J 1/46,1/52, 17/04, №3484645, заявл. 06.03.67, опубл. 16.12.69.

34. Winsor D.L. Noncurrent Intercepting Electron Beam control Element. Патент США, кл. HOI J 25/34, №3500110, заявл. 23.08.67, опубл. 10.03.70.

35. Мощные ЛБВ с низковольтным управлением электронным потоком. Часть » *

36. Импульсные ЛБВ / А.Д. Ессин, В.М. Курицын, И.А. Шаталин, В.А. Цветков, Б.С. Правдин // Обзоры по электронной технике. Сер. 1 Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ «Электроника», 1976. - Вып. 6(375). - 66 с.

37. Усов В.Н. Секторная электронная пушка, формирующая сплошной высо-копервеансный поток / В.Н. Усов // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1968. - Вып. 6. - С. 69 - 74.

38. Экспериментальное исследование электронной пушки, формирующей вы-сокопервеансный электронный поток / Д.А. Архипов, Ю.А. Григорьев, Г.А. Рехен, В.Н. Усов // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. конф.-Саратов: СГТУ, 2005. С. 314 - 318.

39. Морев С.П. Проектирование аксиально-симметричных ЭОС с учётом поперечных скоростей электронов / С.П. Морев, В.В. Пензяков // Лекции по СВЧ электронике и радиофизике (IX зимняя школа-семинар). Саратов: Изд-во СГУ, 1992. - С. 140 - 152.

40. Цейтлин М.Б. Лампа с бегущей волной / М.Б. Цейтлин, A.M. Кац. М.: Сов. радио, 1964. — 311 с.

41. Правдин B.C., Олейников В.И., Усов B.H., Шестеркин В.И. Электронная пушка. / Патент РФ 1466579, заявл. 16.06.86, опубл. 10.04.95. // Б.И. 1995. -№ Ю.-С. 256.

42. Секторная пушка с сетками для формирования высокопервеансного электронного потока / Ю.А. Григорьев, В.И. Олейников, Б.С. Правдин, В.Н. Усов, В.И. Шестеркин // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. -1988. Вып. 7(411). - С. 34 - 38.

43. Усыченко В.Г. Самоорганизация электронов в электронных приборах / В.Г. Усыченко // ЖТФ. 2004. - Т. 74, № 11. - С. 38 - 46.

44. Ilyina E.M. The equations of the nonlinear theory of a high-perveance traveling wave tube / E.M. Ilyina, V.N. Usov // Proc. Sixth Intern. Vacuum Electronics Conf. (IVEC2005). Noordwijk, 2005. - P. 375 - 376.

45. Кац A.M. Нелинейные явления в СВЧ приборах О-типа с длительным взаимодействием / A.M. Кац, Е.М. Ильина, И.А. Манькин. М.: Сов. радио, 1975.-296 с.

46. Григорьев Ю.А. Расчёт неламинарных электронных пучков / Ю.И. Батуев, Ю.А. Григорьев, Г.А. Рехен // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1971. - Вып. 7. - С. 16 - 26.

47. Формирование электронных пучков в переходной области МПФС / Ю.А. Григорьев, Г.А. Рехен, В.В. Пензяков, А.А. Муравьёв // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1972. - Вып. 5. - С. 96 - 105.

48. Бахрах Л.Э. Исследование фокусировки электронных пучков с негармоническим распределением поля / Л.Э. Бахрах, В.В. Мурзин, В.К. Беляев // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1978. - Вып. 10. - С. 39 -46.

49. Исследование распределения магнитного поля в МПФС с увеличенным периодом для сопровождения высокопервеансных электронных потоков /

50. Д.А. Архипов, Ю.А. Григорьев, Г.А. Рехеи, Б.К. Сивяков // Системы и функциональные устройства низких и сверхвысоких частот: сб. науч. тр. — Саратов: СГТУ, 2005. С. 27 - 30.

51. Эволюция протяжённых электронных потоков, фокусируемых аксиально-симметричными полями / В.Д. Журавлёва, С.П. Морев, В.В. Пензяков, В.И. Роговин // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. - Т. 3, № 4. - С. 23-31.

52. Mendel J. Magnetic focusing of electron beams / J. Mendel // Proc. IRE. 1955. -V. 43,N3.-P. 327-331.

53. Buck D. Stability of a cylindrical electron beam in nonsinusoidal periodic magnetic focusing fields / D. Buck. // Trans. IRE. 1957. - V. ED-4. - P. 44 - 49.

54. Kelly J. Reversed field focusing systems for electron beams with appreciable space charge densities / J. Kelly // J. Electronics and Control. 1963. - V. 14. -P. 21-63.

55. True R. A theory for coupling gridded gun design with PPM focusing / R. True // IEEE Trans, on Electron Devices. 1984. - V. ED-31, N 3. - P. 353 - 362.

56. Саратов. - 2001. - С. 73 - 74.

57. Кац A.M. Сигнал в лампах с бегущей волной. Часть I. ЛБВО / A.M. Кац, В.П. Кудряшов, Д.И. Трубецков. Саратов: Изд-во СГУ, 1984. - 143 с.

58. Королёв А.Н. Состояние и перспективы развития отечественной СВЧ-, электроники / А.Н. Королёв // Электронная промышленность: проблемыуправления и развития. 2005, №4. - С. 20 - 22.

59. Smith В. High-power microwave tubes for state-of-the-art military and scientific applications / B. Smith // Mikrowellen Magazin. 1987. - V. 13, N 6. - P. 647 -.655.80. Мощные импульсные лампы бегущей волны с сеточным управлением /

60. В.И. Желудков, В.П. Кудряшов, Е.А. Терёшин, В.Н Усов // Радиотехника. — 2002.-№2.-С. 48-52.

61. Бушуев Н.А. Широкополосные ЛБВ / Н.А. Бушуев, В.П. Кудряшов // Ма-, териалы Междунар. конф. «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления», Секция 4. Электронная элементная база. Н. Новгород. - 2002. - С. 35 - 39.

62. Шевчик В.Н. Основы электроники сверхвысоких частот / В.Н. Шевчик. -■М.: Сов. радио, 1959. 307 с.

63. Борисенко В.Д. Возможности построения широкополосных ЛБВ сантиметрового диапазона волн / В.Д. Борисенко, А.И. Ищенко, В.А. Перекупко // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1973. - Т. XVI, № 10. - С. 68 - 76.

64. Данович И.А. Особенности построения ЭОС ЛБВ импульсно-непрерывного действия / И.А. Данович, С.А. Ракитина, Е.В. Соколова // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1975. - Вып. 6. - С. 40 -48.t '

65. Петросян А.И. Методика и результаты проектирования электронной пушки с сеточным управлением / А.И. Петросян. В кн.: 10 Всесоюзный семинар по методам расчёта электронно-оптических систем: тез. докл. - Львов, -1990.-С. 102.

66. Силин Р.А. Замедляющие системы / Р.А. Силин, В.П. Сазонов. М.: Сов. радио, 1966. - 632 с.

67. Ильина Е.М. Влияние дисперсии на полосовые свойства ЛБВ типа О / Е.М. Ильина, A.M. Кац, В.Е. Поляк // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1973. - Вып. 7. - С. 33 - 40.

68. Манькин И.А. Двумерный расчёт взаимодействия аксиально-симметричных потоков с волной в ЛБВО на основе модели с большим числом частиц / И.А. Манькин, В.Л. Ушерович // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1978. - Вып. 6. - С. 36 - 50.

69. Кудряшов В.П., Миркин В.И., Песин Б.В. СВЧ-усилитель с длительным взаимодействием / А.с. №1128304 СССР, заявл. 11.06.82 // Б.И. 1984. - № 45.-С. 170.

70. Роговин В.И. Коллекторы с рекуперацией для ЛБВО и клистронов / В.И. Роговин, С.О. Семёнов // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. М. ЦНИИ «Электроника», 1986. - Вып. 4(1167). - 70 с.

71. Журавлёва В.Д. Программа анализа аксиально-симметричных коллекторных систем / В.Д. Журавлёва, В.В. Пензяков, В.И. Роговин // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1977. - Вып. 1. - С. 123.

72. Забирова Е.Г. Программа теплового расчёта ВЧ-системы ЛБВ со спираль1.'ной линией замедления / Е.Г. Забирова, А.Н. Якунин // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1987. - Вып. 10. - С.55.

73. Архипов Д.А. Повышение технического КПД мощных импульсных широкополосных ЛБВ с высокопервеансными ЭОС / Д.А. Архипов, В.И. Роговин, В.Н. Усов // Радиотехника и связь: материалы Междунар. науч.-техн. •конф.-Саратов: СГТУ, 2005. С. 304 - 306.

74. Возможность улучшения частотных свойств ЛБВ / Е.М. Ильина, A.M. Кац, В.П. Кудряшов, В.И. Миркин // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1976. - Вып. 1. - С. 8 - 17.

75. Кудряшов В.П. Побочные колебания в широкополосных ЛБВО / В.П. Кудряшов // Обзоры по электронной технике. Сер. 1. Электроника СВЧ. М.: ЦНИИ «Электроника», 1977. - Вып. 3(442). - 85 с.

76. Подавление паразитного возбуждения ЛБВ на обратной гармонике скачком фазы поля / Е.М. Ильина, A.M. Кац, В.П. Кудряшов, В.А. Цветков // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1976. - Вып. 9. - С. 28 - 33.

77. Ильина Е.М. К двумерной нелинейной теории ЛОВ типа О / Е.М. Ильина Е.М., A.M. Кац, Л.П. Тимченко // Электронная техника. Сер. 1 Электроника СВЧ. 1970. - Вып. 12. - С. 22.

78. Ю2.Колобаева Т.Е. Программа расчёта замедления и сопротивления связи симметричной волны в замедляющей системе кольцо-стержень / Т.Е. Ко-лобаева // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1984. - Вып. 8(368).-С. 66. (

79. Конструкция разработанной высокопервеансной ЭОС предназначена для применения в создаваемых по заказу ОДО «ГНТП «Гранит» мощных импульсных ЛБВ.

80. Ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук1. В.Н. Усов