RU2274922C1

RU2274922C1 - Orotron

Info

Publication number: RU2274922C1
Application number: RU2004124654/09A
Authority: RU
Inventors: син Евгений Анатольевич М (RU); Евгений Анатольевич Мясин; вский Борис Андреевич Бел (RU); Борис Андреевич Белявский; Александр Николаевич Соловьев (RU); Александр Николаевич Соловьев
Original assignee: Институт Радиотехники И Электроники Российской Академии Наук (Ирэ Ран)
Priority date: 2004-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2006-04-20

Abstract

FIELD: radio-electronics; high-power sources of high-frequency electromagnetic waves.

SUBSTANCE: proposed orotron designed for operation in superhigh-frequency and extremely-high-frequency wave bands has magnetic focusing system, electron gun, electron collector, open cavity formed by two mirrors of which one is flat mirror fixed in position and other is focusing mirror installed for displacement in direction perpendicular to flat mirror; it also has periodic structure made in the form of relatively parallel projections and disposed on flat mirror, as well as electromagnetic-wave energy lead provided in flat mirror of cavity. Electromagnetic wave energy lead is disposed at distance D from center of flat mirror chosen from condition 0 ≤ D ≤ 1.7R_c, where R_c is radius of caustic surface on flat mirror, distance ρ between center of flat mirror and symmetry axis of focusing mirror being chosen from condition ρ ≤ 0.3 R_c.

EFFECT: enhanced microwave output power and efficiency.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к конструкции мощного источника высокочастотных электромагнитных колебаний коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазона волн. Известен оротрон [1], содержащий электронно-оптическую систему, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения вдоль оси симметрии резонатора, проходящей через центры зеркал, периодическую структуру, расположенную на плоском зеркале и выполненную в виде взаимно параллельных выступов, и отверстие вывода энергии электромагнитных колебаний (далее вывод энергии), выполненное в фокусирующем зеркале.The invention relates to electronics, in particular to the design of a powerful source of high-frequency electromagnetic waves of the short-wavelength part of the centimeter and millimeter wavelengths. Known orotron [1], containing an electron-optical system, an open resonator formed by two mirrors, one of which is made flat and fixed motionless, and the other is made focusing and mounted with the possibility of movement along the symmetry axis of the resonator passing through the centers of the mirrors, a periodic structure, located on a flat mirror and made in the form of mutually parallel protrusions, and a hole of the output of electromagnetic energy (hereinafter the output of energy), made in the focusing mirror.

Недостатком такой конструкции является малый уровень выходной мощности прибора, его низкий коэффициент полезного действия и возбуждение паразитных колебаний при больших токах пучка. Обусловлено это следующими причинами.The disadvantage of this design is the low level of the output power of the device, its low efficiency and the excitation of spurious oscillations at high beam currents. This is due to the following reasons.

Эффективность электронно-волнового взаимодействия в оротроне характеризуется КПД в нагрузке η_н, который выражается формулой η_н=η_е(1-Q_н/Q₀), где η_е - электронный КПД прибора, Q_н - нагруженная добротность открытого резонатора, Q₀ - его собственная добротность. Отсюда видно, что для увеличения η_н необходимо увеличивать собственную добротность Q₀. Известно, что собственная добротность открытого резонатора при заданной его геометрии определяется как омическими и дифракционными потерями на зеркалах и периодической структуре, так и рассеянием электромагнитных волн на отверстии вывода энергии, причем для увеличения Q₀ следует уменьшать влияние указанного фактора [2]. Если отверстие вывода энергии расположено на фокусирующем зеркале, как это имеет место в описанной конструкции, часть высокочастотной (ВЧ) мощности бесполезно излучается из резонатора в окружающее пространство, теряется. Это приводит к уменьшению значения Q₀ и КПД прибора. Указанные потери можно уменьшить, расположив отверстие вывода на периферии зеркала, где амплитуда ВЧ поля рабочего колебания мала [2]. При этом, однако, уменьшается величина коэффициента полезного действия резонатора, что не позволяет увеличить выходную мощность прибора. Существенным ограничением генерируемой оротроном мощности является также паразитное возбуждение периодической структуры в режиме замедленных поверхностных волн при больших токах электронного потока [2].The efficiency of the electron-wave interaction in the orotron is characterized by the efficiency in the load η _n , which is expressed by the formula η _n = η _e (1-Q _n / Q ₀ ), where η _e is the electronic efficiency of the device, Q _n is the loaded Q factor of the open resonator, Q ₀ - his own quality factor. From this it is seen that to increase η _n it is necessary to increase the intrinsic Q factor Q ₀ . It is known that the intrinsic figure of merit of an open resonator with a given geometry is determined by both ohmic and diffraction losses on the mirrors and the periodic structure, and by the scattering of electromagnetic waves at the energy output hole, and to increase Q ₀ , the influence of this factor should be reduced [2]. If the energy output hole is located on the focusing mirror, as is the case in the described construction, a part of the high-frequency (HF) power is uselessly radiated from the resonator into the surrounding space and is lost. This leads to a decrease in the value of Q ₀ and the efficiency of the device. These losses can be reduced by placing the output hole on the periphery of the mirror, where the amplitude of the RF field of the working oscillation is small [2]. In this case, however, the efficiency of the resonator decreases, which does not allow to increase the output power of the device. A significant limitation of the power generated by the orotron is also parasitic excitation of the periodic structure in the mode of slowed-down surface waves at high electron currents [2].

В описанной конструкции оротрона отверстие вывода энергии выполнено на зеркале, расположенном достаточно далеко от периодической структуры. Оно не влияет на распространение указанных волн вдоль электронного потока, что облегчает их конкуренцию с колебаниями рабочего вида и приводит, как показали экспериментальные исследования авторов, к полному срыву последних при значениях тока I₀=(7-10)I_п, где I_п - величина пускового тока оротрона.In the described orotron design, the energy output hole is made on a mirror located far enough from the periodic structure. It does not affect the propagation of these waves along the electron beam, which facilitates their competition with oscillations of the working form and, as shown by experimental studies of the authors, leads to a complete disruption of the latter at current values I ₀ = (7-10) I _p , where I _p - orotron starting current value.

Недостатком известной конструкции является также неудобство эксплуатации, обусловленное сложностью стыковки отверстия вывода энергии, расположенного на подвижном зеркале открытого резонатора, с входным трактом радиотехнических систем в коротковолновой части СВЧ диапазона, где практически отсутствуют гибкие волноведущие элементы.A disadvantage of the known design is also the inconvenience of operation, due to the difficulty of connecting the energy output hole located on the movable mirror of the open resonator with the input path of the radio systems in the short-wave part of the microwave range, where there are practically no flexible waveguide elements.

Известен также оротрон, в котором кроме вывода энергии, расположенного на подвижном зеркале открытого резонатора, имеются также выводы энергии в плоском зеркале у пушечного и коллекторного концов периодической системы [3]. Эти дополнительные выводы энергии позволяют исследовать возбуждение прибора и в режиме ЛОВ и ЛБВ. Однако оба эти вывода энергии не позволяют эффективно выводить энергию оротронных колебаний из прибора, так как располагаются далеко за пределами каустической поверхности на плоском зеркале и, следовательно, обеспечивают практически нулевой коэффициент связи открытого резонатора с нагрузкой.An orotron is also known, in which, in addition to the output of energy located on the moving mirror of an open resonator, there are also energy outputs in a flat mirror at the cannon and collector ends of the periodic system [3]. These additional energy conclusions allow us to study the excitation of the device in the BWO and TWT modes. However, both of these energy outputs do not allow us to efficiently remove the energy of orotron oscillations from the device, since they are located far beyond the caustic surface on a flat mirror and, therefore, provide almost zero coupling coefficient of the open resonator with the load.

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в повышении мощности генерируемых колебаний и КПД оротрона при одновременном подавлении паразитных колебаний и упрощении его эксплуатации в радиотехнических устройствах.The problem solved by this invention is to increase the power of the generated oscillations and the orotron efficiency while suppressing spurious oscillations and simplifying its operation in radio devices.

Для решения этой задачи в оротроне, содержащем электронную пушку, коллектор, магнитную фокусирующую систему, открытый резонатор, образованный двумя зеркалами, одно из которых выполнено плоским и закреплено неподвижно, а другое выполнено фокусирующим и установлено с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном плоскому зеркалу, периодическую структуру, выполненную в виде взаимно параллельных выступов и расположенную на плоском зеркале, и вывод энергии электромагнитных колебаний, выполненный в плоском зеркале резонатора, последний расположен на расстоянии D от центра плоского зеркала, выбранном из условия 0≤D≤1,7 R_к, где R_к - радиус каустической поверхности на плоском зеркале, при этом расстояние ρ между центром плоского зеркала и осью симметрии фокусирующего зеркала выбрано из условия ρ≤0,3R_к.To solve this problem, in an orotron containing an electron gun, a collector, a magnetic focusing system, an open resonator formed by two mirrors, one of which is made flat and fixed motionless, and the other is made focusing and set to move in a direction perpendicular to the flat mirror, periodic a structure made in the form of mutually parallel protrusions and located on a flat mirror, and the output of the energy of electromagnetic waves made in a flat mirror of the resonator, p the latter is located at a distance D from the center of the flat mirror, selected from the condition 0≤D≤1.7 R _k , where R _k is the radius of the caustic surface on the flat mirror, and the distance ρ between the center of the flat mirror and the axis of symmetry of the focusing mirror is selected from the condition ρ≤0,3R _to.

Для подавления паразитных колебаний и упрощения эксплуатации прибора вывод энергии электромагнитных колебаний может быть выполнен в виде одного отверстия между соседними выступами периодической структуры на ее продольной оси симметрии, при этом площадь S отверстия выбрана из условия S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида на плоском зеркале.To suppress spurious oscillations and simplify the operation of the device, the output of electromagnetic energy can be made in the form of a single hole between adjacent protrusions of a periodic structure on its longitudinal axis of symmetry, while the area S of the hole is selected from the condition S = (0.01-0.1) S _k , where S _k is the area of the caustic surface of the oscillation of the working form on a flat mirror.

Для приборов с малым периодом периодической структуры вывод энергии электромагнитных колебаний может быть выполнен в виде нескольких отверстий, каждое из которых расположено между соседними выступами периодической структуры на ее продольной оси симметрии. При этом суммарная площадь S отверстий выбрана из условия S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида на плоском зеркале.For devices with a short period of the periodic structure, the energy output of electromagnetic waves can be made in the form of several holes, each of which is located between adjacent protrusions of the periodic structure on its longitudinal axis of symmetry. In this case, the total area S of the holes is selected from the condition S = (0.01-0.1) S _k , where S _k is the area of the caustic surface of the working mode oscillation on a flat mirror.

Для того, чтобы оптимизировать связь открытого резонатора с нагрузкой в процессе работы прибора за счет изменения расстояния D между центром плоского зеркала и выводом энергии, фокусирующее зеркало устанавливается с возможностью перемещения в плоскости, параллельной плоскому зеркалу.In order to optimize the coupling of the open resonator with the load during operation of the device by changing the distance D between the center of the planar mirror and the energy output, the focusing mirror is mounted to move in a plane parallel to the planar mirror.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, фиг.2 схематически показаны варианты конструкции предлагаемого оротрона, а на фиг.3 представлены графики зависимости коэффициента связи η_ор открытого резонатора с нагрузкой от величины D/R_к для варианта оротрона фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1, Fig.2 schematically shows the design options of the proposed orotron, and Fig.3 shows graphs of the dependence of the coupling coefficient η _{op of the} open resonator with the load on the value of D / R _k for the variant of orotron of Fig.1.

Оротрон, изображенный на фиг.1, содержит электронно-оптическую систему, включающую электронную пушку 1, магнитную фокусирующую систему 2 и коллектор электронов 3, открытый резонатор, образованный плоским зеркалом 4 и фокусирующим сферическим зеркалом 5, периодическую структуру 6, расположенную на плоском зеркале 4, и отверстие вывода 7 энергии, выполненное в плоском зеркале 4. Плоское зеркало 4 закреплено неподвижно, а фокусирующее зеркало 5 установлено с возможностью перемещения вдоль его оси симметрии ОО′, а также параллельно продольной оси ВВ′ симметрии периодической структуры 6. Отверстие вывода 7 энергии расположено между соседними выступами 8 и 9 (см. фиг.1, вид А) периодической структуры 6 на расстоянии D от центра О плоского зеркала 4 и имеет вид прямоугольной щели, ориентированной таким образом, что большие ее стороны параллельны направляющим ММ′ выступов периодической структуры 6, при этом размер меньших сторон равен величине промежутка d между выступами 8 и 9. К отверстию вывода 7 присоединен волноведущий тракт, выполненный в данном варианте в виде пирамидального рупора 10, переходящего в волновод 11. Наружная сторона волновода вакуумно-плотно присоединена к корпусу 12 прибора, а внутри его имеется вакуумно-плотное диэлектрическое окно 13, прозрачное для электромагнитных волн в рабочем диапазоне частот.The orotron shown in Fig. 1 contains an electron-optical system, including an electron gun 1, a magnetic focusing system 2 and an electron collector 3, an open resonator formed by a planar mirror 4 and a focusing spherical mirror 5, a periodic structure 6, located on a planar mirror 4 , and the hole of the energy output 7 made in a flat mirror 4. The flat mirror 4 is fixed stationary, and the focusing mirror 5 is mounted with the possibility of movement along its axis of symmetry ОО ′, as well as parallel to the longitudinal axis BB ′ of symmetry of the periodic structure 6. The opening of the energy output 7 is located between adjacent protrusions 8 and 9 (see FIG. 1, view A) of the periodic structure 6 at a distance D from the center O of the planar mirror 4 and has the form of a rectangular slit oriented in such a way that its larger sides are parallel to the guiding MM ′ of the protrusions of the periodic structure 6, while the size of the smaller sides is equal to the gap d between the protrusions 8 and 9. A wave guide path connected in this embodiment in the form of a pyramidal horn 10 is connected to the opening of the terminal 7, passing into the waveguide 11. The outer side of the waveguide is vacuum-tightly connected to the housing 12 of the device, and inside it there is a vacuum-tight dielectric window 13, transparent to electromagnetic waves in the operating frequency range.

Возможны и другие варианты конструкции предлагаемого оротрона, например выполненной с периодической структурой, заполняющей часть поверхности плоского зеркала, или со сфероцилиндрическим фокусирующим зеркалом, расположенным перпендикулярно оси симметрии периодической структуры своей цилиндрической частью. Отверстие вывода 7 энергии может быть выполнено в виде нескольких прямоугольных щелей, поперечный размер которых равен величине промежутка d между выступами 8 и 9, а продольные стороны параллельны направляющим ММ' выступов периодической структуры 6. Суммарная площадь щелей S отверстия вывода 7 энергии выбирается в интервале S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости неподвижного зеркала 4. Сечения каустической поверхности с радиусом R_к и радиусом 2R_к показаны на фиг.1 (вид А) пунктирными линиями. При этом вывод энергии может располагаться не обязательно между центром плоского зеркала и коллектором (как на фиг.1 и фиг.2), но в этом случае он не должен находиться под плоским электронным потоком. Соотношение линейных размеров щелей отверстия вывода 7 энергии и форма его выполнения существенно не влияют на параметры прибора. Когда период периодической структуры настолько мал (низкие рабочие напряжения или короткие длины волн), что выполнение рупорного перехода на стандартный волновод представляет серьезные технологические трудности, целесообразно выполнить щель вывода энергии по размерам стандартного волновода. При этом узкая стенка волновода должна быть перпендикулярна выступам периодической структуры, а широкая - параллельна им. В этом случае также необходимо выполнить условие, чтобы S=(0,01-0,1)S_к, где S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости неподвижного зеркала. При этом возможна ситуация, когда поперек узкой стороны прямоугольной щели вывода энергии, соответствующей узкой стенке волновода, располагается не одна щель между выступами периодической структуры, а две или более соседних ее щелей, выполненных между соседними выступами. Этот случай представлен на фиг.2. Оротрон, изображенный на фиг.2, содержит все те же элементы конструкции, что и оротрон, изображенный на фиг.1. Он отличается только выполнением отверстия вывода 7 энергии, который выполнен в виде двух щелей между выступами 8, 9 и 9, 15 двух соседних периодов периодической структуры 6. Большие стороны щелей параллельны направляющим ММ′ выступов периодической структуры 6, выполнены равными широкой стенке стандартного волновода и симметричны относительно ее продольной оси. Меньшие стороны параллельны продольной оси периодической структуры 6 и равны расстоянию d между выступами 8 и 9, 9 и 15 соответственно. Суммарная длина расстояния от края одной из больших сторон щели, расположенного у выступа 8, до края другой, расположенного у выступа 15, равна (или может быть меньше) узкой стенке стандартного волновода. Расстояние D в данном случае отсчитывается от центра О плоского зеркала 4 до середины выступа 9, находящегося между щелями вывода 7 энергии. Это выполнение отверстия связи характерно для оротронов коротковолновой части миллиметрового диапазона.Other design options of the proposed orotron are possible, for example, made with a periodic structure filling part of the surface of a flat mirror, or with a spherical cylindrical focusing mirror located perpendicular to the axis of symmetry of the periodic structure with its cylindrical part. The hole of the energy output 7 can be made in the form of several rectangular slots, the transverse dimension of which is equal to the gap d between the protrusions 8 and 9, and the longitudinal sides are parallel to the guides MM 'of the protrusions of the periodic structure 6. The total area of the slots S of the opening of the energy output 7 is selected in the interval S = (0.01-0.1) S _k , where S _k is the area of the caustic surface of the oscillation of the working type in the plane of the fixed mirror 4. Cross-sections of the caustic surface with radius R _k and radius 2R _k are shown in dotted lines in FIG. 1 (view A) lines. In this case, the energy output may not necessarily be located between the center of the plane mirror and the collector (as in FIG. 1 and FIG. 2), but in this case it should not be under the plane electron beam. The ratio of the linear dimensions of the slots of the hole of the output of energy 7 and the form of its execution do not significantly affect the parameters of the device. When the period of the periodic structure is so small (low operating voltages or short wavelengths) that performing a horn transition to a standard waveguide presents serious technological difficulties, it is advisable to make an energy output gap in size of a standard waveguide. In this case, the narrow wall of the waveguide should be perpendicular to the protrusions of the periodic structure, and the wide one parallel to them. In this case, it is also necessary to fulfill the condition that S = (0.01-0.1) S _k , where S _k is the area of the caustic surface of the oscillation of the working form in the plane of the fixed mirror. In this case, a situation is possible when, not across the narrow side of the rectangular slit of the energy output corresponding to the narrow wall of the waveguide, there is not one slot between the protrusions of the periodic structure, but two or more of its neighboring slots made between adjacent protrusions. This case is presented in figure 2. The orotron depicted in figure 2, contains all the same structural elements as the orotron depicted in figure 1. It differs only in the execution of the opening of the energy output 7, which is made in the form of two slots between the protrusions 8, 9 and 9, 15 of two adjacent periods of the periodic structure 6. The large sides of the slots are parallel to the guiding MM ′ of the protrusions of the periodic structure 6, made equal to the wide wall of the standard waveguide and symmetric about its longitudinal axis. The smaller sides are parallel to the longitudinal axis of the periodic structure 6 and equal to the distance d between the protrusions 8 and 9, 9 and 15, respectively. The total length of the distance from the edge of one of the large sides of the slit located at the protrusion 8 to the edge of the other located at the protrusion 15 is (or may be less) the narrow wall of the standard waveguide. The distance D in this case is measured from the center O of the planar mirror 4 to the middle of the protrusion 9 located between the slots of the energy output 7. This embodiment of the communication hole is characteristic of the orotrons of the short-wave part of the millimeter range.

Данное изобретение основано на следующем.This invention is based on the following.

В предлагаемом приборе, благодаря тому, что отверстие вывода 7 энергии выполнено в неподвижном зеркале 4 между соседними выступами 8 и 9 (или через один и более выступов) периодической структуры 6 (см. фиг.1, 2), дифракционное рассеяние электромагнитных волн на нем в окружающее пространство практически отсутствует, что объясняется экранирующим действием выступов. Таким образом, величина собственной добротности Q₀ колебательной системы предлагаемого оротрона оказывается больше, чем в известных конструкциях. Следовательно, при одинаковой величине коэффициента связи резонатора с нагрузкой η_ор=1-Q_н/Q₀ КПД энергообмена электронов с высокочастотным полем η_э оказывается здесь выше и может достигать своего максимального теоретического значения η_э=50%. Кроме того, вследствие расположения отверстия вывода 7 энергии между выступами периодической структуры, последняя оказывается разорванной для паразитных поверхностных волн, что затрудняет их возбуждение при больших рабочих токах I₀ пучка, превосходящих величину пускового тока I_п в 12-5 раз. Таким образом, появляется возможность значительного увеличения выходной мощности прибора. При этом величина коэффициента связи резонатора с нагрузкой (или, что одно и то же КПД резонатора) η_ор должна соответствовать величине превышения рабочего тока пучка над пусковым I₀/I_п. Так в маломощных приборах с одним электронным потоком при I₀/I_п<2 оптимальное значение η_op=0,1-0,2, в относительно маломощных приборах, когда I₀/I_п=2-5, оптимальное значение η_ор=0,3-0,5, а при I₀/I_п>5-15, т.е. в мощных приборах, этот коэффициент η_op=0,7-0,9.In the proposed device, due to the fact that the hole of the energy output 7 is made in a fixed mirror 4 between adjacent protrusions 8 and 9 (or through one or more protrusions) of the periodic structure 6 (see Figs. 1, 2), diffraction scattering of electromagnetic waves by it into the surrounding space is practically absent, due to the shielding effect of the protrusions. Thus, the value of the intrinsic Q factor Q _{0 of the} oscillatory system of the proposed orotron is greater than in known constructions. Therefore, with the same value of the coupling coefficient of the resonator with the load η _ор = 1-Q _н / Q _{0, the} efficiency of energy exchange of electrons with a high-frequency field η _е is higher here and can reach its maximum theoretical value η _е = 50%. In addition, due to the location of the opening of the energy output 7 between the protrusions of the periodic structure, the latter is broken for parasitic surface waves, which complicates their excitation at high operating currents I _{0 of the} beam exceeding the inrush current I _{p by} 12-5 times. Thus, it becomes possible to significantly increase the output power of the device. In this case, the magnitude of the coupling coefficient of the resonator with the load (or, which is the same resonator efficiency) η _op must correspond to the excess of the operating beam current over the starting I ₀ / I _p. So in low-power devices with one electron beam at I ₀ / I _p <2 the optimal value η _op = 0.1-0.2, in relatively low-power devices, when I ₀ / I _p = 2-5, the optimal value η _op = 0.3-0.5, and when I ₀ / I _n > 5-15, i.e. in powerful devices, this coefficient η _op = 0.7-0.9.

Во всех известных конструкциях оротрона с перемещением фокусирующего зеркала вдоль оси резонатора с выводом энергии из этого зеркала щель связи открытого резонатора остается неизменной при стыковке со стандартным волноводом и не может изменяться в процессе работы прибора. Поэтому при отклонении, например, величины рабочего тока от расчетной обеспечить расчетные параметры выходной мощности и КПД уже не представляется возможным. Такая же ситуация возникает при перестройке частоты оротрона с помощью механического перемещения фокусирующего зеркала вдоль оси резонатора, если отверстие вывода энергии выполнено в этом зеркале.In all known orotron constructions with the focusing mirror moving along the resonator axis with energy output from this mirror, the coupling gap of the open resonator remains unchanged when docked with a standard waveguide and cannot change during operation of the device. Therefore, if, for example, the operating current deviates from the rated current, it is no longer possible to provide the calculated parameters of the output power and efficiency. The same situation occurs when the frequency of the orotron is tuned by mechanical movement of the focusing mirror along the axis of the resonator if the energy output hole is made in this mirror.

Эти недостатки устранены в предлагаемом приборе, в котором вывод энергии выполнен в плоском неподвижном зеркале в виде одной или нескольких щелей между соседними выступами периодической структуры и предусмотрена возможность оптимизации (изменения) связи резонатора с нагрузкой как в процессе «холодной» настройки, так и в работающем приборе за счет перемещения фокусирующего зеркала в плоскости, параллельной плоскому зеркалу (в частности, вдоль продольной оси симметрии периодической структуры), на расстояние ρ≤0,3R_к.These disadvantages are eliminated in the proposed device, in which the energy output is made in a flat fixed mirror in the form of one or more slots between adjacent protrusions of a periodic structure and it is possible to optimize (change) the coupling of the resonator with the load both in the process of “cold” tuning and in operation the device by moving the focusing mirror in a plane parallel to the planar mirror (in particular, along the longitudinal axis of symmetry of the periodic structure), by a distance ρ≤0.3R _k .

Предложенный оротрон работает следующим образом. При включении питания электронный пучок, формируемый электронной пушкой 1 и магнитной фокусирующей системой 2, оседает на коллектор 3. На своем пути пучок взаимодействует с высокочастотным полем синхронной пространственной гармоники, которая образуется, как и во всех аналогичных приборах, вблизи периодической структуры 6 в результате дифракции на ней квазиплоской электромагнитной волны рабочего вида колебания резонатора. При выполнении известных условий пространственного синхронизма, как и во всех приборах с длительным взаимодействием, происходит передача энергии электронов потока электромагнитному полю, в результате чего увеличивается амплитуда колебаний, заключенных в объеме между зеркалами 4 и 5. Пространственное распределение указанных колебаний определяется геометрией открытого резонатора и рабочей частотой известным образом. Электромагнитная волна, распространяющаяся между соседними выступами периодической структуры, проходит через отверстие вывода 7 в пирамидальный рупор 10, волновод 11 (или сразу в волновод 11, если щель вывода энергии выполнена по размерам сечения волновода) и далее в нагрузку (на фиг.1, фиг.2 не показана). При значении тока I₀ электронного потока выше некоторого пускового значения I₀>I_п система самовозбуждается и работает как автогенератор, а при значениях I₀<I_п, при условии подачи в резонатор внешнего сигнала, - как усилитель.The proposed orotron works as follows. When the power is turned on, the electron beam formed by the electron gun 1 and the magnetic focusing system 2 settles on the collector 3. On its way, the beam interacts with the high-frequency field of synchronous spatial harmonic, which is formed, like in all similar devices, near the periodic structure 6 as a result of diffraction on it a quasi-plane electromagnetic wave of the working form of the oscillation of the resonator. Under the known conditions of spatial synchronism, as in all devices with a long interaction, the energy of the flow electrons is transferred to the electromagnetic field, as a result of which the amplitude of the oscillations enclosed in the volume between mirrors 4 and 5 increases. The spatial distribution of these oscillations is determined by the geometry of the open resonator and the working frequency in a known manner. An electromagnetic wave propagating between adjacent protrusions of a periodic structure passes through the opening of terminal 7 to the pyramidal horn 10, waveguide 11 (or immediately to waveguide 11, if the energy output slit is dimensioned according to the section of the waveguide) and then to the load (Fig. 1, Fig. .2 not shown). If the value of the current I _{0 of the} electron flux is higher than a certain starting value I ₀ > I _{p, the} system self-excites and works as an oscillator, and if I ₀ <I _p , if an external signal is supplied to the resonator, it acts as an amplifier.

Для обеспечения необходимой величины η_ор площадь S отверстия вывода 7 энергии по отношению к площади S_к сечения каустической поверхности в плоскости зеркала, на котором выполнено указанное отверстие, выбирается из условия S=(0,01-0,1)S_к, полученного авторами экспериментально. При этом конкретное значение площади S в приведенном интервале значений выбирается, исходя из расстояния D между центром указанного отверстия и центром О плоского зеркала 4 (см. фиг.1). Экспериментальные исследования показали, что отверстие вывода 7 энергии в том исполнении, которое представлено на фиг.1 и фиг.2, целесообразно выполнять на участке зеркала с периодической структурой, прилегающей к коллектору на расстоянии D=(0-1,7)R_к от центра плоского зеркала, где R_к - радиус каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости указанного зеркала. Графики, иллюстрирующие зависимость коэффициента связи η_ор от величины D/R_к в экспериментальном макете мощного оротрона сантиметрового диапазона, представлены на фиг.3. Видно, что при выбранном коэффициенте связи η_ор площадь отверстия вывода энергии следует выбирать тем меньше (в заявленном интервале значений), чем меньше расстояние D. Возможность подобрать оптимальную связь открытого резонатора с нагрузкой обеспечивается перемещением фокусирующего зеркала в плоскости, параллельной плоскому зеркалу, как при "холодной" настройке электродинамической системы прибора, так и в рабочем режиме.To ensure the required value η _{op, the} area S of the hole of the energy output 7 in relation to the area S _{to the} section of the caustic surface in the plane of the mirror on which the specified hole is made is selected from the condition S = (0.01-0.1) S _k obtained by the authors experimentally. In this case, the specific value of the area S in the above range of values is selected based on the distance D between the center of the indicated hole and the center O of the flat mirror 4 (see Fig. 1). Experimental studies have shown that the opening of the energy output 7 in the design shown in FIG. 1 and FIG. 2 is expediently performed on a mirror portion with a periodic structure adjacent to the collector at a distance D = (0-1.7) R _to from the center of a flat mirror, where R _to is the radius of the caustic surface of the oscillation of the working form in the plane of the specified mirror. Graphs illustrating the dependence of the coupling coefficient η _op on the value of D / R _k in the experimental layout of a powerful orotron of the centimeter range are presented in Fig. 3. It is seen that for the selected coupling coefficient η _{op, the} area of the energy output hole should be chosen the smaller (in the declared range of values), the smaller the distance D. The ability to choose the optimal connection between the open resonator and the load is provided by moving the focusing mirror in a plane parallel to the flat mirror, as with "cold" setup of the electrodynamic system of the device, and in the operating mode.

Например, электронная пушка может обеспечить рабочий ток генератора больше расчетного. В этом случае, казалось бы, можно было увеличить выходную мощность и КПД прибора. Однако для этого необходимо увеличить связь открытого резонатора с нагрузкой, т.е. его КПД η_ор=1-Q_н/Q₀. Как видно из фиг.3, для этого необходимо уменьшить расстояние D отверстия связи от центра О плоского зеркала 4, если рабочая точка располагалась на падающем участке кривой зависимости η_op=F(D/R_к). Если электронная пушка обеспечивает рабочий ток генератора меньше расчетного, то в этом случае следует увеличить расстояние D отверстия связи от центра О плоского зеркала 4.For example, an electron gun can provide an operating current of a generator greater than the calculated one. In this case, it would seem that it was possible to increase the output power and efficiency of the device. However, for this it is necessary to increase the coupling of the open resonator with the load, i.e. its efficiency is η _op = 1-Q _n / Q ₀ . As can be seen from figure 3, for this it is necessary to reduce the distance D of the communication hole from the center O of the flat mirror 4, if the operating point was located on the falling section of the dependence curve η _op = F (D / R _k ). If the electron gun provides an operating current of the generator less than the calculated one, then in this case it is necessary to increase the distance D of the communication hole from the center O of the planar mirror 4.

Аналогичным образом можно корректировать (оптимизировать) связь с нагрузкой при перестройке прибора по частоте, когда изменяется расстояние между зеркалами открытого резонатора за счет перемещения вогнутого зеркала вдоль его оси симметрии. Так как при перестройке по частоте радиус каустической поверхности не остается постоянным, то изменяется и площадь S_к - площадь каустической поверхности колебания рабочего вида в плоскости неподвижного зеркала. Следовательно, для того, чтобы выходная мощность и КПД при перестройке по частоте не изменялись, необходимо перемещать фокусирующее зеркало не только вдоль оси его симметрии, но и перпендикулярно ей.In a similar way, it is possible to correct (optimize) the relationship with the load when the instrument is tuned in frequency, when the distance between the mirrors of the open resonator changes due to the displacement of the concave mirror along its axis of symmetry. Since during frequency tuning the radius of the caustic surface does not remain constant, then the area S _k also changes - the area of the caustic surface of the working mode oscillation in the plane of the fixed mirror. Therefore, so that the output power and efficiency during frequency tuning do not change, it is necessary to move the focusing mirror not only along its axis of symmetry, but also perpendicular to it.

Как показал расчет рабочих режимов макета, при значении рабочего тока пучка, в 12 раз превосходящего величину пускового тока, оптимальное значение η_ор=0,85. Для обеспечения указанной величины η_ор отверстие вывода энергии выполнено на расстоянии D=1,16R_к от центра О плоского зеркала 4 в виде прямоугольной щели площадью S=0,1S_к (см. фиг.1). При этом зарегистрирована выходная мощность оротрона 3-сантиметрового диапазона Р=55 кВт при КПД в нагрузке η_н=36%. Выходная мощность для 3-миллиметрового прибора, выполненного с отверстием связи в виде двух щелей (см. фиг.2) с общей площадью S=0,02S_к при D=1,6R_к, была 1,2 кВт при КПД 6%. Оба результата значительно превосходят все известные энергетические показатели приборов данного класса.As shown by the calculation of the operating modes of the layout, when the value of the operating beam current is 12 times higher than the value of the starting current, the optimal value is η _op = 0.85. To ensure a specified value η _op output energy hole formed at a distance D = 1,16R from the center O _{to the} plane mirror 4 in the form of a rectangular slit area S = 0,1S _k (see FIG. 1). In this case, the output power of the orotron of the 3-cm range P = 55 kW was registered at an efficiency in the load of η _n = 36%. The output power for a 3-mm device made with a communication hole in the form of two slots (see Fig. 2) with a total area of S = 0.02S _k at D = 1.6R _k was 1.2 kW at an efficiency of 6%. Both results are significantly superior to all known energy indicators of devices of this class.

В заключении отметим, что очевидным преимуществом предлагаемой конструкции является неподвижность выходного фланца оротрона при изменении рабочей частоты. Это обстоятельство упрощает эксплуатацию прибора в радиотехнических устройствах.In conclusion, we note that the obvious advantage of the proposed design is the immobility of the output flange of the orotron when the operating frequency changes. This circumstance simplifies the operation of the device in radio engineering devices.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Проспект Ордена Трудового Красного Знамени Института радиофизики и электроники Академии наук УССР. Генератор дифракционного излучения. БЦ №10659 от 9 августа 1978 г. Ротапринт ИРЭ АН УССР.1. Prospectus of the Order of the Red Banner of Labor of the Institute of Radiophysics and Electronics of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR. Diffraction radiation generator. BC No. 10659 of August 9, 1978 Rotprint IRE AN USSR.

2. Шестопалов В.Д. Дифракционная электроника. Харьков: Вища школа, 1976, с.231.2. Shestopalov V.D. Diffraction electronics. Kharkov: Vishka school, 1976, p.231.

3. Богомолов Г.Д., Бородкин А.И., Кущ B.C. и др. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1970, № 1, с.97.3. Bogomolov G.D., Borodkin A.I., Kushch B.C. and other electronic equipment. Series 1. Microwave Electronics. 1970, No. 1, p. 97.

Claims

1. An orotron containing a magnetic focusing system, an electron gun, an electron collector, an open resonator formed by two mirrors, one of which is made flat and fixed motionless, and the other is made focusing and mounted with the possibility of movement in a direction perpendicular to the flat mirror, a periodic structure, made in the form of mutually parallel protrusions and located on a flat mirror, and the output of electromagnetic energy, made in a flat mirror of the resonator, characterized by we note that the energy output of electromagnetic waves is located at a distance D from the center of the plane mirror, selected from the condition 0≤D≤1,7R _k , where R _k is the radius of the caustic surface on the plane mirror, and the distance ρ between the center of the plane mirror and the axis of symmetry focusing mirror is selected from the condition ρ≤0,3R _to .

2. Orotron according to claim 1, characterized in that the energy output of electromagnetic waves is made in the form of a single hole between adjacent protrusions of a periodic structure on its longitudinal axis of symmetry, while the area S of the hole is selected from the condition S = (0.01 ÷ 0.1 ) S _k , where S _k is the area of the caustic surface of the oscillation of the working form on a flat mirror.

3. Orotron according to claim 1, characterized in that the energy output of electromagnetic waves is made in the form of several holes, each of which is located between adjacent protrusions of the periodic structure on its longitudinal axis of symmetry, while the total area S of the holes is selected from the condition S = (0 , 01 ÷ 0,1) S _k , where S _k is the area of the caustic surface of the oscillation of the working form on a flat mirror.

4. Orotron according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that the focusing mirror is mounted to move in a plane parallel to the planar mirror.