Спосіб підсилення радіохвиль

Спосіб підсилення радіохвиль, який включає формування електронного потоку електронною пушкою, екранованою від магнітного фокусуючого поля, створення азимутально-несиметричного електромагнітного поля в електродинамічній системі, модуляцію електронного потоку електромагнітним полем і передачу енергії електронного потоку електромагнітному полю, який відрізняється тим, що встановлюють електромагнітне поле з фазовою швидкістю Vф і соленоїдальне магнітне 2 3 хвилі, 61842 e відношення заряду електрона до його m0 маси спокою,  - колова частота сигналу, - а одночасно на ділянках до та після стрибка змінюють фазову швидкість і вибирають магнітне поле так, щоб виконувались умови:  e e B  dVф   n     dz  0 ; 2  m B , m0 2  0  (2) де z - довжина в напрямку осі соленоїда. Підвищення ККД досягається наступним чином. Пучок, який формується електронною пушкою, екранованою від магнітного поля, обертається як ціле навколо осі цього поля. Створене в електродинамічній системі азимутальнонесиметричне електромагнітне поле взаємодіє з електронами, які обертаються у магнітному полі, групуючи їх у поздовжньому напрямку, причому групування електронів та їх взаємодія з азимутально-несиметричною електромагнітною хвилею суттєво залежить від магнітного поля та номера азимутальної хвилі. При виконанні умов (2) після ділянки зі зниженою амплітудою хвилі виникає автозахват електронних згустків полем електромагнітної хвилі і, як наслідок, здійснюється стійка передача енергії від захвачених електронів електромагнітній хвилі, що і забезпечує високий ККД. Монотонно змінювати Vф у відповідності до умови (2) можна тільки до тих пір, доки будуть виконуватись умови реалізованості (умови можливості навивки спіралі та ін.). Якщо в точках, де порушуються умови реалізованості, ввести одночасно стрибок магнітної індукції та фазової швидкості у відповідності до умови (1), яка є умовою збереження стійкості взаємодії, то Vф можна відновити до початкового значення, тобто продовжити взаємодію пучка та поля і, як наслідок, додатково збільшити ККД підсилювача до значень, що суттєво перевищують ККД найближчого аналога. На фігурі приведена схема виконання підсилювача, який може реалізувати заявлений спосіб підсилення радіохвиль. Підсилювач включає екрановану від магнітного поля пушку 1, колектор 2, магнітну систему 3 і сповільнюючу систему (СС) 4 з азимутальнонесиметричним видом коливань, змінними опором зв'язку та фазовою швидкістю (зміна опору зв'язку показана умовно на кресленні зміною діаметра спіралі; зміною кроку спіралі показана на кресленні зміна фазової швидкості, стрибок магнітного поля показаний зміною внутрішнього діаметру магнітної системи). Для забезпечення азимутальнонесиметричного поля хвилі підсилювач НВЧ може бути виконаний на СС, наприклад, у вигляді спіралі з ребристим екраном для створення азимутальної гармоніки. Колектор 2 в запропонованому приладі реалізації заявленого способу є струмоприймачем. Магнітна система 3 може бути виконана у вигляді соленоїда або імпульсного, або надпровідного; зокрема, на основі явища високо 4 температурної надпровідності для отримання необхідних значень магнітного поля B . Підсилення НВЧ - сигналів реалізується наступним чином. Електронний поток, який формується електронною пушкою 1, екранованою від магнітного поля, яке створюється магнітною соленоїдальною системою 3, взаємодіє з азимутальнонесиметричним полем СС, 4. При цьому відбувається групування електронів у поздовжній складовій електричного поля хвилі, при чому на процес групування електронів суттєво впливає фокусуюче магнітне поле. Для з'ясування цього впливу розглянемо взаємодію електронного потоку, що обер e B тається з кутовою швидкістю   (перед m0 2 бачається повне екранування катоду від магнітного поля), із азимутально-несиметричною хвилею. Відносно руху електронів у незабуреному потоці при відсутності ВЧ поля використовують наступні припущення: - радіальна координата r електрона є повільно змінюючою функцією вздовж осі z ; - поздовжні швидкості електронів у будь-якому поперечному перерізі пучка однакові; Відповідно, взаємодію електронів і хвилі розглянемо при наступних припущеннях: - використовується нерелятивістське наближення; - високочастотною модуляцією поперечної швидкості електронів можна знехтувати; - можна знехтувати ВЧ складовою поля об'ємного заряду. При прийнятих допущеннях вихідна система рівнянь руху має наступний вигляд: d2z dt2     Re  jEej( t n  h0 dz ) , (3) d   ( z ) dt e де,   , t - поточний час,  - азимутальm0 на координата h0   , E - амплітуда хвилі; Vф Vф фазова швидкість. Введемо нову незалежну змінну: x  t  n   h0dx . При цьому система рівнянь (3) наводиться до наступного вигляду:   d  1 dx  sin 0 dx     Esin x  sin 0  ,   dt   dt  h0 dt     n   де (4) 5 61842 2        n     E d    . sin 0  e ; Ee     2 E dz  2h0        (5) 6 При виконанні цієї умови захвачені у згусток електрони не можуть його покинути, тобто виникає автозахват електронів (автофазний режим).  З урахуванням визначення sin 0 та  умови (8) і (6) записуються відповідно так: Якщо в правій частині рівняння (4) знехтувати членом, який містить dx , то це рівняння співпадає за формою із ріdt внянням руху у автофазній ЛБХ [2], [3] із еквівалентним статичним полем E e , причому режиму підсилення сигналу, згідно [2], відповідає умова: Ee  0 . (6) У загальному випадку, коли не можна знехтуdx вати членом, що містить правій частині (4), dt умови (6) вже не достатньо для існування режиму захвата згустків при підсиленні ВЧ поля; необхідно ще виконати умову стійкості коливань електронів у згустку. Для визначення цієї умови розглянемо  e e B  dvф   n  B  0 ; 2   m0 m0 2  dz   (9) Таким чином, при виконанні умов (9) буде здійснюватися стійке перетворення енергії пучка в енергію електромагнітної хвилі, тобто підсилення ВЧ поля з високим ККД, який обмежується тільки можливістю монотонної зміни Vф відповідно з умовами (9) (можливістю зменшення кроку СС). Якщо в точках, де порушуються умови реалізованості, ввести стрибок магнітної індукції і фазової швидкості так, щоб величина 2      n       const , 2 2h0 (10)  випадок повільної зміни величин E ,   , sin0 на періоді коливань електрона, коли ці величини можна вважати постійними на цьому періоді. У цьому випадку можна ввести нову незалежну змінну x1  x  0 і записати (4) у вигляді системи рівнянь першого порядку: dx1  h0 x 2, dt (7)  , dx2 h sin 0   Esin( x1  0 )  sin 0  0 x2    dt n   причому x1  0 , x 2  0 - частинний розв'язок цієї системи. Стійкість цього рішення можна дослідити за методом Ляпунова [4], якщо взяти в якості функції Ляпунова величину: V1  x2 E 2  cos 0  cos( x1  0 )  x1 sin 0  , 2 h0 яка виразно позитивна поблизу x1  x2  0 та має знакопостійну похідну dV Eh0 sin 0 2 V2  1  X2 ,  dt  n знак якої залежить від знака коефіцієнта при X2 . 2 Тому, відповідно з теоремами Ляпунова [4], положення рівноваги x1  0 , x 2  0 стійко, якщо V2  0 , тобто при Eh0 sin 0   n 0 (8) z то еквівалентний потенціал UE   EEdz буде 0 безперервним у точці стрибка B і Vф (умова стійкості взаємодії пучка і хвилі [2]). При цьому Vф можна відновити до початкового значення, тобто продовжити взаємодію пучка та поля і, як наслідок, додатково збільшити ККД підсилювача до значень 80-95 %, що суттєво перевищує ККД прототипу, що характерно для автофазних приладів при виконанні умов реалізованості [2]. Умова (10) еквівалентна умові (1), якщо ввести Vф та (B  Vф ). Якщо умови (9), (10) не виконуються, то порушується стійкість згустка електронів і стійкість взаємодії пучка з НЧ-полем, що призводить до обмеження ККД (до значень ККД найбільш близького аналога ~40 %). Корисна модель може використовуватись при розробці потужних підсилювачів НВЧ сигналів. Джерела інформації: 1. Авторское свидетельство СССР, № 1730972A1, H01J25/00 10.07.89 (вx. 64 от 3.08.92), Способ усиления СВЧ-колебаний. 2. Белявский Е.Д. О режиме работы приборов О-типа с захватом электронных сгустков полем электромагнитной волны. Радиотехника и электроника, 1971 г. №1, с.208. 3. Белявский Е. Д. Автофазная ЛБВ. - Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ, 1973 г., вып. 4, с.30. 4. Ж. Ла-Сааль, Лифшец С. Исследование устойчивости прямым методом Ляпунова. Перевод с англ. "Мир", 1964 г. 7 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 61842 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601