РЕЗОНАТОР ДЛЯ НЕСИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА Российский патент 1995 года по МПК H01J23/18 

Изобретение относится к СВЧ-электронике, а конкретно к устройству резонаторов клистронов, и может быть использовано для создания усилительных и генераторных приборов этого типа. Предлагаемое техническое решение является усовершенствованием известного устройства [1]
Известный резонатор для несинусоидального периодического сигнала содержит корпус и размещенную внутри него втулку, укрепленную на стержне, размеры которого выбираются из следующих соотношений:
d 1-0,83arctg-2r_l+l;
λ_прот 2 λ_синф, где С₀ емкость двойного бессеточного зазора;
Z₀ волновое сопротивление резонатора;
r_l внешний радиус втулки;
l длина втулки;
d диаметр стержня;
λ_синф. λ_прот длина волны синфазного и противофазного видов колебаний соответственно, т.е. размеры двухзазорного резонатора выбираются по строго определенным соотношениям. Это позволяет возбуждать резонатор на противофазном виде колебаний, длина волны которого в два раза больше длины волны синфазного вида.

Недостатком такой конструкции является отсутствие элементов подстройки как основной, так и удвоенной частоты. Настройка резонатора получается только за счет строгого соблюдения заданной геометрии. При этом любые отклонения от размеров при изготовлении резонаторов не позволяют получить кратных частот и нет возможности скомпенсировать уход частот. Кроме того, изменение частот во время работы резонатора также не корректируется.

Целью изобретения является упрощение настройки резонатора на кратные резонансные частоты.

Цель достигается тем, что резонатор для несинусоидального периодического сигнала, содержащий размещенную внутри корпуса втулку, укрепленную на стержне, размеры которого выбираются из следующих соотношений:
d 1-0,83arctg-2r_l+l;
λ_прот 2 λ_синф, где С₀ емкость двойного бессеточного зазора;
Z₀ волновое сопротивление резонатора;
r_l внешний радиус втулки;
l длина втулки;
d диаметр стержня;
λ_прот, λ_синф длина волны противофазного и синфазного видов колебаний соответственно, снабжен двумя плоскими ребрами, установленными с возможностью перемещения параллельно крышкам, причем плоскость одного ребра расположена параллельно плоскости боковых крышек резонатора, а плоскость другого ребра перпендикулярно. Кроме того, для расширения диапазона перестройки основной частоты одно из ребер выполнено в виде части кольца.

Резонатор отличается тем, что в него введены два плоских ребра с возможностью перемещения параллельно крышкам, причем плоскость одного ребра расположена параллельно плоскости боковых крышек резонатора, а плоскость другого ребра перпендикулярно. Для расширения диапазона перестройки основной частоты одно из ребер выполнено в виде части кольца. Таким образом, заявляемый двухзазорный резонатор соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с известными позволило установить, что совокупность отличительных признаков обеспечивает двухзазорному резонатору соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг.1 представлен вариант выполнения резонатора с подстроечными элементами; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 график изменения основной частоты и удвоенной частоты в зависимости от перемещения ребра элемента подстройки, расположенного перпендикулярно крышкам резонатора; на фиг.4 приведен график изменения основной частоты и удвоенной частоты в зависимости от перемещения элемента подстройки, плоскость которого расположена параллельно крышкам резонатора.

Резонатор представляет собой объем, образованный корпусом 1 и боковыми крышками 2 с отверстиями 3 для пролета электронов и размещенную внутри корпуса 1 на стержне 4 втулку 5. В корпус 1 введены элементы подстройки, выполненные в виде плоских ребер 6, 7, расположенных параллельно и перпендикулярно крышкам резонатора 2.

При прохождении через отверстия 3 корпуса 1 резонатора потока электронов в резонаторе возбуждается противофазный вид колебаний (основной) частоты, которая определяется распределенными емкостью в высокочастотных зазорах, расположенных между втулкой 5 и крышками 2, и индуктивностью стержня 4. Кроме противофазного вида колебаний в резонаторе существует синфазный вид колебаний, частота которого определяется в первом приближении внутренним диаметром цилиндра. Диаметр цилиндра выбирают так, чтобы частота синфазного вида колебаний была близка к второй гармонике. При этом основная частота (противофазный вид колебаний) подбирается за счет изменения диаметра стержня 4 или площади поверхности втулки 5. Для независимой настройки резонатора на частоту основного вида колебаний и колебаний удвоенной частоты введены в корпус резонатора элементы подстройки, выполненные в виде двух плоских тонких ребер 6, 7 расположенных соответственно параллельно и перпендикулярно крышкам резонатора 2. Такая конструкция элементов подстройки позволяет при незначительном изменении электродинамических параметров резонатора Q, ρ плавно в достаточно широком диапазоне независимо перестраивать частоту основного вида колебаний и колебаний удвоенной частоты. Независимость действия элементов подстройки объясняется тем, что, как известно, проводящие тонкие плоскости, расположенные по отношению к электромагнитному полю волны так, что электрические силовые линии проходят нормально к их поверхности, а магнитные силовые линии по касательной, не возмущают поля данной волны. Следовательно, если расположить плоский элемент подстройки так, чтобы он по отдельности возмущал поля основного вида колебаний, перестраивая тем самым его частоту, при этом практически не влияя на поле колебаний удвоенной частоты, то получим избирательную подстройку основной частоты.

Аналогично можно поступить с полями колебаний на частоте второй гармоники. Структуры полей синфазного и противофазного видов колебаний хорошо известны, что позволяет расположить элементы подстройки в объеме так, чтобы они действовали максимально независимо.

Для экспериментальной проверки действия элементов подстройки был выбран двухзазорный цилиндрический резонатор объемом 53 х 26 мм с центральной втулкой ⊘ 10 х ⊘ 7 х 10 мм, укрепленной на стержне диаметром 5 мм. Крышки резонатора имели пролетные трубы ⊘ 18 х 6,5 х 5 мм. Экспериментально снимались зависимости изменения резонансных частот синфазного и противофазного вида колебаний в зависимости от глубины погружения в объем элементов подстройки. На фиг.3 видно, что ребро, расположенное перпендикулярно крышкам резонатора, очень хорошо смещает частоту противофазного вида колебаний (более чем на 300 МГц), практически не влияя на частоту синфазного вида колебаний. На фиг.4 показано изменение, связанное с перемещением в объеме плоского ребра, расположенного параллельно крышкам резонатора. Хорошо видно, что при изменении частоты противофазного вида колебаний более чем на 250 МГц частота синфазного вида колебаний практически неизменна. При этом в резонаторе характеристическое сопротивление для противофазного вида колебаний составило 250-300 Ом, для синфазного вида колебаний 150-170 Ом. При перемещении подстроечных элементов на глубины до 15 мм значения ρ менялись не более, чем на 5% Для более эффективной работы подстроечного элемента противофазного вида колебаний его форма выбрана так, чтобы максимально эффективно использовать емкость ребра элемента подстройки на центральную втулку резонатора. Применение подстроечных элементов, выполненных в виде плоских ребер, расположенных параллельно и перпендикулярно крышкам резонатора, позволяет эффективно и независимо перестраивать частоту основного вида колебаний и колебаний удвоенной частоты в широком диапазоне, что, в свою очередь, расширяет функциональные возможности приборов на основе таких резонаторов без существенного усложнения.

Использование: изобретение относится к СВЧ - электронике, к устройству резонаторов клистронов, и может быть применено при создании усилительных и генераторных приборов клистронного типа. Сущность изобретения: введение двух плоских ребер с возможностью перемещения параллельно крышкам, причем плоскость одного ребра расположена перпендикулярно плоскости боковых крышек резонатора, а плоскость другого ребра - параллельно, причем одно из ребер может быть выполнено в виде части кольца для расширения диапазона перестройки основной частоты, обеспечивает упрощение настройки резонатора на кратные рабочие частоты. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. РЕЗОНАТОР ДЛЯ НЕСИНУСОИДАЛЬНОГО СИГНАЛА, выполненный с возможностью одновременного возбуждения кратных по частоте противофазного и синфазного видов колебаний, содержащий корпус и размещенную в нем втулку, которая укреплена на стержне и образует вместе с торцевыми крышками двойной бессеточный зазор, отличающийся тем, что в корпус резонатора введены с возможностью радиального перемещения два плоских ребра, которые взаимно перпендикулярны, при этом плоскость ребра, предназначенного для перестройки частоты противофазного вида колебаний, расположена параллельно торцевым крышкам, а плоскость ребра для перестройки синфазного вида колебаний - перпендикулярно торцевым крышкам. 2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что одно из плоских ребер выполнено в виде части кольца, которое охватывает втулку. 3. Резонатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что толщину t ребер определяют из условия
t_м< t< 0,05 λ,
где λ длина волны соответствующего вида колебаний, перестраиваемого другим ребром, м;
t_м минимальная толщина, определяемая устойчивостью ребра к механическим и тепловым нагрузкам, м.