УСТРОЙСТВО ГРУППИРОВАНИЯ СГУСТКОВ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 1996 года по МПК H01J25/00 H01J25/10 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности оно может быть использовано в усилительных клистронах, которые находят применение в оконечных каскадах передатчиков, работающих в широкой полосе частот.

Для повышения КПД и коэффициента усиления в широкой полосе частот в современных усилительных клистронах используются многорезонаторные устройства группирования сгустков электронов, которые включают в себя все, кроме выходной, электродинамические системы клистрона, а именно входную электродинамическую систему, содержащую, как минимум, активный (пронизываемый потоком) резонатор и, в общем случае, связанные с ним пассивные резонаторы, и промежуточные электродинамические системы (также в общем случае содержащие и пассивные резонаторы), образующие усилитель-группирователь.

Широкополосные усилительные клистроны используются в режиме усиления широкополосного сигнала, полоса которого практически совпадает с рабочей полосой клистрона, или узкополосного сигнала, частота которого меняется по заданному закону в пределах рабочей полосы клистрона. В последнем случае выходная электродинамическая система делается также перестраиваемой (для обеспечения согласования ее проводимости с проводимостью потока) (см. А.З. Хайков. Клистронные усилители. М. Связь, 1974). Что же касается электродинамических систем усилителя-группирователя, то, поскольку осуществить их синхронную перестройку очень сложно, вне зависимости от режима (усиление широкополосного или перестраиваемого по частоте узкополосного сигнала), они, как правило, делаются неперестраиваемыми, т.е. имеют фиксированные частоты настройки. При этом большинство упомянутых систем настраивается на частоты, лежащие в пределах рабочей полосы клистрона, и таким образом достигается создание так называемого широкополосного сгустка, обеспечивающего примерно постоянный по амплитуде ток в пределах всей рабочей полосы.

Однако упомянутая фиксированная настройка большинства электродинамических систем усилителя-группирователя в пределах рабочей полосы при настройке входной системы на центр полосы не может не вызывать переформирования электронов в сгустках и связанной с этим неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Это обстоятельство затрудняет реализацию обоих (широкополосного и узкополосного) режимов работы клистрона.

Еще одним недостатком упомянутой фиксированной настройки усилителя-группирователя является требуемая высокая точность установки частоты каждой из его электродинамических систем, что трудно обеспечить в процессе производства клистронов из-за неизбежных конструктивно-технологических разбросов.

Известный группирователь сгустков электронов, используемый в усилительном клистроне [1] выбранный за прототип, содержит входную электродинамическую систему и несколько промежуточных резонаторов усилителя, настроенных на частоты, лежащие в пределах рабочей полосы. Усилитель также может содержать и пассивные резонаторы. Входная электродинамическая система усилителя-группирователя настроена так, что крайние максимумы ее АЧХ приходятся на крайние частоты полосы усиления, а каждый последующий резонатор линейного усилителя настроен на частоту выше частоты предыдущего и не совпадающую с максимумами АЧХ входной электродинамической системы.

В этом устройстве уменьшены перепады АЧХ и несколько повышен КПД в точках минимальной мощности, однако его недостатком остается переформирование сгустков электронов и их разгруппировка на некоторых частотах в пределах полосы усиления. При этом в устройстве сохраняется необходимость достаточно точной настройки, поскольку каждый из резонаторов обеспечивает свой участок АЧХ, и отклонение частоты его настройки от требуемой также вызывает неравномерность АЧХ. Наиболее сложной операцией является подстройка электродинамических систем группирователя (включающих активные и пассивные резонаторы), так как в процессе изготовления клистрона частоты настройки резонаторов, заранее установленные на "холодных" (без потока) измерениях, неизбежно смещаются, и их подстройка в "горячем" (с потоком) режиме из-за нелинейного влияния настройки каждого в пределах АЧХ затруднена.

Целью изобретения является устранение переформирования электронов в сгустках и их разгруппирования в пределах рабочей полосы, а также уменьшение зависимости АЧХ всего устройства от частоты настройки каждой из промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя при одновременном сохранении высокого КПД.

Цель достигается в устройстве группирования сгустков электронов, содержащем входную электродинамическую систему и n последовательно установленных по оси устройства промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя, где n > 3, в каждую из которых входит по крайней мере один активный резонатор, тем, что входная электродинамическая система настроена на крайнюю нижнюю частоту fн.ч. рабочей полосы частот с допуском, выбираемым из условия
f₁ f_н.ч. < 0,25 Δ f, где f₁ частота настройки входной электродинамической системы;
Δ f ширина рабочей полосы частот устройства, а все промежуточные электродинамические системы усилителя-группирователя настроены на частоту f_пром, смещенную за пределы рабочей полосы частот устройства в высокочастотную область и выбираемую из условия
(f_пром f_o) > 0,75 Δf, где f_o центральная частота рабочей полосы частот устройства.

При этом для улучшения АЧХ устройства каждая последующая из промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя может быть настроена на частоту ниже частоты предыдущей, причем эта расстройка выбирается из условия
δ f_пром << Δ f.

Между входной электродинамической системой и усилителем-группирователем могут быть установлены одна или две дополнительные электродинамические системы, причем первая дополнительная электродинамическая система настроена на частоту f₂, выбираемую из условия (f₂ f^o) > 0,25 Δf, а вторая электродинамическая система настроена на частоту f₃, выбираемую из условияf₃ f₂<< Δ f.

Сильная расстройка промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя приводит к тому, что их фазовые характеристики обеспечивают отсутствие переформирования электронного потока. При этом уменьшение величины их сопротивления компенсируется практически одинаковой настройкой этих систем. Одновременно работа вдали от резонанса исключает острую зависимость их импедансных характеристик от настройки, т.е. облегчает "горячую" настройку и эксплуатацию клистрона, в котором используется такое устройство группирования сгустков электронов. В то же время отстройка каждой последующей из промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя на частоту ниже частоты предыдущей исключает самовозбуждение устройства вблизи частоты их настройки.

Настройка входной электродинамической системы на крайнюю нижнюю частоту рабочей полосы частот устройства могла бы привести к спаду усиления по мере удаления от крайней частоты f₁ в пределах рабочей полосы, однако этого не происходит в связи с нарастанием усиления с ростом частоты, обусловленным вышеописанной настройкой промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя.

В случае, если характеристическое (волновое) сопротивление электродинамических систем группирователя не удается сделать большим и наблюдается провал в центральной части рабочей полосы, это можно устранить введением между входной электродинамической системой и усилителем-группирователем дополнительных электродинамических систем и настройкой их на частоты f₂ и f₃, соответственно выбираемые из условий f₂ f_o > 0,25 Δf; f₃ f₂| << Δ f.

Все вышеуказанные условия, в соответствии с которыми выбираются частоты настройки электродинамических систем устройства, вытекают из механизма группирования "слетающегося" сгустка (см. статью Ю.Р. Бесова, Ю.Л. Бобровского, Д. И. Ковалевой и О.В. Минеева. Об оптимальной структуре клистронов с распределенным взаимодействием. "Электронная техника", серия 4, "Электровакуумные и газоразрядные приборы", вып. 3 (138), 1992, с. 14-17) и подтверждаются результатами эксперимента, полученного на ЭВМ.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство группирования сгустков электронов.

Устройство содержит входную электродинамическую систему 1 и показанную штрихпунктиром настроенную на частоту f₂ > f₁ дополнительную электродинамическую систему 2 (наличие которой не является обязательным для обеспечения работоспособности устройства), усилитель-группирователь 3, содержащий в общем случае n промежуточных электродинамических систем 3₁ 3_n, где n ≥ 3.

В качестве примера на чертеже показаны четыре промежуточные электродинамические системы. Подача входного сигнала Р_вх осуществляется с помощью любого элемента 4 связи во входную электродинамическую систему 1. В результате в ней возбуждаются колебания, модулирующие (по скорости) электронный поток (показанный стрелкой на чертеже), который, распространяясь вдоль усилителя-группирователя, взаимодействует с высокочастотным электрическим полем, индуцируемым в каждой электродинамической системе. Скорость электронов в потоке становится переменной, что приводит к перераспределению плотности электронного потока, т.е. группированию электронов в сгустки. Электроны в потоке группируются в области дрейфа и возбуждают поле в каждой последующей промежуточной электродинамической системе усилителя-группирователя 3, расположенного по оси данного пучка. Причем настройка всех промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя 3 на частоту f_пром, более высокую, чем частота настройки входной электродинамической системы 1, обеспечивает догруппирование потока без переформирования сгустка электронов. При этом, поскольку все промежуточные электродинамические системы сильно отстроены и не требуют перестройки, отсутствует необходимость в сложной механической системе перестройки каждой из них.

Поскольку сущность изобретения связана с конкретной настройкой обычных электродинамических систем, используемых при разработке клистронов, реализация предлагаемого устройства не требует новых технологических приемов и может быть осуществлена известными методами (см. например, А.З. Хайков. Клистронные усилители. М. Связь, 1974, и И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. Т. 2. М. Высшая школа, 1972). При реализации изобретения получаемый на выходе предлагаемого устройства группирования широкополосный сгусток вводится в выходную систему клистронного усилителя. При этом в соответствии с изложенным выше в процессе изготовления устройства можно ограничиться примерно одинаковой "холодной" настройкой каждой из электродинамических систем усилителя-группирователя на одну и ту же частоту f_пром и лишь в небольших пределах подстраивать каждую электродинамическую систему в "горячем" состоянии с целью, во-первых, устранения возможных погрешностей "холодной" настройки, а во-вторых (если это требуется), с целью реализации небольшой отстройки каждого последующего резонатора для устранения опасности самовозбуждения. Вместе с тем, если осуществить упомянутую настройку заранее (в процессе изготовления устройства) и обеспечить достаточно точную "холодную" настройку, "горячая" настройка может не понадобиться, т.е. устройство может выполняться вообще без механизма перестройки входящих в него электродинамических систем.

Использование: в усилительных клистронах, которые находят применение в оконечных каскадах передатчиков, работающих в широкой полосе частот. Сущность изобретения: устройство группирования сгустков электронов содержит входную электродинамическую систему и n последовательно установленных по оси устройства промежуточных электродинамических систем усилителя - группирователя, где n> 3, в каждую из которых входит по крайней мере один активный резонатор, отличиями которого является то, что его входная электродинамическая система настроена на крайнюю нижнюю частоту рабочей полосы частот с допуском, выбираемым из условия, приведенного в описании. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ГРУППИРОВАНИЯ СГУСТКОВ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащее входную электродинамическую систему и n последовательно установленных по оси устройства промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя, где n > 3, в каждую из которых входит по крайней мере один активный резонатор, отличающееся тем, что входная электродинамическая система настроена на крайнюю нижнюю частоту f_{н . ч .} рабочей полосы частот с допуском, выбираемым из условия

где f₁ - частота настройки входной электродинамической системы;
Δf - ширина рабочей полосы частот устройства,
а все промежуточные электродинамические системы усилителя-группирователя настроены на частоту f_{п р о м}, смещенную за пределы рабочей полосы частот устройства в высокочастотную область и выбираемую из условия
(f_пром-f_o)> 0,75 Δf,
где f₀ - центральная частота рабочей полосы частот устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая последующая из промежуточных электродинамических систем усилителя-группирователя настроена на частоту ниже частоты предыдущей, причем эта расстройка выбрана из условия
δf_пром≪ Δf.
3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что между входной электродинамической системой и усилителем-группирователем установлена по крайней мере одна дополнительная электродинамическая система, настроенная на частоту f₂, выбираемую из условия

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что между дополнительной электродинамической системой и усилителем-группирователем установлена еще одна дополнительная электродинамическая система, частота f₃ настройки которой выбрана из условия