МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН Российский патент 1999 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ, в частности к многолучевым клистронам, которые могут найти применение в качестве оконечных усилителей передатчиков радиолокационных станций, систем связи и других установках, преимущественно дециметрового и низкочастотной части сантиметрового диапазона.

Известен многолучевой клистрон - аналог - с резонаторами в виде закороченных волноводов и несколькими расположенными в один ряд электронными пучками, оси которых перпендикулярны волноводам [1]. В резонаторах возбуждается электромагнитная волна типа H_10n, причем торцы пролетных труб расположены в максимумах электрической составляющей поля.

Недостатком подобной конструкции является сложность и большие габариты клистрона.

Известна конструкция многолучевого клистрона [2] (прототип), в зазорах взаимодействия резонаторов которого все электронные пучки расположены в зоне одной полуволны электрического поля. При этом поперечное расположение пролетных каналов является аксиально симметричным, в виде нескольких концентрических кольцевых рядов.

Недостатком такой конструкции является трудность охлаждения стенок пролетных каналов внутренних рядов, что ограничивает суммарную мощность электронных потоков и, следовательно, выходную мощность клистрона. Кроме того, в случае применения магнитной фокусирующей системы, насыщение магнитомягкого материала полюсных наконечников в перемычках между пролетными отверстиями одного ряда препятствует максимально компактному расположению отверстий. Это приводит к увеличению поперечного сечения емкостных выступов резонаторов клистрона, снижению их характеристического сопротивления и, как следствие, препятствует получению широкой полосы рабочих частот.

Целью изобретения является увеличение выходной средней мощности клистрона и расширение полосы рабочих частот.

Поставленная цель достигается тем, что в многолучевом клистроне отверстия пролетных каналов расположены линейно в два ряда, причем расстояния между любыми соседними отверстиями одинаковы. Резонаторы выполнены в виде отрезков закороченных на концах волноводов, расположенных перпендикулярно осям пролетных каналов и параллельно плоскости, на которой лежат оси пролетных каналов одного ряда. Все электронные пучки расположены в зоне одной полуволны электрического поля, а длина каждого ряда пучков не превышает величины 0.25 от длины волны в волноводах, образующих резонаторы клистрона.

На чертеже изображен один из возможных вариантов исполнения такого многолучевого клистрона с линейным двухрядным расположением отверстий пролетных каналов и резонаторами, выполненными в виде отрезков коаксиальных волноводов.

Многолучевой клистрон содержит электронную пушку 1, входной резонатор 2 с вводом энергии 3, промежуточный резонатор 4, выходной резонатор 5 с выводом энергии 6, причем резонаторы выполнены в виде отрезков коаксиального волновода, а также полюсные наконечники 7 и коллектор 8. Отверстия пролетных каналов 9 расположены в два ряда таким образом, чтобы расстояния между любыми соседними отверстиями были одинаковыми.

Работа клистрона осуществляется следующим образом. Электронные потоки формируются электронной пушкой 1 и попадают в пролетные каналы 9. Фокусируются электронные потоки продольным магнитным полем, конфигурация которого определяется полюсными наконечниками 7. СВЧ-волна подается во входной резонатор 2 через ввод энергии 3 и модулирует электронные потоки по скорости. После прохождения резонаторного блока электронные потоки группируется в сгустки и отдают свою энергию в зазоре взаимодействия выходного резонатора 5. Через вывод энергии 6 СВЧ-мощность поступает в нагрузку. Отработавшие электронные потоки попадают в коллектор 8.

Расположение отверстий пролетных каналов 9 линейно в два ряда позволяет без существенного усложнения конструкции провести каналы охлаждения в непосредственной близости от каждого пролетного канала, по крайней мере с одной стороны. Это позволяет существенно понизить температуру стенок пролетных каналов и благодаря этому увеличить среднюю мощность электронного потока, а следовательно и среднюю выходную мощность клистрона.

Расположение отверстий пролетных каналов, при котором расстояния между любыми соседними отверстиями одинаковы, является наиболее компактным. Кроме того, линейное двухрядное расположение отверстий позволяет уменьшить расстояния между соседними отверстиями по сравнению с аксиально симметричным расположением, при одинаковой толщине магнитных полюсных наконечников. Этот эффект объясняется тем, что при аксиально симметричном расположении через перемычки между отверстиями одного ряда пролетных каналов в полюсных наконечниках проходит магнитный поток, величина которого пропорциональна площади окружности, на которой расположены центры пролетных каналов. Перемычки должны быть достаточной ширины, чтобы избежать магнитного насыщения материала полюсных наконечников. При линейном двухрядном расположении отверстий магнитный поток, проходящий через перемычки, пропорционален площади треугольника, образованного прямыми, соединяющими центры трех соседних отверстий. Поэтому, индукция магнитного поля в перемычках при линейном расположении меньше, чем при аксиально симметричном, в 1.5-3 раза при прочих равных условиях, что позволяет соответственно уменьшить расстояния между отверстиями пролетных каналов. Таким образом, линейное двухрядное расположение существенно более компактно, чем аксиально симметричное. За счет этого уменьшается площадь зазора взаимодействия резонаторов клистрона, а следовательно увеличивается их характеристическое сопротивление. Увеличение характеристического сопротивления резонаторов позволяет увеличить широкополосность клистрона.

Ограничение длины L-рядов отверстий пролетных каналов не более 0.25 длины волны в волноводе, образующем резонатор, вызвано необходимостью обеспечения равномерности напряженности электрического СВЧ-поля в зазоре взаимодействия резонаторов. Если приведенное выше соотношение не будет выполнено, неравномерность величины напряженности может превысить 50%, что, как показывает эксперимент, приводит к снижению КПД клистрона.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет увеличить среднюю мощность клистрона, а также расширить полосу рабочих частот.

Литература
1. Патент США N 3248597 кл. 315-5.16 опубл. 26 апр 1966 г.

2. Edward A. Gelvich, Ludvik M. Borisov, Yevgeny U. Zhary, Anatoli D. Zakurdayev, Alexandr S.Pobedonostsev, and Victor I. Poognin. The New Generation of High-Power Multiple-Beam Klystrons. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. Vol. 41 NO. 1, JANUARY 1993.

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ. Изобретение направлено на решение технической задачи увеличения выходной средней мощности многолучевого клистрона и расширения полосы рабочих частот. Сущность технического решения указанной задачи заключается в том, что в клистроне резонаторы выполнены в виде отрезков волноводов, отверстия пролетных каналов расположены линейно в два ряда, отверстия расположены таким образом, что расстояния между любыми соседними отверстиями, одинаковы, длина каждого ряда L подчиняется соотношению L ≤ 0,25•λ_в, где λ_в - длина волны в волноводах, образующих резонаторы клистрона. 1 ил.

Многолучевой клистрон, содержащий пролетные каналы, магнитные полюсные наконечники и резонаторы, в зазорах взаимодействия которых все электронные пучки расположены в зоне одной полуволны электрического поля, отличающийся тем, что отверстия пролетных каналов расположены линейно в два ряда, расстояния между любыми соседними отверстиями одинаковы, резонаторы выполнены в виде отрезков закороченных на концах волноводов, расположенных перпендикулярно осям пролетных каналов и параллельно плоскости, на которой лежат оси пролетных каналов одного ряда, причем длина L каждого ряда отверстий подчиняется соотношению
L≤0,25λ_в,
где λ_в - длина волны в волноводах, образующих резонаторы клистрона.