КЛИСТРОН Российский патент 1999 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности к клистронам с ленточным электронным пучком и многолучевым клистронам.

Известны одно- и многолучевые клистроны [1] с двухзазорными резонаторами [2]. Такие резонаторы имеет более высокое, по сравнению с однозазорными, характеристическое сопротивление, что позволяет существенно увеличить широкополостность клистрона, а также коэффициент усиления без увеличения длины пространства взаимодействия. Недостатками подобных клистронов является относительно небольшое частотное разделение между рабочим и паразитными видами колебаний, что приводит к определенным трудностям в обеспечении стабильной работы клистрона в различных режимах. Кроме того, затруднено охлаждение центральной втулки подобных резонаторов, особенно в случае многолучевой конструкции.

Известны многолучевые клистроны с лучами, расположенными в один или несколько линейных рядов [3] , что позволяет улучшить охлаждение, а также клистроны с ленточным лучом [4] (прототип). У таких клистронов центральные втулки двухзазорных резонаторов представляют собой прямоугольные параллелепипеды, сквозь которые проходят пролетные каналы, образуя отверстия в торцевых стенках параллелепипеда. Боковые стенки параллелепипеда имеют одинаковую высоту, но различаются по длине в два и более раз.

Недостатком таких резонаторов является неоднородность СВЧ-поля по длине торцевых стенок, что снижает КПД клистронов. Кроме того, в отличие от традиционных аксиально-симметричных двухзазорных резонаторов, где наиболее близкими по частоте к рабочему виду колебаний оказывается синфазный или противофазный виды, в резонаторах с "длинной" центральной втулкой ближе всего по частоте к рабочему виду колебаний оказываются виды, у которых СВЧ- поле меняет знак по длине торцевых стенок центральных втулок. Для обеспечения стабильной работы клистрона необходимо подавить самовозбуждение на этих видах колебаний.

Изобретение направлено на решение следующей технической задачи: повышение коэффициента полезного действия клистрона и увеличение стабильности его работы за счет подавления генерации на паразитных видах колебаний.

Сущность технического решения указанной задачи заключается в том, что в клистроне с двухзазорными резонаторами, имеющими укрепленные на держателях центральные втулки, представляющие собой прямоугольные параллелепипеды с отверстиями пролетных каналов, а боковые стенки втулок, параллельные пролетным каналам, имеют разные длины, часть резонаторов имеют держатели центральной втулки, прикрепленные в серединах длинных боковых стенок, а часть имеют держатели, прикрепленные в серединах коротких боковых стенок центральных втулок.

На фигуре 1 изображен один из возможных вариантов исполнения такого клистрона с ленточным электронным пучком и двухзазорными резонаторами. Поля в зазорах взаимодействия каждого из резонаторов противофазны, центральные втулки имеют форму прямоугольных параллелепипедов, сквозь которые проходят отверстия пролетного канала, а баковые стенки, параллельны оси пролетного канала, отличаются по длине более чем в два раза. Клистрон содержит электронную пушку 1, входной резонатор 2 с центральной втулкой 3, укрепленной на двух держателях 4 в серединах коротких боковых стенок центральной втулки, ввод энергии 5, промежуточный резонатор 6 с одним держателем 4, укрепленным в середине длинной боковой стенки центральной втулки; выходной резонатор 7 с двумя держателями 4, укрепленными в серединах коротких боковых стенок центральной втулки, вывод энергии 8, пролетный канал 9 и коллектор 10.

На фигуре 2 изображен вариант многолучевого клистрона с линейным расположением отверстий пролетных каналов. Обозначения на фигуре 2 те же.

Работа клистрона осуществляется следующим образом. Электронные потоки формируются электронной пушкой 1 и попадают в пролетные каналы 9, отверстия которых проходят сквозь центральные втулки 3 резонаторов. СВЧ-поле через ввод энергии 5 попадает во входной резонатор 2, где модулирует электронные потоки по скорости. В резонаторном блоке, образованном резонаторами 2, 6, 7, электронные потоки группируются в сгустки и отдают свою энергию в зазорах взаимодействия выходного резонатора 7. Во входном и выходном резонаторах максимум поля рабочего вида колебаний в зазорах взаимодействия находится в середине торцевых стенок центральных втулок 3. В промежуточном резонаторе 6 в середине длинной стороны торцевой стенки втулки расположен минимум поля. Поэтому общее воздействие полей резонаторов на различные пучки усредняется, что повышает КПД. Из выходного резонатора 7 усиленный СВЧ-сигнал через вывод энергии 8 передается в нагрузку. Отработанные электроны попадают в коллектор 10. Частоты высших видов колебаний с противофазными полями в зазорах взаимодействия резонаторов 2 и 7 существенно (более чем на 10%) отличаются от частот соответствующих видов в резонаторе 6 из-за различного расположения держателей 4 центральных втулок 3. Вероятность самовозбуждения клистрона на этих видах колебаний уменьшается.

Таким образом, при использовании предлагаемого технического решения может быть достигнут следующий результат.

В резонаторах, у которых СВЧ-поля на рабочем виде колебаний в зазорах взаимодействия противофазны, а держатели центральной втулки прикреплены в серединах коротких боковых стенок, максимум напряженности электрической составляющей поля рабочего вида колебаний приходится на центр длинной стороны торцевой стенки параллелепипеда. Если же держатель или держатели центральной втулки прикреплены в серединах длинных боковых стенок, в центре длинной стороны торцевой стенки расположен минимум электрической составляющей.

При осуществлении предлагаемого технического решения электроны, движущиеся, например, в области максимального поля в резонаторе с держателями, прикрепленными в серединах длинных боковых стенок, попадут затем в резонатор с держателями, прикрепленными в серединах коротких боковых стенок центральной втулки, где окажутся в области минимальной напряженности поля. Благодаря этому усредняются условия воздействия СВЧ-поля на электроны или электронные лучи, проходящие в различных областях поперечного сечения зазоров взаимодействия резонаторов, что повышает КПД клистрона.

Кроме того, в резонаторах с различным расположением держателей центральной втулки оказываются существенно разнесенными частоты высших видов колебаний, у которых поля в зазорах взаимодействия противофазы. При попеременном расположении таких резонаторов вероятность паразитного самовозбуждения клистрона значительно уменьшается.

В резонаторах, у которых СВЧ-поля на рабочем виде колебаний в зазорах взаимодействия синфазны, положение держателей практически не влияет на распределение поля. Поэтому предложенное техническое решение в данном случае не повышает КПД клистрона, однако положительный эффект, связанный с подавлением паразитного самовозбуждения клистрона, наблюдается и в этом случае.

Таким образом, расположение в клистроне резонаторов, часть которых имеет держатели центральной втулки, расположенные в серединах длинных боковых стенок центральной втулки, а часть в серединах коротких стенок, повышает КПД клистрона и уменьшает возможность самовозбуждения клистрона на высших видах колебаний.

Литература
1. Гельвич Э.А. Тенденции развития мощных усилителей и генераторов электромагнитных колебаний СВЧ в отечественной радиоэлектронике. Электронная техника. Сер. 1: Электроника СВЧ. - вып. 1, 1995, с. 37.

2. Зусмановский С. А. , Зимин С.Ф., Симонов К.Г. Взаимодействие электронного потока с полем двухзазорного резонатора, работающего на противофазном виде колебаний. Электронная техника. Сер. 1: Электроника СВЧ. - 1967, вып. 6, с. 58 - 71.

3. Заявка N 97117054, Родионова Т.В. 29.09.1997.

4. Панов В. П. , Балябин А.Н. Клистрон с широким ленточным электронным пучком. Вопросы радиоэлектроники. Сер. 1: Электроника СВЧ. - 1963, N 3.

Изобретение относится к области СВЧ-приборов O-типа, в частности к клистронам с ленточным электронным пучком и многолучевым клистронам с линейным расположением пучков. Техническим результатом является повышение КПД и увеличение стабильности работы клистронов с двухзазорными резонаторами, что достигается за счет того, что у части резонаторов клистрона держатели центральной втулки прикреплены в середине длинной боковой стенки, а у другой части резонаторов держатели прикреплены в середине короткой боковой стенки центральной втулки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Клистрон с двухзазорными резонаторами, имеющими укрепленные на держателях центральные втулки, представляющие собой прямоугольные параллелепипеды с отверстиями пролетных каналов, причем боковые стенки втулок, параллельные пролетным каналам, имеют разные длины, отличающийся тем, что у части резонаторов держатели центральной втулки прикреплены в серединах ее длинных боковых стенок, а у другой части резонаторов держатели прикреплены к середине коротких боковых стенок центральной втулки. 2. Клистрон по п. 1, отличающийся тем, что боковые стенки центральных втулок, параллельные пролетным каналам, отличаются по длине более чем в два раза. 3. Клистрон по п. 1, отличающийся тем, что резонаторы с держателями, прикрепленными в серединах длинных боковых стенок, и резонаторы с держателями, прикрепленными в серединах коротких боковых стенок, расположены попеременно.