КОАКСИАЛЬНЫЙ ЧЕТЫРЕХЗАЗОРНЫЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 2001 года по МПК H01J25/10 H01P7/04 

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, а именно к конструкции резонаторов многолучевых СВЧ-приборов клистронного типа, например пролетного клистрона, клистрода и клистрона распределенного взаимодействия.

Известны широкополосные однолучевые усилительные клистроны, выходная резонансная система которых выполнена в виде многозазорных резонаторов, в частности четырехзазорного, с пролетными трубами, прикрепленными к корпусу металлическими стержнями.

Широко распространены четвертьволновые многозазорные резонаторы с противофазным типом колебаний, в которых сдвиг фаз между соседними зазорами составляет 180^o, поскольку эти резонаторы имеют наиболее высокое характеристическое сопротивление (пропорциональное квадрату числа зазоров) по сравнению с другими типами резонаторов, имеющими меньшее число зазоров или другой тип колебаний (см. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ: Численные методы расчета и проектирования. - М.: Радио и связь, 1984).

Хорошо известна, например, конструкция широкополосного усилительного клистрона, содержащего четырехзазорный резонатор, в корпусе которого металлическими стержнями прикреплены средние и крайние пролетные трубы, разделенные зазорами. Такой резонатор может работать как в режиме возбуждения синфазных колебаний (сдвиг по фазе между напряжениями на зазорах ноль градусов), так и в режиме противофазного возбуждения (сдвиг по фазе - 180^o). Однако такая резонаторная система имеет большие габариты при работе в длинноволновой части СВЧ-диапазона и сравнительно низкое характеристическое сопротивление (см. А/с СССР N 1659185/26-25, опубл. 26.01.1973, бюлл. N 9, 26.03.1973).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков и выбранным нами как прототип является коаксиальный четырехзазорный резонатор однолучевого пролетного клистрона, работающий на противофазном виде колебаний, внешний проводник которого, служащий корпусом резонатора, выполнен в виде полого металлического элемента, закрытого с двух сторон торцевыми крышками с закрепленными на этом корпусе концевыми пролетными втулками, а внутренний проводник имеет вид стержня, соединенного на одном конце с помощью дугообразного проводника с двумя промежуточными пролетными втулками, а на другом конце - с одной из торцевых крышек резонатора, причем центральная втулка, расположенная между двумя промежуточными втулками, соединена с корпусом резонатора коротким проводником, длина которого меньше четверти длины волны, так что отверстия в группе этих втулок образуют единый пролетный канал резонатора (см. А/с СССР N 1420197/26-25, опубл. 21.06.1971, бюлл. N 20, 26.08.1971).

Однако получение высоких значений КПД с использованием такой резонансной системы в однолучевых СВЧ-приборах клистронного типа затруднено по ряду причин. Прежде всего из-за того, что для эффективного отбора мощности в пространстве распределенного взаимодействия в таком резонаторе, имеющем одинаковые напряженности поля на зазорах, требуется "недогруппированный сгусток" электронов с вполне определенной величиной пространственного заряда, зависящей от микропервеанса пучка. Эта величина не должна превышать значений 1-1,5 мкА/В^3/2 (см. Бесов Ю.Р., Бобровский Ю.Л., Ковалева Д.И., Минеев О.В. Об оптимальной структуре клистронов с распределенным взаимодействием. // Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Вып. 3 (138), 1992). Это ограничивает ширину полосы усиливаемых частот СВЧ-приборов с такими резонаторами.

Этот недостаток может быть устранен в многолучевых СВЧ-приборах с многоканальными многозазорными резонаторами.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются уменьшение габаритных размеров прибора СВЧ, а также повышение эффективности обмена энергией между электронным потоком и полем этого резонатора.

Решение поставленных задач достигается тем, что коаксиальный четырехзазорный резонатор выполнен многоканальным, причем внешний проводник имеет вид полого металлического цилиндра со скачкообразным изменением внутреннего диаметра в его средней части, в которой расположены группы втулок, образующие пролетные каналы, причем оси всех каналов, включая каналы концевых пролетных втулок, параллельны оси коаксиала и удалены от нее на одинаковые расстояния, короткие проводники, соединяющие корпус резонатора с центральными втулками, расположены перпендикулярно оси коаксиала и закреплены в середине расширенной части внешнего проводника, а внутренний проводник последовательно соединен с группами промежуточных втулок посредством дугообразных проводников и дополнительных коротких проводников, расположенных радиально и закрепленных на конце внутреннего проводника.

Решение поставленных задач достигается также оптимальным выбором конструктивных элементов резонатора, при котором дугообразные проводники установлены под углом α по отношению к коротким проводникам, расположенным радиально и закрепленным на конце внутреннего проводника, так что центры поперечного сечения этих проводников, максимально удаленные от оси коаксиала, лежат на окружности, проходящей через центры пролетных каналов, а радиальный размер расширенной части внешнего проводника выбран из условия:

где R₁ - радиус суженной части внешнего проводника, м;
R₂ - радиус расширенной части внешнего проводника, м;
L_к - длина коротких проводников, закрепленных в середине расширенной части внешнего проводника, м;
d_вт - внешний диаметр пролетных втулок, м.

Кроме того, в части внешнего проводника, которая имеет меньший диаметр, расположен короткозамыкающий поршень, выполненный с возможностью перемещения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено поперечное сечение резонаторной системы, на фиг. 2 - продольное сечение в плоскости А-А, на фиг. 3 - изометрия с четвертным разрезом, где третья часть элементов системы, образующая пролетный канал условно не показана.

Резонатор содержит внешний проводник 1, служащий корпусом резонатора. Этот проводник выполнен в виде полого металлического элемента, представляющего цилиндр со скачкообразным изменением внутреннего диаметра в его средней части, в которой расположены группы втулок, образующие пролетные каналы. Внешний проводник закрыт с двух сторон торцевыми крышками 2 и 3, расположенными соответственно в расширенной и суженной его части. Внутренний проводник 4 имеет вид стержня, свободный конец которого последовательно соединен посредством дугообразных проводников 5 и дополнительных коротких проводников 6, расположенных радиально, с промежуточными пролетными втулками 7 и 8. Другой конец внутреннего проводника соединен с одной из торцевых крышек резонатора 3. Короткие проводники 9, соединяющие корпус резонатора с центральными втулками 10, расположены перпендикулярно оси коаксиала и закреплены в середине расширенной части внешнего проводника, так что отверстия в группе этих втулок образуют пролетные каналы, причем все каналы, включая каналы концевых пролетных втулок 11 и 12, прикрепленных на торцевой 2 и радиальной 13 крышках, параллельны оси коаксиала и удалены от нее на одинаковые расстояния. В части внешнего проводника, которая имеет меньший диаметр, помещен короткозамыкающий поршень 14 с контактной пружиной 15, перемещаемый с помощью штока 16. Четырехзазорный резонатор должен встраиваться в блок резонаторов СВЧ-приборов. При этом необходимо, чтобы основные элементы конструкции резонаторов блока были однотипны. Такими элементами конструкции являются размеры внешнего проводника 1, промежуточных пролетных втулок 7 и 8, центральных втулок 10, концевых пролетных втулок 11 и 12. При работе прибора настройка резонатора на частоту сигнала производится перемещением короткозамыкающего поршня 14.

Предлагаемая резонаторная система работает следующим образом. Через коаксиальный ввод энергии в устройство, состоящее из помещенной внутри внешнего проводника 1 группы втулок с системой четвертьволновых коротких проводников, нагруженных каждый на емкость четвертного зазора, поступает СВЧ-энергия и возбуждаются колебания. Так как короткие проводники 6 радиально закреплены на конце внутреннего проводника 5 и имеют одинаковые геометрические размеры, а сильная связь между контурами осуществляется за счет протекания высокочастотных токов по внутреннему проводнику, то такая резонансная система резонирует как единое целое на одной резонансной частоте, соответствующей основной моде ТЕМ-вида колебаний. При этом путь общего высокочастотного тока начинается с места крепления в торцевой части корпуса резонатора внутреннего проводника. В этом месте высокочастотный ток максимален и, следовательно, максимально электромагнитное поле. После протекания этого тока через стержень общий ток разветвляется на равные доли, которые текут, постепенно убывая по амплитуде, по параллельным цепочкам через короткие проводники 6 и далее через дугообразные проводники 5 по направлению промежуточным втулкам 7 и 8. В результате возбуждения многолучевой резонаторной системы этими токами в каждом из четвертных бессеточных зазоров будут действовать противофазные высокочастотные электрические поля. Электронные лучи, пролетая через эти зазоры, будут взаимодействовать с продольной компонентой этих полей, отбирая часть электромагнитной энергии резонатора. Большое пространственное разнесение лучей при высокой однородности высокочастотного поля в зазорах позволяет применять пушки с большой сходимостью лучей, упрощает конструкцию, надежность и долговечность катодной системы и всего СВЧ-прибора.

Примером конкретной реализации четырехзазорного резонатора является лабораторный макет с внутренними размерами расширенной части внешнего проводника диаметром 120 мм и высотой 78 мм, показанный на снимках: фиг. 4 - вид сверху, фиг. 5 - вид сбоку и фиг. 6 - общий вид.

Экспериментальные зависимости характеристического сопротивления на основной гармонике от длины перемещения поршня 14 показаны на фиг. 7. Такая электродинамическая система имеет в диапазоне перестройки от 295 до 370 МГц во всех пролетных каналах характеристическое сопротивление ρ, в этом диапазоне - от 470 Ом до 570 Ом - кривая 1. Причем ρ для первых двух зазоров, образованных втулками 12, 7 и 10, оно изменяется в пределах от 350 до 400 Ом - кривая 2; а для вторых двух зазоров, образованных втулками 2, 8 и 10, от 110 Ом до 210 Ом - кривая 3. Зависимости частоты от перемещения поршня показаны на фиг. 8, где кривая 1 - изменение основной частоты f₁; 2 - обертона f₂. Диапазон перестройки по частоте составляет примерно 20%.

Использование: многолучевые СВЧ-приборы клистронного типа, например клистроды и клистроны распределенного взаимодействия, которые могут использоваться в электронной технике в качестве усилителей и генераторов. Коаксиальный четырехзазорный резонатор выполнен многоканальным, причем внешний проводник имеет вид полого металлического цилиндра со скачкообразным изменением внутреннего диаметра в его средней части, в которой расположены группы втулок, образующие пролетные каналы. Оси всех каналов параллельны оси коаксиала и удалены от нее на одинаковые расстояния. Короткие проводники, соединяющие корпус резонатора с центральными втулками, расположены перпендикулярно оси коаксиала и закреплены в середине расширенной части внешнего проводника, а внутренний проводник последовательно соединен с группами промежуточных втулок посредством дугообразных проводников и дополнительных коротких проводников, расположенных радиально и закрепленных на конце внутреннего проводника. В части внешнего проводника, которая имеет меньший диаметр, расположен короткозамыкающий поршень, выполненный с возможностью перемещения. Техническим результатом является уменьшение габаритных размеров прибора СВЧ, а также повышение эффективности обмена энергией между электронным потоком и полем резонатора. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Коаксиальный четырехзазорный резонатор пролетного клистрона, работающий на противофазном виде колебаний, внешний проводник которого, служащий корпусом резонатора, выполнен в виде полого металлического элемента, закрытого с двух сторон торцевыми крышками с закрепленными на этом корпусе концевыми втулками, а внутренний проводник имеет вид стержня, соединенного на одном конце с помощью дугообразного проводника с двумя промежуточными втулками, а на другом конце - с одной из торцевых крышек резонатора, причем центральная втулка, расположенная между двумя промежуточными втулками, соединена с корпусом резонатора коротким проводником, длина которого меньше четверти длины волны, так что отверстия в группе этих втулок образуют единый пролетный канал резонатора, отличающийся тем, что резонатор выполнен многоканальным, причем внешний проводник имеет вид полого металлического цилиндра со скачкообразным изменением внутреннего диаметра в его средней части, в которой расположены группы втулок, образующие пролетные каналы, причем оси всех каналов, включая каналы концевых пролетных втулок, параллельны оси коаксиала и удалены от нее на одинаковые расстояния, короткие проводники, соединяющие корпус резонатора с центральными втулками, расположены перпендикулярно оси коаксиала и закреплены в середине расширенной части внешнего проводника, а внутренний проводник последовательно соединен с группами промежуточных втулок посредством дугообразных проводников и дополнительных коротких проводников, расположенных радиально и закрепленных на конце внутреннего проводника. 2. Коаксиальный четырехзазорный резонатор по п.1, отличающийся тем, что дугообразные проводники установлены под углом α по отношению к коротким проводникам, расположенным радиально и закрепленным на конце внутреннего проводника так, что центры поперечного сечения этих проводников, максимально удаленные от оси коаксиала, лежат на окружности, проходящей через центры пролетных каналов, а радиальный размер расширенной части внешнего проводника выбран из условия

где R₁ - радиус суженной части внешнего проводника, м;
R₂ - радиус расширенной части внешнего проводника, м;
L_к - длина коротких проводников, закрепленных в середине расширенной части внешнего проводника, м;
d_вт - внешний диаметр пролетных втулок, м. 3. Коаксиальный четырехзазорный резонатор по п.1, отличающийся тем, что в части внешнего проводника, которая имеет меньший диаметр, расположен короткозамыкающий поршень, выполненный с возможностью перемещения.