МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН Российский патент 2004 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ, в частности к низковольтным многолучевым клистронам средней мощности, используемым в качестве оконечных усилителей в передатчиках радиолокационных станций, систем связи и в других радиотехнических установках, работающих в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов.

Известен многолучевой клистрон средней мощности (патент РФ №2075131, МПК H 01 J 25/10, опубликован 10.03.1997 г.), содержащий многолучевую электронную пушку, коллектор электронов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, входной, выходной и промежуточные однозазорные кольцевые резонаторы. Резонаторы выполнены в виде свернутых в кольцо отрезков П-образного волновода. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Н₁₀₀. В волноводах резонаторов пространство между стенкой с прямоугольным выступом и плоской стенкой образует кольцевой СВЧ-зазор, вдоль которого периодически расположены пролетные каналы таким образом, чтобы их оси были параллельны оси резонатора. Для предотвращения возбуждения резонаторов на других типах волн, по крайней мере, в одном из резонаторов имеются радиальные щели, расположенные диаметрально противоположно в плоскости ввода/вывода энергии. В щелях установлены поглотительные элементы.

Однако данная конструкция клистрона не пригодна для использования в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, потому что в этом диапазоне длин волн используемые резонаторы имеют очень маленькие размеры. За счет этого они имеют небольшую величину добротности Q и небольшую суммарную площадь отверстий пролетных каналов, ограничивающую суммарный ток многолучевого электронного потока в пределах 0.4-0.6 А. Поэтому невозможно реализовать большую выходную СВЧ-мощность (выше одного киловатта) и большой коэффициент усиления (выше 35 дБ) при работе в непрерывном и квазиимпульсном режиме с низким (не выше пяти киловольт) ускоряющим напряжением на резонаторах.

Известен также многолучевой клистрон средней мощности (патент РФ №2125319, МПК H 01 J 25/10, опубликован 20.01.1999 г.), содержащий многолучевую электронную пушку, коллектор электронов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, входной, выходной и промежуточные двухзазорные линейные резонаторы, выполненные в виде закороченных на концах отрезков коаксиального волновода. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Н₀₁₁. Пространство между внутренним проводником и стенкой волновода образует в направлении движения электронов два последовательно расположенных СВЧ-зазора. Пролетные каналы расположены вдоль оси волновода линейно, в два ряда таким образом, чтобы их оси были перпендикулярны оси волновода, расстояние между соседними пролетными каналами было одинаковым, а длина каждого ряда каналов не превышает величины 0.25 Λ , где Λ - длина волны в волноводе.

Однако данная конструкция клистрона также не пригодна для использования в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов по тем же самым причинам, что и предыдущая конструкция клистрона.

Наиболее близким к заявляемому является многолучевой клистрон (патент США №3248597, НКИ 315-5.16, опубликован 26.04.1966 г.), содержащий несколько электронных пушек и коллекторы электронов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, входной, выходной и промежуточные однозазорные линейные резонаторы, выполненные в виде закороченных на концах волноводов. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Н_10n. Вдоль волноводов в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля периодически размещены узлы СВЧ-взаимодействия в виде расположенных на противоположных стенках волновода двух полюсных наконечников с пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов резонаторов. Полюсные наконечники образуют один СВЧ-зазор в направлении движения электронов. Между структурами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля расположены отражающие электродинамические элементы типа индуктивной диафрагмы, выполненные в виде стержней. Узел ввода СВЧ-энергии, содержащий вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно, расположен во входном резонаторе, а узел вывода СВЧ-энергии, содержащий вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно, расположен в выходном резонаторе.

Данная конструкция клистрона пригодна для применения в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. В нем суммарный ток многолучевого электронного потока может быть существенно выше 0.5 А за счет использования большого числа электронных пушек. Поэтому в этом клистроне можно реализовать большие величины выходной СВЧ-мощности (выше одного киловатта). Однако в требуемом диапазоне длин волн при низком ускоряющем напряжении на резонаторах (в несколько единиц киловольт) и небольшой плотности тока в электронных пучках (не выше 10 А/см²) его электронный коэффициент полезного действия не превышает 10-15%, а коэффициент усиления - 10-15 дБ, потому что наличие в узлах СВЧ-взаимодействия входного, выходного и промежуточных резонаторов только одного СВЧ-зазора не обеспечивает высокой эффективности взаимодействия электронных лучей с СВЧ-полем. Кроме этого, клистрон может работать с большой выходной СВЧ-мощностью только в импульсном режиме, потому что в непрерывном и квазиимпульсном режимах в известных конструкциях выводов СВЧ-энергии разрушаются вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна.

Изобретение направлено на решение задачи создания низковольтного, многолучевого клистрона средней мощности, работающего в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, обладающего высоким электронным коэффициентом полезного действия, большим коэффициентом усиления и широкой полосой усиливаемых частот.

Для решения поставленной задачи в многолучевом клистроне, содержащем электронные пушки и коллекторы, входной, выходной и промежуточные резонаторы в виде волноводов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, в которых расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, узлы СВЧ-взаимодействия, расположенные в волноводах периодически по их длине в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля, и отражающие электродинамические элементы, расположенные между узлами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля при этом узлы СВЧ-взаимодействия снабжены пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов, согласно изобретению каждый узел СВЧ-взаимодействия выполнен в виде ряда параллельных металлических пластин, расположенных параллельно стенкам волновода и перпендикулярно оси пролетного канала. Кроме этого, узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде волновода, соединенного с волноводом выходного резонатора посредством электродинамических элементов связи в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, а вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна расположены в электродинамических элементах связи. Причем электродинамические элементы связи могут быть выполнены в виде отрезков волноводов, а также электродинамические элементы связи могут содержать резонансные диафрагмы, расположенные со стороны выходного резонатора.

Узлы СВЧ-взаимодействия, содержащие несколько СВЧ-зазоров в направлении движения электронов, позволяют реализовать в них каскадное взаимодействие электронов с поперечной компонентой электрического СВЧ-поля стоячей волны. Как показывают расчеты, за счет этого во входном и промежуточном резонаторах интенсивность модуляции электронных пучков по скорости, определяющая величину коэффициента усиления клистрона, будет пропорциональна их добротности Q и числу Р СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия, а в выходном резонаторе интенсивность обмена энергией между СВЧ-полем и образующимися сгустками электронов, определяющая величину электронного коэффициента полезного действия, будет пропорциональна Q и Р в узлах СВЧ-взаимодействия этого резонатора. Для того чтобы во входном и промежуточном резонаторах интенсивная модуляция пучков по скорости обеспечивалась на длине волны λ входного сигнала и при ускоряющем напряжении V, длина периода L между пластинами в узлах СВЧ-взаимодействия должна задаваться выражением , соответствующем выполнению в СВЧ-зазорах условия пространственно-фазового синхронизма между СВЧ-полем и формирующимися сгустками электронов. В выходном резонаторе для обеспечения высокого электронного коэффициента полезного действия с помощью данного выражения определяется длина первого периода узла СВЧ-взаимодействия, а длина последующих периодов должна уменьшаться по закону, обеспечивающему в СВЧ-зазорах выполнение условия пространственно-фазового синхронизма по мере торможения сгустков электронов.

Отражающие электродинамические элементы, расположенные в волноводах входного, промежуточного и выходного резонаторов, обеспечивают в узлах СВЧ-взаимодействия синхронизацию фазы СВЧ-полей в СВЧ-зазорах.

Выполнение узла вывода СВЧ-энергии в виде волновода, который соединен с волноводом выходного резонатора в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля через электродинамические элементы связи, содержащие вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, позволяет уменьшить долю выходной СВЧ-энергии, проходящей через каждое вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно, пропорционально числу N электродинамических элементов связи и тем самым предотвратить разрушение вакуумно-плотных диэлектрических СВЧ-окон при работе клистрона в непрерывном и квазиимпульсном режимах с большими величинами выходной мощности. Наличие в электродинамических элементах связи резонансных диафрагм позволяет обеспечить добротность выходного резонатора, необходимую для высокоэффективного взаимодействия сгустков электронов с СВЧ-полем в СВЧ-зазорах.

Так как коэффициенты модуляции электронных пучков по скорости во входном и промежуточном резонаторах, а также величина энергообмена в выходном резонаторе пропорциональны добротности Q резонаторов и числу СВЧ-зазоров Р в узлах СВЧ-взаимодействия, то требуемые величины коэффициента усиления и электронного коэффициента полезного действия можно реализовать при меньших величинах Q за счет увеличения Р.

Тем самым можно увеличить полосу пропускания резонаторов и, следовательно, увеличить полосу усиливаемых частот.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом изобретении “изобретательского уровня”.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен вид клистрона спереди; на фиг.2 - вид сбоку; на фиг.3 - вид сверху; на фиг.4 - вид узла СВЧ-взаимодействия; на фиг.5 - вид пластины узла СВЧ-взаимодействия с пролетными каналами.

На данных фигурах введены обозначения:

1 - электронные пушки,

2 - входной резонатор,

3 - промежуточный резонатор,

4 - выходной резонатор,

5 - волновод узла вывода СВЧ-энергии, выполненный в виде линейного резонатора,

6 - электродинамические элементы связи, выполненные в виде отрезков волноводов,

7 - узел ввода СВЧ-энергии,

8 - волновод, через который выводится СВЧ-энергия в нагрузку,

9 - узел СВЧ-взаимодействия во входном резонаторе,

10 - узел СВЧ-взаимодействия в промежуточном резонаторе,

11 - узел СВЧ-взаимодействия в выходном резонаторе,

12 - пластины в узлах СВЧ-взаимодействия,

13 - пролетные каналы для электронных пучков,

14 - отражающие электродинамические элементы,

15 - вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна,

16 - резонансные диафрагмы,

17 - коллекторы электронов,

18 - полюсные наконечники магнитной фокусирующей системы

19 - магниты,

20 - отражающие электродинамические элементы, имеющие передаточную характеристику, такую как у узлов СВЧ-взаимодействия (11).

Клистрон состоит из электронных пушек (1), входного линейного резонатора (2), промежуточного линейного резонатора (3), выходного линейного резонатора (4)), которые выполнены в виде закороченных на концах волноводов. Узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде закороченного на концах волновода (5). Волноводы выходного резонатора (4) и узла вывода СВЧ-энергии (5) соединены между собой в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля посредством нескольких электродинамических элементов связи (6). Узел ввода СВЧ-энергии (7) расположен в волноводе (2). В этом узле имеется вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно (15). Вывод СВЧ-энергии в нагрузку из волновода (5) узла вывода СВЧ-энергии осуществляется посредством волновода (8). Вдоль волноводов (2), (3) и (4) периодически расположены узлы СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11), образуемые пластинами (12). Через стенки волноводов и через пластины в поперечном направлении проходят пролетные каналы, оси которых перпендикулярны осям волноводов. В волноводах (2), (3) и (4) между структурами СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11) расположены отражающие электродинамические элементы (14). В электродинамических элементах связи (6) расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна (15) и резонансные диафрагмы (16). В клистроне также имеются коллекторы электронов (17), полюсные наконечники (18) магнитной фокусирующей системы и магниты (19).

Работа клистрона осуществляется следующим образом.

В электронных пушках (1) формируются электронные пучки, которые попадают в пролетные каналы (13) узлов СВЧ-взаимодействия (9)-(11) и фокусируются продольным магнитным полем, конфигурация которого определяется полюсными наконечниками (18) магнитной системы. Входной СВЧ-сигнал подается в волновод входного резонатора (2) через узел ввода СВЧ-энергии (7) и возбуждает в нем электромагнитное поле стоячей волны типа H_10n, которое в СВЧ-зазорах, образуемых между пластинами (12) узлов СВЧ-взаимодействия (9), модулирует электронные пучки по скорости. Интенсивность модуляции по скорости будет пропорциональна (Q_вх Р_вх), где Q_вx и Р_вх - добротность и число СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия резонатора (2) соответственно. После прохождения резонатора (2) электронные пучки попадают через пролетные каналы в СВЧ-зазоры узлов СВЧ-взаимодействия (10) промежуточного резонатора (3), где происходит их дополнительная модуляция по скорости и группировка в сгустки. В этом случае интенсивность модуляции по скорости будет пропорциональна (Q_вx P_вx)(Q_пр P_пр), а модуляция по току - пропорциональна (Q_вx P2вх

)(Q_пр P2пр), где Q_пр и Р_пр - добротность и число СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия резонатора (3) соответственно. Из резонатора (3) сгустки попадают в СВЧ-зазоры узлов СВЧ-взаимодействия (11) выходного резонатора (4). Проходя через СВЧ-зазоры, сгустки электронов возбуждают в резонаторе (4) электромагнитное поле с интенсивностью, пропорциональной (Q_вых Р_вых), где Q_вых и Р_вых - добротность и число СВЧ-зазоров в структурах СВЧ-взаимодействия резонатора (4) соответственно. Поэтому результирующий коэффициент усиления клистрона будет пропорционален (Q_вx Q_пр Q_вых)(Р2вх P2пр Р_вых). Таким образом, коэффициент усиления в клистроне с многозазорными линейными резонаторами будет при числе СВЧ-зазоров Р_вх, P_пр и Р_вых в пределах 2-10 на один и более порядков выше по сравнению с известным многолучевым клистроном (см. прототип), в котором за счет использования однозазорных линейных резонаторов (Р_вх=Р_пр=Р_вых=1) коэффициент усиления пропорционален (Q_вx Q_пр Q_вых). Пролетая через СВЧ-зазоры узлов СВЧ-взаимодействия выходного резонатора (4), сгустки электронов, отдавая СВЧ-полю свою кинетическую энергию, постепенно тормозятся. Поэтому для обеспечения высокого электронного коэффициента полезного действия необходимо расстояние между пластинами (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (11) уменьшать по закону, обеспечивающему в СВЧ-зазорах выполнение условия пространственно-фазового синхронизма между СВЧ-полем и сгустками электронов по мере их торможения. Из волновода выходного резонатора (4) энергия электромагнитного поля частями трансформируется через электродинамические элементы связи (6), в которых расположены резонансные диафрагмы (16) и вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна (15), в волновод (5) узла вывода СВЧ-энергии, из которого суммарная энергия СВЧ-поля через отверстие в стенке волновода (5) поступает по волноводному тракту (8) в нагрузку. Отработавшие сгустки электронов попадают в коллекторы (17).

В клистроне входной (2), промежуточный (3) и выходной (4) резонаторы могут быть выполнены в виде закороченных на концах отрезков прямоугольного волновода. Размеры волноводов резонаторов (2)-(5) обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны только типа Н_10n. Для этого размер широкой стенки а этих волноводов должен быть больше половины длины волны λ входного СВЧ-сигнала, находящейся в пределах резонансной полосы пропускания резонаторов (2), (3), (4) и (5), а размер их узкой стенки b должен быть равен или быть меньше а. Ширина δ пластин (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11) должна быть меньше 0,5 Λ , а диаметр области, в пределах которой расположены отверстия пролетных каналов (13), должен не превышать 0.25 Λ , где - длина волны в волноводе. Период L=Δ +d, в котором расположены пластины (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11), должен быть равен или быть меньше b/P, где Р - требуемое число СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия, d - толщина пластин (12), Δ - длина СВЧ-зазора. Причем должно выполняться условие Δ ≤ d. Во входном (2) и промежуточном (3) резонаторах при заданных величинах длины волны λ входного сигнала и ускоряющего напряжения V на резонаторах величина периода L решетки, образуемой пластинами (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (9), (10), определяется из выражения . В узлах СВЧ-взаимодействия (11) выходного резонатора (4) с помощью данного выражения определяется L первого СВЧ-зазора. Для последующих СВЧ-зазоров величина L должна уменьшаться по определенному закону, например линейному. Фазовый сдвиг поперечной составляющей электрического поля в СВЧ-зазорах смежных узлов СВЧ-взаимодействия должен быть равен (2k+1)π , поэтому узлы СВЧ-взаимодействия должны быть расположены вдоль волноводов резонаторов с периодом L_p≈_{(k+0,5)Λ , где k=1, 2, 3, 4 определяется поперечными размерами электронных пушек (1) и полюсных наконечников (18) магнитной системы.}

Отражающие электродинамические элементы (14) в волноводах (2), (3), (4) могут быть выполнены в виде отрезков прямоугольного волновода, имеющих длину L_o<0,5Λ и поперечные размеры а и b_o<0,5b.

Узел ввода энергии (7) может быть выполнен в виде Т-образного волноводного сочленения, в котором расположено вакуумно-плотное диэлектрическое окно (15), выполненное в виде полуволнового диэлектрического резонатора цилиндрической формы, и резонансная диафрагма (16). Ввод энергии (7) целесообразно располагать посередине волновода входного резонатора (2) на его широкой стенке. В этом случае число N структур СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11) в волноводах резонаторов (2), (3) и (4) должно быть четное.

Волновод (5) может быть закорочен на концах и иметь длину и поперечные размеры такие же, как у волновода резонатора (4), но в нем вместо узлов СВЧ-взаимодействия (11) располагаются отражающие электродинамические элементы (20), выполненные в виде отрезков прямоугольного волновода. Длина и поперечные размеры этих отрезков волновода выбираются так, чтобы их передаточная характеристика была эквивалентна передаточной характеристике узлов СВЧ-взаимодействия (11).

Волноводы электродинамических элементов связи (6) могут быть выполнены в виде отрезков прямоугольного волновода, имеющие длину L_ш≈_{(2m+1)Λ /4 и поперечные размеры а и bш<0,5b, где m=1, 2, 3, 4 определяется размерами коллекторов (17) и полюсных наконечников (18). Концы волноводов (6) располагаются на широких стенках волноводов резонаторов (4) и (5). Резонансная диафрагма (16) располагается в волноводах (6) между их концом со стороны резонатора (4) и вакуумно-плотным диэлектрическим СВЧ-окном (15). Вакуумно-плотные диэлектрические окна (15) могут быть выполнены в виде полуволнового диэлектрического резонатора цилиндрической формы.}

Отверстие для вывода СВЧ-энергии из волновода (5) целесообразно располагать посередине волновода (5) на его широкой стенке, противолежащей стенке, на которой располагаются волноводы электродинамических элементов связи (6).

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ, в частности к низковольтным многолучевым клистронам средней мощности, используемым в качестве оконечных усилителей в передатчиках радиолокационных станций, систем связи и в других радиотехнических установках, работающих в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. Техническим результатом является создание низковольтного, многолучевого клистрона средней мощности, работающего в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов и обладающего высоким электронным коэффициентом полезного действия, большим коэффициентом усиления и широкой полосой усиливаемых частот. В многолучевом клистроне, содержащем электронные пушки и коллекторы, входной, выходной и промежуточные резонаторы в виде волноводов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, в которых расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, узлы СВЧ-взаимодействия, расположенные в волноводах периодически по их длине в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля и отражающие электродинамические элементы, расположенные между узлами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, при этом узлы СВЧ-взаимодействия снабжены пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов, согласно изобретению каждый узел СВЧ-взаимодействия выполнен в виде ряда параллельных металлических пластин, расположенных параллельно стенкам волновода и перпендикулярно оси пролетного канала. Кроме этого, узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде волновода, соединенного с волноводом выходного резонатора посредством электродинамических элементов связи в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, а вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна расположены в электродинамических элементах связи. Причем электродинамические элементы связи могут быть выполнены в виде отрезков волноводов, а также электродинамические элементы связи могут содержать резонансные диафрагмы, расположенные со стороны выходного резонатора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многолучевой клистрон, содержащий электронные пушки и коллекторы, входной, выходной и промежуточные резонаторы в виде волноводов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, в которых расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, узлы СВЧ-взаимодействия, расположенные в волноводах периодически по их длине в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля, и отражающие электродинамические элементы, расположенные между узлами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, при этом узлы СВЧ-взаимодействия снабжены пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов, отличающийся тем, что каждый узел СВЧ-взаимодействия выполнен в виде ряда параллельных металлических пластин, расположенных параллельно стенкам волновода и перпендикулярно оси пролетного канала и осям волноводов.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде волновода, соединенного с волноводом выходного резонатора посредством электродинамических элементов связи в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, а вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна расположены в электродинамических элементах связи.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электродинамические элементы связи выполнены в виде отрезков волноводов.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электродинамические элементы связи снабжены резонансными диафрагмами, расположенными со стороны выходного резонатора.