ОБЪЕМНЫЙ СВЧ-РЕЗОНАТОР Российский патент 2006 года по МПК H01P7/06 H01J23/207 

Изобретение относится к электронной СВЧ-технике, а именно к объемным СВЧ-резонаторам, в частности, для приборов О-типа, например клистронов.

Известны различные типы перестраиваемых по частоте объемных резонаторов, используемых в СВЧ-приборах. Как правило, перестройка частоты объемного резонатора осуществляется двумя способами - индуктивным и емкостным. Индуктивная настройка может быть более предпочтительна в ряде случаев, когда требуется плавность перестройки и точная фиксация частоты.

В известных отражательных клистронах с тороидальными резонаторами часто используется индуктивная настройка резонатора путем введения в него через отверстия в боковой поверхности тороида металлических винтов [1]. При вкручивании винтов в резонатор они оттесняют магнитные силовые линии по направлению к оси резонатора, что эквивалентно уменьшению радиуса тороида, и происходит укорочение резонансной длины волны резонатора. Иногда винты на концах снабжают металлическими лопатками, поворотом которых осуществляют перестройку частоты резонатора. Однако указанные настроечные элементы имеют небольшие поперечные размеры и значительную длину и оказываются как бы "подвешенными" в полости резонатора, что делает конструкцию чувствительной к различного вида вибрациям и ударам. Кроме того, они обеспечивают незначительный диапазон перестройки частоты резонатора. Известно, что собственная добротность резонатора в первом приближении пропорциональна отношению объема резонатора к внутренней поверхности его стенок. Поэтому указанные настроечные элементы, вводимые в полость резонатора, уменьшают его объем на величину объема настроечного элемента и увеличивают площадь внутренней поверхности объемного резонатора на величину площади настроечного элемента. Это приводит к падению добротности и волнового сопротивления.

Известен клистрон, содержащий несколько объемных резонаторов, последовательно соединенных пролетными трубами, расположенными в общих широких стенках смежных резонаторов [2]. Расположенная параллельно оси клистрона узкая стенка каждого резонатора снаружи снабжена глухим отверстием, уменьшающим толщину этой стенки в области дна отверстия. При вводе снаружи в отверстие плунжера происходит необратимая деформация тонкого участка узкой стенки, приводящая к уменьшению объема резонатора и, следовательно, к изменению частоты фиксированной настройки клистрона. Другая расположенная параллельно оси клистрона стенка резонатора снабжена диафрагмой, при деформации которой происходит обратимая перестройка клистрона вблизи частоты фиксированной настройки. Используемая в клистроне необратимая индуктивная настройка частоты резонатора путем деформации тонкого участка узкой стенки резонатора позволяет получить очень незначительный диапазон перестройки частоты. Кроме того, в процессе эксплуатации при воздействии на клистрон таких неблагоприятных факторов, как вибрации и удары, может произойти деформация тонкой стенки и уход рабочей частоты резонатора, что снижает надежность резонатора и всего клистрона в целом.

Известен клистронный генератор, содержащий два связанных объемных резонатора с близкими рабочими частотами [3]. Выходной резонатор снабжен устройством индуктивной настройки частоты в виде поршня, размещенного со стороны узкой стенки резонатора и выполненного с возможностью незначительного перемещения в полости резонатора в направлении, перпендикулярном оси клистрона. Поршень перемещается с помощью сложного и громоздкого устройства, выполненного на основе резьбового соединения, размещенного в корпусе клистрона. Перестраиваемый выходной резонатор обеспечивает небольшой диапазон перестройки рабочей частоты (до ±2%). Кроме того, между поршнем и расположенными перпендикулярно оси клистрона широкими стенками резонатора всегда существуют емкостные зазоры, в которых могут возбуждаться паразитные колебания, в частности имеется возможность появления в такой конструкции вторично-электронного резонанса, что ведет к снижению КПД клистрона. Наличие зазоров между поршнем и стенками резонатора снижает устойчивость конструкции к механическим воздействиям (вибрациям, ударам) в процессе эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является перестраиваемый прямоугольный объемный резонатор, предназначенный для использования, например, в мощных многорезонаторных клистронах [4]. Резонатор снабжен элементом индуктивной настройки, выполненным в виде расположенной со стороны узкой стенки резонатора подвижной пластины, жестко закрепленной на торце стержня, обеспечивающего перемещение пластины в полости резонатора параллельно широким стенкам резонатора. В цилиндрических углублениях на краях пластины расположены металлические проводники, выполненные в виде спиралей, обеспечивающих контакт пластины с широкими стенками резонатора. Герметичность резонатора обеспечивается с помощью сильфона. Размеры подвижной пластины близки к размерам узкой стенки резонатора, поэтому при перемещении ее в полости резонатора его добротность и волновое сопротивление падают в меньшей степени, чем в конструкциях резонаторов с узкими и длинными ("подвешенными" в полости резонатора) настроечными элементами. Введение между пластиной и широкими стенками резонатора закорачивающих их пружинящих металлических спиралей устраняет возможность возбуждения в резонаторе паразитных колебаний. Однако наличие в конструкции зазоров между пластиной и стенками резонатора, а также чувствительных к механическим воздействиям (вибрациям, ударам) спиралей снижает устойчивость положения пластины в резонаторе, а следовательно, снижает надежность конструкции и повторяемость ее параметров при эксплуатации. Кроме того, устройство, обеспечивающее перемещение пластины, сложно конструктивно и технологически. Данное устройство применяется в тех случаях, когда необходимо обеспечить перестройку клистрона, в котором уже создан вакуум.

Задачей предлагаемого изобретения является создание широкополосного, надежного и простого в эксплуатации перестраиваемого по частоте объемного СВЧ резонатора.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение диапазона перестройки рабочей частоты, повышение устойчивости к механическим воздействиям и надежности, а также упрощение конструкции резонатора и его настройки при сохранении повторяемости результатов.

Предлагается объемный СВЧ-резонатор с индуктивной настройкой частоты, в котором элемент индуктивной настройки частоты выполнен в виде настроечного винта, расположенного в сквозном отверстии с резьбой в узкой стенке резонатора и контактирующего со снабженными резьбой участками широких стенок резонатора, по крайней мере, на части их длины, при этом резьба участков широких стенок резонатора является продолжением резьбы в отверстии в узкой стенке резонатора.

В предлагаемом объемном СВЧ-резонаторе противолежащие широкие стенки резонатора могут быть расположены равноудаленно друг от друга.

В предлагаемом объемном СВЧ-резонаторе снабженные резьбой участки противолежащих широких стенок резонатора могут быть также выполнены в виде обращенных друг к другу выступов.

В предлагаемом объемном СВЧ-резонаторе настроечный винт может быть соединен с узкой стенкой резонатора посредством припоя.

В предлагаемом объемном СВЧ-резонаторе снаружи в узкой стенке резонатора может быть выполнен паз, плоскость основания которого перекрывает поперечное сечение сквозного отверстия с резьбой, а напротив основания паза размещена заглушка, вакуумноплотно соединенная с узкой стенкой резонатора.

В предлагаемом объемном СВЧ-резонаторе настроечный винт может быть выполнен в виде полой трубки, внешняя боковая поверхность которой снабжена резьбой, а на торце, обращенном в сторону резонатора, выполнены пазы.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен объемный СВЧ-резонатор, выполненный согласно изобретению.

На фиг.2 показано сечение А-А объемного СВЧ-резонатора, изображенного на фиг.1.

На фиг.3 показано сечение В-В объемного СВЧ-резонатора, изображенного на фиг.1.

На фиг.4 изображен резонаторный блок пролетного клистрона с активными объемными СВЧ-резонаторами, выполненными согласно изобретению.

На фиг.5 показано сечение А-А резонаторного блока, изображенного на фиг.4.

На фиг.6 изображен пассивный объемный СВЧ-резонатор пролетного клистрона, выполненный согласно изобретению.

На фиг.7 показано сечение А-А пассивного объемного СВЧ-резонатора, изображенного на фиг.6.

На фиг.8 показано сечение В-В пассивного объемного СВЧ-резонатора, изображенного на фиг.6.

Объемный СВЧ-резонатор, изображенный на фиг.1, фиг.2 и фиг.3, содержит корпус 1, который имеет внутренние линейные размеры а×b×h, где а - длина, b - ширина, h - высота СВЧ-резонатора. В одной из узких стенок 2 (размером b×h) корпуса 1 выполнено сквозное отверстие 3 с резьбой. В отверстии 3 расположен настроечный винт 4 с резьбой на его внешней боковой поверхности, контактирующий с широкими стенками 5 (размером а×h) корпуса 1. Широкие стенки 5 расположены равноудаленно друг от друга и от оси винта и снабжены на длине L резьбой 6, являющейся продолжением резьбы в отверстии 3. Участок резьбы 6 длиной L на широких стенках 5 задает ход настроечного винта 4 в объеме резонатора и определяется экспериментальным путем на "холодных" измерениях. Корпус 1 содержит также крышки 7 и 8, замыкающие объем СВЧ резонатора. Внешний диаметр d резьбы настроечного винта 4 выбирается из соотношения

d≅b+2t, где t - шаг резьбы.

В процессе настройки объемного СВЧ-резонатора, показанного на фиг.1-фиг.3, в резонатор подают СВЧ-сигнал и измеряют резонансную частоту резонатора. Затем в резонатор вкручивают настроечный винт, который при перемещении на определенную глубину (преимущественно в индуктивной области резонатора) вызывает изменение магнитной составляющей электромагнитного поля и, следовательно, обеспечивает перестройку частоты резонатора в область более высоких частот. При этом настроечный винт закорачивает стенки резонатора подобно шлейфу, что приводит к более сильному изменению конфигурации магнитной составляющей электромагнитного поля объемного резонатора и, соответственно, к более значительной перестройке резонансной частоты, чем в известных аналогах и прототипе. Таким образом достигается чисто индуктивная настройка частоты резонатора за счет устранения емкостных зазоров между настроечным винтом и стенками резонатора, при этом уменьшение объема резонатора сопровождается значительно меньшим увеличением внутренней поверхности резонатора, чем в известных аналогах и прототипе. Этот эффект достигается за счет того, что общая площадь внутренней поверхности резонатора увеличивается только на неполную боковую поверхность винта, то есть на ту часть боковой поверхности винта, которая не закорачивается широкими стенками резонатора. Отсутствие емкостных зазоров между настроечным винтом и широкими стенками резонатора предотвращает возможность появления вторично-электронного резонанса. За счет того, что винт перемещается по стенкам резонатора, а не "подвешен" в воздухе, повышается механическая устойчивость конструкции к вибрации и ударам и обеспечивается повторяемость результатов измерений при настройке резонатора, следовательно, повышается его надежность. Конструкция проста в изготовлении и настройке. Диапазон перестройки определяется ходом винта по резьбе на широких стенках резонатора. В частности, при размерах резонатора а=30 мм, b=5 мм, d=6 мм, L=10 мм получен диапазон перестройки резонансной частоты ≈13,7% одним винтом. Объемный СВЧ-резонатор, показанный на фиг.1-фиг.3, может быть использован на "холодных" измерениях в качестве базовой модели для подбора размеров резонаторов при проектировании конкретного клистрона, например, такого, фрагменты которого представлены на фиг.4-фиг.5 и фиг.6-фиг.8.

Резонаторный блок 9 пролетного клистрона, изображенный на фиг.4 и фиг.5, содержит последовательно расположенные коротковолновые активные объемные СВЧ-резонаторы 10 (длиной а, шириной b, высотой h), соосно соединенные пролетными трубами 11, расположенными в широких стенках 5 смежных резонаторов 10. Расположенные по одну сторону от продольной оси резонаторного блока узкие боковые стенки 2 смежных резонаторов 10 образуют в совокупности общую боковую стенку 12 резонаторного блока 9. Активные объемные СВЧ-резонаторы 10, выполненные согласно изобретению, снабжены настроечными винтами 4 (по одному в каждом резонаторе). Каждый настроечный винт 4 размещен в сквозном резьбовом отверстии 3 в узкой боковой стенке 2 резонатора 10, при этом расположенные со стороны сквозного резьбового отверстия 3 и имеющие заданную длину L участки противолежащих и равноудаленных от оси винта широких стенок 5 резонатора 10 снабжены резьбой 6, являющейся продолжением резьбы в отверстии 3 и соответствующей резьбе винта 4. Снаружи в боковой стенке 12 резонаторного блока 9 выполнен продольный паз 13, плоскость основания которого перекрывает поперечные сечения сквозных резьбовых отверстий 3 в этой стенке. Напротив основания паза 13 размещена пластина 14, вакуумноплотно соединенная с боковой стенкой 12 резонаторного блока 9 посредством припоя 15. Настроечный винт 4 жестко закреплен в отверстии 3 посредством припоя 16. Настроечный винт 4 выполнен в виде полой трубки, внешняя боковая поверхность которой снабжена резьбой, а на торце, обращенном в сторону резонатора 10, выполнены пазы 17. Для уменьшения продольных габаритов резонаторного блока 9 широкие стенки 5 резонаторов 10 делают небольшой толщины. Для предотвращения их деформации в соседних резонаторах резьбу под винты нарезают с противоположных сторон резонатора. Внешний диаметр d резьбы настроечного винта 4 выбирается из соотношения

d≅b+2t, где t - шаг резьбы.

Настройку каждого объемного СВЧ-резонатора 10 резонаторного блока 9 производят на "холодных" измерениях аналогично настройке объемного СВЧ-резонатора, показанного на фиг.1-3. При этом длина L резьбового участка на широких стенках 5 также задает ход винта в объеме резонатора, но ее величина должна быть ограничена значением, при котором индуктивная перестройка резонатора еще не переходит в емкостную, то есть до момента появления существенной величины емкости в емкостном зазоре шириной Δ между настроечным винтом 4 и пролетными трубами 11. Величина L определяется из соотношения

L≅[(a-D)/2]-Δ,

где D - диаметр пролетной трубы,

Δ - ширина емкостного зазора между настроечным винтом 4 и пролетной трубой 11.

Диапазон перестройки резонансной частоты такого резонатора определяется ходом настроечного винта по резьбовым участкам на широких стенках. Для данного конкретного резонаторного блока пролетного клистрона с расчетными значениями размеров а=19±1,5 мм, D=12,6 мм, Δ≈1 мм получен диапазон перестройки ≈5% одним настроечным винтом.

После настройки каждого резонатора 10 резонаторного блока 9 для предотвращения возможности последующего перемещения настроечных винтов 4 (например, при механических воздействиях) их впаивают в стенки резонаторов 10. Затем для обеспечения герметичности вакуумного объема резонаторного блока 9 продольные пазы 13 закрывают пластинами 14, которые впаивают в боковые стенки резонаторного блока 9. Для предотвращения появления воздушных "карманов" в продольных пазах 13 настроечные винты 4 выполнены в виде полых трубок. Для улучшения контакта каждого винта 4 с широкими стенками резонатора на торце винта, обращенном в полость резонатора, выполнены пазы 17 (типа цанговых).

Пассивный объемный СВЧ-резонатор пролетного клистрона, изображенный на фиг.6, фиг.7 и фиг.8, содержит корпус 1, который имеет внутренние линейные размеры а×b×h. В каждой из узких стенок 2 (размером b×h) корпуса 1 выполнено сквозное отверстие 3 с резьбой. В отверстиях 3 расположены настроечные винты 4 с внешним диаметром резьбы d. Каждый из винтов 4 контактирует с обращенными друг к другу участками широких стенок 5, выполненными в виде выступов 18 и снабженными резьбой 6, являющейся продолжением резьбы в отверстии 3. Участок резьбы 6 длиной L на широких стенках 5 задает ход настроечного винта 4 в объеме резонатора. Снаружи в каждой узкой стенке 2 корпуса 1 выполнен паз 19, плоскость основания которого перекрывает поперечное сечение сквозного отверстия 3 в этой стенке. Отверстия 3 закрыты пробками 20, вакуумноплотно соединенными с корпусом 1 посредством припоя 21. Настроечный винт 4 жестко закреплен в отверстии 3 с помощью припоя 16. Настроечный винт 4 выполнен в виде полой трубки, внешняя боковая поверхность которой снабжена резьбой, а на торце, обращенном в сторону резонатора, выполнены пазы 17. Для уменьшения габаритов пассивного резонатора одна из его широких стенок 5 в центральной части снабжена втулкой 22, создающей емкостной зазор со второй широкой стенкой резонатора. В такой конструкции на участке длиной L выполняется соотношение

d≅b₁+2t,

где b₁ - ширина резонатора между выступами 18, t - шаг резьбы, при этом d<b.

Настройку пассивного объемного СВЧ-резонатора производят на "холодных" измерениях аналогично настройке объемных СВЧ-резонаторов, показанных на фиг.1-фиг.3 и фиг.4-фиг.5. Перестройка частоты резонатора осуществляется двумя винтами. В процессе настройки настроечные винты попеременно вводят в объем резонатора, по возможности располагая их симметрично относительно центра резонатора. Длина L резьбового участка на широких стенках 5 ограничена значением, при котором индуктивная перестройка резонансной частоты еще не переходит в емкостную, то есть до момента появления существенной величины емкости в зазоре шириной Δ₁ между настроечным винтом 4 и втулкой 22, при которой изменяется характер перестройки резонансной частоты. Величина L определяется из соотношения

L≅[(а-D₁)/2]-Δ₁,

где D₁ - диаметр втулки 22,

Δ₁ - ширина емкостного зазора между настроечным винтом 4 и втулкой 22.

Суммарный диапазон перестройки резонансной частоты такого резонатора определяется ходом двух настроечных винтов по резьбовым участкам на широких стенках. Для данного пассивного резонатора пролетного клистрона с расчетными значениями а=18 мм, D₁=5 мм, Δ₁≈0,5 мм получен диапазон перестройки ≈13,7% одним настроечным винтом и ≈15,5% двумя настроечными винтами. После настройки пассивного резонатора для предотвращения возможности перемещения настроечных винтов 4 их впаивают в выступы 18 широких стенок 5 резонатора. Для обеспечения герметичности вакуумного объема резонатора продольные пазы 19 закрывают пробками 20, которые впаивают в боковые стенки резонатора. Для предотвращения появления "воздушных карманов" в продольных пазах 19 настроечные винты 4 выполнены в виде полых трубок. Для улучшения контакта каждого винта 4 со стенками резонатора на торце винта, обращенном в полость резонатора, выполнены пазы 17 (типа цанговых).

Предлагаемое изобретение позволяет создать надежную, виброустойчивую, простую в изготовлении и технологической настройке конструкцию объемного СВЧ, обеспечивающую увеличенный диапазон перестройки рабочих частот и отсутствие паразитного вторично-электронного резонанса.

Источники информации

1. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ, том 1, Высшая школа, м., 1970, с.351-353.

2. Патент США №4661784, НКИ: 331-83, МКИ⁴: H 01 J 25/10, 1987.

3. Патент США №4209755, НКИ: 331-83, МКИ⁴: H 01 J 25/14, 1980.

4. Патент США №3940721, НКИ: 333-83 R, МКИ⁴: Н 01 P 7/06, 1980.

Изобретение относится к электронной СВЧ-технике, а именно к объемным СВЧ-резонаторам, в частности, для приборов О-типа, например клистронов. Объемный СВЧ-резонатор с индуктивной настройкой частоты содержит элемент индуктивной настройки частоты, выполненный в виде настроечного винта, расположенного в сквозном отверстии с резьбой в узкой стенке резонатора и контактирующего со снабженными резьбой участками широких стенок резонатора, по крайней мере, на части их длины. Резьба участков широких стенок резонатора является продолжением резьбы в отверстии в узкой стенке резонатора. Снабженные резьбой участки противолежащих широких стенок резонатора могут быть также выполнены в виде обращенных друг к другу выступов, расположенных симметрично относительно оси резонатора. Изобретение обеспечивает увеличение диапазона перестройки рабочей частоты, повышение устойчивости к механическим воздействиям и надежности, а также упрощение конструкции резонатора и его настройки при сохранении повторяемости результатов и отсутствии паразитного вторично-электронного резонанса. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Объемный СВЧ-резонатор с индуктивной настройкой частоты, отличающийся тем, что элемент индуктивной настройки частоты выполнен в виде настроечного винта, расположенного в сквозном отверстии с резьбой в узкой стенке резонатора и контактирующего со снабженными резьбой участками широких стенок резонатора, по крайней мере, на части их длины, при этом резьба участков широких стенок резонатора является продолжением резьбы в отверстии в узкой стенке резонатора.2. Объемный СВЧ-резонатор по п.1, отличающийся тем, что противолежащие широкие стенки резонатора расположены равноудаленно друг от друга.3. Объемный СВЧ-резонатор по п.1, отличающийся тем, что снабженные резьбой участки противолежащих широких стенок резонатора выполнены в виде обращенных друг к другу выступов.4. Объемный СВЧ-резонатор по п.1, отличающийся тем, что настроечный винт соединен с узкой стенкой резонатора посредством припоя.5. Объемный СВЧ-резонатор по п.1, отличающийся тем, что снаружи в узкой стенке резонатора выполнен паз, плоскость основания которого перекрывает поперечное сечение сквозного отверстия с резьбой, а напротив основания паза размещена заглушка, вакуумно-плотно соединенная с узкой стенкой резонатора.6. Объемный СВЧ-резонатор по п.5, отличающийся тем, что настроечный винт выполнен в виде полой трубки, внешняя боковая поверхность которой снабжена резьбой, а на торце, обращенном в сторону резонатора, выполнены пазы.