Изобретение относится к электронной технике, в частности к излучателям СВЧ-энергии, выполненным на основе электровакуумных СВЧ-приборов, и может быть использовано в системах дальней связи, включая сверхдальнюю космическую связь.
Известен электровакуумный СВЧ-прибор типа клистрод, содержащий источник СВЧ-колебаний в виде однолучевого СВЧ-триода, активный объемный тороидальный резонатор с двумя однолучевыми пролетными трубами, коллектор и вывод СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии, связанной с активным объемным резонатором с помощью петли связи, подсоединенной к боковой стенке резонатора [1]. Для обеспечения возможности работы СВЧ-прибора необходимо, чтобы сформированный в нем электронный поток прошел через высокочастотный (ВЧ) зазор объемного тороидального резонатора и вступил во взаимодействие с СВЧ-полем. Электронный поток, проходя через тороидальный резонатор, значительно нагружает его, что приводит к снижению собственной добротности резонатора, которая составляет порядка 2000. При этом наведенное электронными сгустками напряжение ВЧ-зазора, образованного торцами пролетных труб, не может превышать удвоенной величины ускоряющего напряжения, что ограничивает выходную мощность СВЧ-прибора. Повышение выходной мощности в этом случае можно осуществить только за счет значительного увеличения ускоряющего напряжения, но это требует использования громоздких источников питания, что существенно усложняет аппаратуру, в которую входит СВЧ-прибор. Наличие в СВЧ-приборе протяженного пролетного канала требует использования в нем магнитной фокусирующей системы, что приводит к усложнению конструкции СВЧ-прибора, к значительному увеличению его массы и габаритов, а также в случае использования электромагнитов приводит к увеличению потребляемой мощности, что снижает общий КПД СВЧ-прибора. Рассеяние в коллекторе неиспользованной энергии электронного потока также снижает КПД СВЧ-прибора. Использование в качестве источника СВЧ-колебаний однолучевого СВЧ-триода с плоской сеткой приводит к ограничению выходной мощности прибора, так как при подаче на такую сетку значительных по величине напряжений происходит провисание сетки в результате тепловой деформации, а при малой величине межэлектродного зазора между катодом и сеткой может произойти закорачивание сетки с катодом, что снижает надежность прибора. СВЧ-прибор предназначен для работы на частоте 100 МГц и обеспечивает мощность порядка 1 кВт.
Прототипом изобретения является излучатель СВЧ-энергии, представляющий собой электровакуумный СВЧ-прибор, содержащий источник СВЧ-колебаний в виде многолучевого СВЧ-триода, активный объемный тороидальный резонатор с многолучевыми пролетными трубами, связанный с внешним пассивным резонатором, коллектор и вывод СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии, связанной с пассивным резонатором с помощью петли связи, подсоединенной к торцевой стенке этого резонатора [2]. Для фокусировки парциальных электронных пучков в пролетных каналах СВЧ-прибора он снабжен электромагнитами.
Использование многолучевой конструкции позволяет получить в излучателе СВЧ-энергии более высокие токи и, следовательно, более высокую выходную мощность прибора. Излучатель СВЧ-энергии работает на частотах 200-800 МГц с выходной мощностью до 60 кВт. При этом наличие в многолучевом СВЧ-триоде нескольких плоских сеток малых размеров (вместо одной сетки большого диаметра) уменьшает возможность провисания этих сеток и позволяет подавать на них более высокое ускоряющее напряжение, чем в однолучевом СВЧ-триоде.
Однако при создании более мощных СВЧ-приборов, требующих подачи существенно больших ускоряющих напряжений, может произойти закорачивание сеток на катоды, что снижает надежность СВЧ-прибора. Кроме того, в прототипе (так же, как и в аналоге) электронные пучки проходят через объемный резонатор внутри протяженных пролетных каналов и для фокусировки таких пучков требуется применение массивной и громоздкой магнитной фокусирующей системы, что существенно усложняет конструкцию СВЧ-прибора. Использование в качестве магнитной фокусирующей системы электромагнитов снижает общий КПД СВЧ-прибора. Потери мощности в коллекторе в результате рассеяния в нем неиспользованных электронов также снижают КПД СВЧ-прибора.
В таком СВЧ-приборе величина наведенного электронными сгустками напряжения ВЧ-зазора также не может превышать удвоенной величины ускоряющего напряжения, а следовательно, невозможно обеспечить высокую выходную мощность без использования сложных и громоздких источников питания.
Задачей изобретения является создание компактной высокоэнергетичной с высоким КПД и повышенной устойчивостью к пробоям конструкции излучателя СВЧ-энергии, обладающей повышенной надежностью и долговечностью, пригодной для промышленного производства и эксплуатации.
По сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет повысить выходную импульсную мощность и КПД излучателя СВЧ-энергии, упростить его конструкцию, снизить массу и габариты, а также повысить его надежность и долговечность.
В первом варианте изобретения предлагается излучатель СВЧ-энергии, содержащий источник СВЧ-колебаний, объемный резонатор и вывод СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии, при этом объемный резонатор выполнен в виде высокодобротного четвертьволнового коаксиального резонатора, внешний проводник и снабженный торцевыми стенками полый внутренний проводник которого вакуумно-плотно соединены с размещенным между ними опорным диэлектрическим изолятором, источник СВЧ-колебаний выполнен в виде СВЧ-тетрода, содержащего электронную пушку и коаксиально окружающий ее радиальный анод, размещенные в вакуумированной части резонатора между внутренним проводником и первой торцевой стенкой резонатора и соосно с ним, причем внутренний проводник резонатора соединен с радиальным анодом, в полости резонатора также размещен элемент емкостной связи внутреннего и внешнего проводников резонатора, выполненный в виде полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей радиальный анод, при этом установленный снаружи резонатора и соосно с ним внешний проводник коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии соединен герметично со второй торцевой стенкой резонатора, а внутренний проводник коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии выполнен с расширением на конце, обращенном в сторону электронной пушки СВЧ-тетрода, при этом внутренний проводник резонатора отделен от внутреннего проводника коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии и второй торцевой стенки резонатора высокочастотным зазором.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии обращенная в сторону вывода СВЧ-энергии торцевая стенка внутреннего проводника резонатора закрывает торец этого проводника полностью или частично.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии обращенный в сторону электронной пушки СВЧ-тетрода торец внутреннего проводника коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии расположен в плоскости, совпадающей с плоскостью внутренней поверхности второй торцевой стенки резонатора.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии опорный диэлектрический изолятор выполнен в виде расположенного соосно с резонатором полого усеченного конуса, большее основание которого обращено в сторону электронной пушки СВЧ-тетрода.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии с внешней стороны радиального анода размещены рубашки охлаждения.
Использование в качестве источника СВЧ-колебаний СВЧ-тетрода позволяет возбудить СВЧ-колебания с большой амплитудой электрического поля в ВЧ-зазоре, отделяющем внутренний проводник четвертьволнового коаксиального резонатора (который изолирован от внешнего проводника резонатора с помощью опорного диэлектрического изолятора) от внутреннего проводника коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии и второй торцевой стенки резонатора (вблизи места подсоединения к ней внешнего проводника коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии). При этом напряжение ВЧ-зазора в 20-40 раз превышает ускоряющее напряжение СВЧ-тетрода. Это обусловлено высокой добротностью коаксиального резонатора, которая составляет порядка 4000 и выше. Так при ускоряющем импульсном напряжении СВЧ-тетрода порядка 15-20 кВ амплитуда напряжения СВЧ-поля в ВЧ-зазоре коаксиального резонатора может составлять 300-600 кВ на частоте порядка 300 МГц. Кроме того, использованный в изобретении высокодобротный четвертьволновой коаксиальный резонатор позволяет увеличить величину ВЧ-зазора и, следовательно, повысить устойчивость к электрическим пробоям.
Радиальная конструкция СВЧ-тетрода позволяет иметь увеличенную площадь катода, следовательно, с него можно снимать увеличенный ток и обеспечить более высокую мощность СВЧ-тетрода и излучателя СВЧ-энергии в целом. Радиальная конструкция обеспечивает также минимальные тепловые деформации сетки СВЧ-тетрода, в результате чего она практически не закорачивается на катод при высоких ускоряющих напряжениях, что повышает надежность конструкции. СВЧ-тетрод имеет дополнительную (экранную) сетку, которая защищает катод от пробоев и перегорания, что увеличивает его долговечность. Соединение радиального анода СВЧ-тетрода с внутренним проводником коаксиального резонатора позволяет обеспечить высокую теплопроводность этого узла, на котором происходит основное выделение тепла, и обеспечить эффективное охлаждение его с помощью жидкости, подаваемой в рубашки охлаждения, размещенные с внешней стороны радиального анода. Это дает возможность использовать в излучателе СВЧ-энергии более мощный СВЧ-тетрод.
В предлагаемом изобретении использован емкостной тип связи коаксиального резонатора с источником СВЧ-колебаний. Для этого используют элемент емкостной связи внутреннего и внешнего проводников коаксиального резонатора, выполненный в виде полой проводящей торообразной насадки, которая коаксиально окружает радиальный анод и электрически соединена с ним. Использование емкостного типа связи обеспечивает незначительное снижение добротности коаксиального резонатора и вследствие этого обеспечивает возможность получения больших амплитуд электрического поля в ВЧ-зазоре коаксиального резонатора и высокой выходной импульсной СВЧ-мощности.
Использование в предлагаемом изобретении вывода СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии обеспечивает удобство подсоединения коаксиального резонатора к внешнему СВЧ-тракту и измерения выходной мощности излучателя. Выполнение внутреннего проводника коаксиальной линии с расширением на конце обеспечивает равномерное распределение электрического поля в ВЧ-зазоре. В изобретении использован емкостной тип связи коаксиального резонатора с выводом СВЧ-энергии, которая также мало влияет на добротность резонатора и величину амплитуды электрического поля в ВЧ-зазоре, в результате чего обеспечивается высокая эффективность передачи СВЧ-энергии от коаксиального резонатора к внешней нагрузке, а следовательно, и высокая выходная СВЧ мощность.
В предлагаемом изобретении электронные пучки не проходят через ВЧ-зазор коаксиального резонатора, поэтому в такой конструкции отсутствует фокусирующая магнитная система, а также коллектор, что упрощает конструкцию излучателя СВЧ-энергии, делает ее более компактной с меньшей массой и габаритами, а также повышает его общий КПД.
При конструировании предлагаемого излучателя СВЧ-энергии можно менять площадь обращенной в сторону вывода СВЧ-энергии торцевой стенки внутреннего проводника коаксиального резонатора, что позволяет подбирать необходимую величину емкостной связи между этим проводником и второй торцевой стенкой резонатора, а также внутренним проводником коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии.
Расположение обращенного в сторону электронной пушки торца внутреннего проводника коаксиальной линии в плоскости, совпадающей с плоскостью внутренней поверхности второй торцевой стенки коаксиального резонатора, позволяет обеспечить однородное СВЧ-поле в ВЧ-зазоре резонатора.
Размещенный в полости коаксиального резонатора и вакуумно-плотно соединенный с его внешним и внутренним проводниками опорный диэлектрический изолятор из вакуумно-плотной керамики выполняет одновременно несколько функций: обеспечивает подачу на радиальный анод СВЧ-тетрода потенциала, отличного от потенциала внешнего проводника резонатора; является элементом крепления внутреннего проводника резонатора и радиального анода с торообразной насадкой к внешнему проводнику резонатора; а также является окном связи между вакуумированной частью коаксиального резонатора (ограниченной первой торцевой стенкой резонатора, опорным диэлектрическим изолятором, размещенным между ними участком внешнего проводника резонатора и подсоединенным к опорному диэлектрическому изолятору со стороны электронной пушки участком внутреннего проводника резонатора) и остальной частью резонатора (которая в зависимости от заданного уровня мощности может быть заполнена воздухом при атмосферном давлении или сухим азотом с давлением до шести атмосфер либо может быть также вакуумирована). Конусная форма опорного диэлектрического изолятора увеличивает его механическую жесткость и позволяет, во-первых, удалить внутренний проводник резонатора от внешнего проводника на достаточное расстояние, обеспечивающее требуемую электрическую прочность, во-вторых, предотвратить возможность возникновения скользящего электрического разряда по поверхности изолятора, что характерно для изоляторов, выполненных, например, в виде шайбы или цилиндра.
Необходимая для работы СВЧ-тетрода величина вакуума в вакуумированной части резонатора может поддерживаться, например, с помощью миниатюрного насоса, встроенного в торцевую стенку резонатора или во внешний проводник резонатора. При необходимости реставрации излучателя СВЧ-энергии (например, в случае выхода из строя СВЧ-тетрода) можно легко отсоединять друг от друга его вакуумированную и невакуумированную части, разместив в месте их сочленения фланцевые соединения.
Во втором варианте изобретения предлагается излучатель СВЧ-энергии, содержащий источник СВЧ-колебаний, объемный резонатор и вывод СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии, при этом объемный резонатор выполнен в виде высокодобротного полуволнового коаксиального резонатора, первый и второй полые внутренние проводники которого расположены соосно и отделены друг от друга высокочастотным зазором, при этом внешний проводник и снабженный торцевыми стенками первый внутренний проводник резонатора вакуумно-плотно соединены с размещенным между ними опорным диэлектрическим изолятором, источник СВЧ-колебаний выполнен в виде СВЧ-тетрода, содержащего электронную пушку и коаксиально окружающий ее радиальный анод, размещенные в вакуумированной части резонатора между первым внутренним проводником и первой торцевой стенкой резонатора и соосно с ним, причем первый внутренний проводник резонатора соединен с радиальным анодом, основание второго внутреннего проводника резонатора соединено со второй торцевой стенкой резонатора, в полости резонатора также размещен элемент емкостной связи первого внутреннего и внешнего проводников резонатора, выполненный в виде полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей радиальный анод, при этом установленный снаружи резонатора и соосно с ним внешний проводник коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии соединен герметично со второй торцевой стенкой резонатора, а внутренний проводник коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии введен в полость второго внутреннего проводника резонатора и выполнен с расширением на конце, обращенном в сторону электронной пушки СВЧ-тетрода, причем обращенные в сторону электронной пушки торцы внутреннего проводника коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии и второго внутреннего проводника резонатора расположены в одной плоскости.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии обращенная в сторону вывода СВЧ-энергии торцевая стенка первого внутреннего проводника резонатора закрывает торец этого проводника полностью или частично.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии опорный диэлектрический изолятор выполнен в виде расположенного соосно с резонатором полого усеченного конуса, большее основание которого обращено в сторону электронной пушки СВЧ-тетрода.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии с внешней стороны радиального анода размещены рубашки охлаждения.
Во втором варианте изобретения объемный резонатор выполнен в виде высокодобротного полуволнового коаксиального резонатора, что позволяет удвоить (по сравнению с первым вариантом изобретения) амплитуду электрического поля в ВЧ-зазоре коаксиального резонатора и повысить выходную мощность излучателя СВЧ-энергии. Собственная добротность такого резонатора составляет порядка 4000 и выше.
Электронная пушка и радиальный анод СВЧ-тетрода размещены в вакуумированной части резонатора, ограниченной первой торцевой стенкой резонатора, опорным диэлектрическим изолятором (выполненным из вакуумно-плотной керамики), размещенным между ними участком внешнего проводника резонатора и подсоединенным к опорному диэлектрическому изолятору со стороны электронной пушки участком первого внутреннего проводника резонатора.
В этом варианте изобретения использован элемент емкостной связи первого внутреннего проводника и внешнего проводника коаксиального резонатора, выполненный в виде полой проводящей торообразной насадки. Это обеспечивает возможность получения больших амплитуд электрического поля в ВЧ-зазоре коаксиального резонатора и высокой выходной импульсной СВЧ-мощности излучателя СВЧ-энергии.
В этом варианте изобретения также использован вывод СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии, что обеспечивает удобство подсоединения резонатора к внешнему СВЧ-тракту и измерения выходной мощности излучателя СВЧ-энергии. При этом внутренний проводник коаксиальной линии расположен внутри второго внутреннего проводника коаксиального резонатора и выполнен с расширением на конце, что обеспечивает емкостную связь первого внутреннего проводника коаксиального резонатора с выводом СВЧ-энергии, а также однородное электрическое поле в ВЧ-зазоре.
Величину емкостной связи первого внутреннего проводника коаксиального резонатора с выводом СВЧ-энергии подбирают (путем изменения площади обращенной в сторону вывода СВЧ-энергии торцевой стенки первого внутреннего проводника резонатора) такой, чтобы она мало влияла на добротность коаксиального резонатора и величину амплитуды электрического поля в ВЧ-зазоре для высокоэффективной передачи СВЧ-энергии от коаксиального резонатора к внешней нагрузке, а следовательно, для получения высокой выходной СВЧ-мощности излучателя СВЧ-энергии.
Для осуществления конструкции по второму варианту изобретения не требуется использование фокусирующей системы и коллектора, что упрощает конструкцию и повышает общий КПД излучателя СВЧ-энергии. Конструкция устойчива к электрическим пробоям.
В третьем варианте изобретения предлагается излучатель СВЧ-энергии, содержащий источник СВЧ-колебаний, объемный резонатор и вывод СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии, при этом объемный резонатор выполнен в виде высокодобротного полуволнового коаксиального резонатора, первый и второй полые внутренние проводники которого расположены соосно и отделены друг от друга высокочастотным зазором, внешний проводник и снабженный торцевыми стенками первый внутренний проводник резонатора вакуумно-плотно соединены с размещенным между ними первым опорным диэлектрическим изолятором, при этом внешний проводник и второй внутренний проводник резонатора, снабженный торцевой стенкой на конце, обращенном в сторону источника СВЧ-колебаний, соединены с размещенным между ними вторым опорным диэлектрическим изолятором, источник СВЧ-колебаний выполнен в виде СВЧ-тетрода, содержащего электронную пушку и коаксиально окружающий ее радиальный анод, размещенные в вакуумированной части резонатора между первым внутренним проводником и первой торцевой стенкой резонатора и соосно с ним, причем первый внутренний проводник резонатора соединен с радиальным анодом, в полости резонатора также размещены элемент емкостной связи первого внутреннего и внешнего проводников резонатора, выполненный в виде первой полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей радиальный анод, и элемент емкостной связи второго внутреннего и внешнего проводников резонатора, выполненный в виде второй полой проводящей торообразной насадки, причем второй внутренний проводник резонатора соединен со второй полой проводящей торообразной насадкой через соосно расположенный между ними полый проводящий держатель, при этом установленный снаружи резонатора и соосно с ним внешний проводник коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии соединен герметично со второй торцевой стенкой резонатора, а внутренний проводник коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии введен в полость резонатора и соединен со второй полой проводящей торообразной насадкой.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии обращенная в сторону вывода СВЧ-энергии торцевая стенка первого внутреннего проводника резонатора и обращенная в сторону электронной пушки СВЧ-тетрода торцевая стенка второго внутреннего проводника резонатора закрывают торцы соответствующих внутренних проводников полностью или частично.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии полый проводящий держатель выполнен в виде полого цилиндра или полого усеченного конуса.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии первый и второй опорные диэлектрические изоляторы выполнены в виде расположенных соосно с резонатором полых усеченных конусов, большие основания которых обращены в сторону электронной пушки и в сторону вывода СВЧ-энергии соответственно.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии с внешней стороны радиального анода размещены рубашки охлаждения.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии внешний и внутренний проводники коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии изолированы друг от друга герметично.
В третьем варианте изобретения объемный резонатор выполнен в виде высокодобротного полуволнового коаксиального резонатора с собственной добротностью порядка 4000 и выше. ВЧ зазор коаксиального резонатора образован обращенными друг к другу торцами первого и второго внутренних проводников резонатора, которые изолированы от внешнего проводника резонатора с помощью первого и второго опорных диэлектрических изоляторов соответственно.
Электронная пушка и радиальный анод СВЧ-тетрода размещены в вакуумированной части резонатора, ограниченной первой торцевой стенкой резонатора, опорным диэлектрическим изолятором (из вакуумно-плотной керамики), размещенным между ними участком внешнего проводника резонатора и подсоединенным к опорному диэлектрическому изолятору со стороны электронной пушки участком первого внутреннего проводника резонатора.
В предлагаемом варианте изобретения использован элемент емкостной связи первого внутреннего проводника и внешнего проводника резонатора, выполненный в виде первой полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей радиальный анод. В нем также использован элемент емкостной связи второго внутреннего проводника и внешнего проводника резонатора, выполненный в виде второй полой проводящей торообразной насадки. Использование элементов емкостной связи обеспечивает образование в коаксиальном резонаторе электрической цепи, включающей первый и второй внутренние проводники коаксиального резонатора, первую и вторую торообразные насадки, емкостные зазоры между этими насадками и торцевыми стенками коаксиального резонатора, а также емкостные зазоры между этими насадками и боковой стенкой коаксиального резонатора (его внешним проводником). Введение в резонатор второй торообразной насадки позволяет осуществить гальваническое (омическое) соединение этой насадки с внутренним проводником коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии, что обеспечивает устойчивую работу излучателя СВЧ-энергии. Использование таких элементов емкостной и гальванической связи обеспечивает возможность получения больших амплитуд электрического поля в ВЧ-зазоре объемного резонатора и получения высокой выходной импульсной СВЧ-мощности.
Выполнение вывода СВЧ-энергии в этом варианте изобретения в виде отрезка коаксиальной линии (как и в предыдущих вариантах изобретения) обеспечивает удобство подсоединения коаксиального резонатора к внешнему СВЧ-тракту и измерения выходной мощности излучателя СВЧ-энергии. Использование герметичной изоляции между внешним и внутренним проводниками коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии позволяет невакуумированную часть коаксиального резонатора заполнить инертным газом или дополнительно вакуумировать. Это обеспечивает дополнительное повышения электрической прочности ВЧ-зазора и повышение выходной мощности излучателя СВЧ-энергии. Для работы излучателя СВЧ-энергии также не требуется фокусирующая система и коллектор.
В четвертом варианте изобретения предлагается излучатель СВЧ-энергии, содержащий источник СВЧ-колебаний, объемный резонатор и вывод СВЧ-энергии, при этом объемный резонатор выполнен в виде высокодобротного полуволнового коаксиального резонатора, первый и второй полые внутренние проводники которого расположены соосно и отделены друг от друга высокочастотным зазором, внешний проводник и снабженный торцевыми стенками первый внутренний проводник резонатора вакуумно-плотно соединены с размещенным между ними первым опорным диэлектрическим изолятором, при этом внешний проводник и второй внутренний проводник резонатора, снабженный торцевой стенкой на конце, обращенном в сторону источника СВЧ-колебаний, соединены с размещенным между ними вторым опорным диэлектрическим изолятором, источник СВЧ-колебаний выполнен в виде СВЧ-тетрода, содержащего электронную пушку и коаксиально окружающий ее радиальный анод, размещенные в вакуумированной части резонатора между первым внутренним проводником и первой торцевой стенкой резонатора и соосно с ним, причем первый внутренний проводник резонатора соединен с радиальным анодом, в полости резонатора также размещены элемент емкостной связи первого внутреннего и внешнего проводников резонатора, выполненный в виде первой полой проводящей торообразной насадки, коаксиально окружающей радиальный анод, и элемент емкостной связи второго внутреннего и внешнего проводников резонатора, выполненный в виде второй полой проводящей торообразной насадки, причем второй внутренний проводник резонатора соединен со второй полой проводящей торообразной насадкой через соосно расположенный между ними полый проводящий держатель, при этом вывод СВЧ-энергии выполнен в виде установленного снаружи резонатора отрезка прямоугольного волновода, соединенного герметично широкой стенкой со второй торцевой стенкой резонатора, вторая полая проводящая торообразная насадка соединена с размещенным в полости резонагора и соосно с ним проводящим штырем, свободный конец которого введен в отрезок волновода вывода СВЧ-энергии через сквозное отверстие в соединенных друг с другом стенках отрезка волновода вывода СВЧ-энергии и резонатора.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии обращенная в сторону вывода СВЧ-энергии торцевая стенка первого внутреннего проводника резонатора и обращенная в сторону электронной пушки СВЧ-тетрода торцевая стенка второго внутреннего проводника резонатора закрывают торцы соответствующих проводников полностью или частично.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии полый проводящий держатель выполнен в виде полого цилиндра или полого усеченного конуса.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии первый и второй опорные диэлектрические изоляторы выполнены в виде расположенных соосно с резонатором полых усеченных конусов, большие основания которых обращены в сторону электронной пушки и в сторону вывода СВЧ-энергии соответственно.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии с внешней стороны радиального анода размещены рубашки охлаждения.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии в полости резонатора в промежутке между его внешним и внутренними проводниками соосно размещен дополнительный цилиндрический диэлектрический изолятор, вакуумно-плотно соединенный с первым и вторым внутренними проводниками резонатора через расположенные соосно с резонатором соединительные кольца.
В предлагаемом излучателе СВЧ-энергии в отрезке прямоугольного волновода вывода СВЧ-энергии размещен дополнительный диэлектрический изолятор в виде колпака, который расположен соосно с резонатором и обращен вогнутой частью в сторону проводящего штыря, при этом колпак вакуумно-плотно соединен своим основанием с широкой стенкой отрезка прямоугольного волновода вывода СВЧ-энергии. При этом внешний и внутренние проводники полуволнового коаксиального резонатора могут быть выполнены из сверхпроводящего материала.
В четвертом варианте изобретения электронная пушка и радиальный анод СВЧ-тетрода размещены в вакуумированной части резонатора, ограниченной первой торцевой стенкой резонатора, первым опорным диэлектрическим изолятором (из вакуумно-плотной керамики), размещенным между ними участком внешнего проводника резонатора и подсоединенным к этому опорному диэлектрическому изолятору со стороны электронной пушки участком первого внутреннего проводника резонатора.
В отличие от третьего варианта в четвертом варианте изобретения вывод СВЧ-энергии выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода, который позволяет передать во внешнюю нагрузку больший уровень выходной мощности по сравнению с выводом СВЧ-энергии, выполненным в виде коаксиальной линии. При этом для отвода СВЧ-мощности из полуволнового коаксиального резонатора в отрезок волновода вывода СВЧ-энергии вторая полая проводящая насадка гальванически (омически) соединена с размещенным в полости резонатора проводящим штырем, свободный (выступающий из резонатора) конец которого введен в отрезок волновода вывода СВЧ-энергии. Гальваническое соединение второй полой проводящей насадки с проводящим штырем обеспечивает устойчивую работу излучателя СВЧ-энергии. Как и в третьем варианте изобретения, использование в конструкции элементов емкостной связи и гальванической связи обеспечивает возможность получения больших амплитуд электрического поля в ВЧ зазоре объемного резонатора и получения высокой выходной импульсной СВЧ-мощности. В этом варианте изобретения также отсутствуют фокусирующая магнитная система и коллектор, что упрощает конструкцию и повышает общий КПД излучателя СВЧ-энергии.
Размещение в промежутке между внешним проводником коаксиального резонатора и его внутренними проводниками дополнительного цилиндрического диэлектрического изолятора, выполненного из вакуумно-плотной керамики и вакуумно-плотно соединенного с внутренними проводниками резонатора через соединительные кольца, позволяет создать в области ВЧ-зазора (и в прилегающей к нему области резонатора) дополнительную вакуумированную полость и за счет этого повысить электрическую прочность ВЧ-зазора и увеличить выходную мощность излучателя СВЧ-энергии.
Размещение в отрезке прямоугольного волновода вывода СВЧ-энергии дополнительного диэлектрического изолятора в виде колпака из вакуумно-плотной керамики, вакуумно-плотно соединенного своим основанием с примыкающей к резонатору широкой стенкой волновода, позволяет отделить объединенный объем резонатора и окруженной колпаком части волновода от объема остальной части прямоугольного волновода. Этот объединенный объем можно сделать вакуумированным или заполнить инертным газом. Это позволяет повысить электрическую прочность всего резонатора и увеличить выходную мощность излучателя.
Выполнение внешнего и внутренних проводников полуволнового коаксиального резонатора из сверхпроводящего материала позволяет существенно повысить добротность резонатора и выходную импульсную мощность излучателя СВЧ-энергии.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена конструкция излучателя СВЧ-энергии согласно первому варианту изобретения.
На фиг.2 изображена конструкция излучателя СВЧ-энергии согласно второму варианту изобретения.
На фиг.3 изображена конструкция излучателя СВЧ-энергии согласно третьему варианту изобретения.
На фиг.4 изображен первый пример выполнения конструкции излучателя СВЧ-энергии согласно четвертому варианту изобретения.
На фиг.5 изображен второй пример выполнения конструкции излучателя СВЧ-энергии согласно четвертому варианту изобретения.
Излучатель СВЧ-энергии согласно первому варианту изобретения, показанный на фиг.1, содержит следующие элементы:
1 - четвертьволновой коаксиальный резонатор,
2 - высокочастотный зазор резонатора 1,
3 - внешний проводник резонатора 1,
4, 5 - первая и вторая торцевые стенки резонатора 1,
6 - внутренний проводник резонатора 1,
7, 8 - первая и вторая торцевые стенки внутреннего проводника 6,
9 - СВЧ-тетрод,
10 - электронная пушка СВЧ-тетрода 9,
11 - подогреватель катода СВЧ-тетрода 9,
12 - катод СВЧ-тетрода 9,
13 - управляющая сетка СВЧ-тетрода 9,
14 - экранная сетка СВЧ-тетрода 9,
15 - радиальный анод СВЧ-тетрода 9,
16 - изолятор вывода радиального анода 15,
17 - торообразная насадка,
18 - опорный диэлектрический изолятор,
19 - отрезок коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии,
20 - внешний проводник коаксиальной линии 19,
21 - внутренний проводник коаксиальной линии 19,
22 - расширение на конце внутреннего проводника 21,
23 - изолирующая шайба,
24 - рубашки охлаждения радиального анода 15,
25 - трубки для ввода/вывода охлаждающей жидкости,
26 - вакуумированная часть резонатора 1,
27 - фланцы,
28 - сквозные отверстия в торообразной насадке,
29 - сквозное отверстие во внутреннем проводнике 6.
Электронная пушка 10 СВЧ-тетрода 9 встроена в первую торцевую стенку 4 четвертьволнового коаксиального резонатора 1. На размещенном в вакуумированной части 26 резонатора 1 участке электронной пушки 10 СВЧ-тетрода 9 закреплены электрически изолированные друг от друга с помощью диэлектрических изоляторов концентрично установленные подогреватель 11, катод 12, управляющая 13 и экранная 14 сетки СВЧ-тетрода. При этом экранная сетка 14 электрически соединена с торцевой стенкой 4 резонатора 1. Выступающий за пределы резонатора 1 в атмосферу участок электронной пушки 10 снабжен концентрично расположенными выводами подогревателя, катода и сеток, что удобно для подсоединения к ним коаксиальных разъемов внешних устройств, в том числе разъемов источников питания и цепи обратной связи.
Система охлаждения радиального анода 15 СВЧ-тетрода 9 включает рубашки охлаждения 24 и трубки для ввода/вывода охлаждающей жидкости 25, которые используют одновременно и как вывод радиального анода 15. При этом торообразная насадка 17 охватывает рубашки охлаждения. Для выравнивания давления внутри и снаружи торообразной насадки 17 в ней выполнены сквозные отверстия 28. Для выравнивания давления внутри и снаружи внутреннего проводника 6 резонатора 1 во внутреннем проводнике 6 выполнено сквозное отверстие 29.
Электронная пушка 10 СВЧ-тетрода 9 и внешний проводник 20 коаксиальной линии 19 герметично закреплены (например, путем сварки или пайки) соответственно в торцевых стенках 4 и 5 резонатора 1. Внешний 20 и внутренний 21 проводники коаксиальной линии 19 жестко скреплены друг с другом с помощью изолирующей шайбы 23.
Внутренний проводник 6 резонатора 1, радиальный анод 15 с торообразной насадкой 17 жестко скреплены друг с другом и образуют единый узел, который с помощью опорного диэлектрического изолятора 18 жестко закреплен во внешнем проводнике 3 резонатора 1. Опорный диэлектрический изолятор 18 выполнен из вакуумно-плотной керамики и вакуумно-плотно соединен с внешним проводником 3 и внутренним проводником 6 резонатора 1. При этом полость резонатора 1, ограниченная его первой торцевой стенкой 4, опорным диэлектрическим изолятором 18, размещенным между ними участком внешнего проводника 3 резонатора 1 и второй торцевой стенкой 8 внутреннего проводника 6 резонатора 1, образует вакуумированную часть 26 резонатора 1. Конструкция излучателя обеспечивает высокую механическую прочность и виброустойчивость.
Излучатель СВЧ-энергии согласно второму варианту изобретения, показанный на фиг.2, включает полуволновый коаксиальный резонатор 30, содержащий внешний проводник 31, а также разделенные высокочастотным зазором 32 первый 33 и второй 34 внутренние проводники резонатора 30, причем первый внутренний проводник 33 снабжен первой 35 и второй 36 торцевыми стенками.
Между вторым внутренним проводником 34 и первой торцевой стенкой 37 резонатора 30, размещен СВЧ-тетрод 9, включающий (так же, как в первом варианте изобретения) электронную пушку 10 (содержащую подогреватель 11, катод 12, управляющую сетку 13, экранную сетку 14) и радиальный анод 15, окруженный торообразной насадкой 17. С внешней стороны радиального анода 15 размещены рубашки охлаждения 24, соединенные с трубками для ввода/вывода охлаждающей жидкости 25.
Между внешним проводником 31 и первым внутренним проводником 33 резонатора 30 установлен опорный диэлектрический изолятор 38.
Полость резонатора 30, ограниченная его первой торцевой стенкой 37, диэлектрическим изолятором 38, размещенным между ними участком внешнего проводника 31 резонатора и второй торцевой стенкой 36 первого внутреннего проводника 33 резонатора, образует вакуумированную часть 39 резонатора 30.
Вывод СВЧ-энергии выполнен (так же, как в первом варианте изобретения) в виде отрезка коаксиальной линии 19, внешний проводник 20 которой соединен со второй торцевой стенкой 40 резонатора 30. Внутренний проводник 21 коаксиальной линии 9 выполнен с расширением 22 на конце, введенном в полость второго внутреннего проводника 34 резонатора 30. Проводники 20 и 21 отделены друг от друга изолирующей шайбой 23.
В излучателе СВЧ-энергии согласно третьему варианту изобретения, показанному на фиг.3, электронная пушка и радиальный анод СВЧ-тетрода 9 размещены в вакуумированной части 39 резонатора 30.
Этот излучатель СВЧ-энергии в отличие от второго варианта изобретения дополнительно снабжен второй торообразной насадкой 41, соединенной со вторым внутренним проводником 34 полуволнового коаксиального резонатор 30 через полый проводящий держатель 42. Между внешним проводником 31 и вторым внутренним проводником 34 резонатора 30 размещен второй опорный диэлектрический изолятор 43. Второй внутренний проводник 34 резонатора 30 на конце, обращенном в сторону высокочастотного зазора 32, снабжен торцевой стенкой 44.
Вывод СВЧ-энергии, так же как в предыдущих вариантах изобретения, выполнен в виде отрезка коаксиальной линии 19, внешний проводник 20 которой соединен со второй торцевой стенкой 40 резонатора 30. Внутренний проводник 21 коаксиальной линии 19 введен в полость резонатора 30 и гальванически соединен со второй торообразной насадкой 41. Проводники 20 и 21 отделены друг от друга изолирующей шайбой 23.
В излучателе СВЧ-энергии согласно четвертому варианту изобретения, примеры выполнения которого показаны на фиг.4 и фиг.5, электронная пушка и радиальный анод СВЧ-тетрода 9 размещены в вакуумированной части 39 резонатора 30.
В отличие от третьего варианта изобретения в этом варианте изобретения вывод СВЧ-энергии выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода 45, примыкающего широкой стенкой 46 ко второй торцевой стенке 40 полуволнового коаксиального резонатора 30. В резонаторе 30 размещен проводящий штырь 47, один конец которого введен в отрезок прямоугольного волновода 45 через сквозное отверстие 48, выполненное в примыкающих друг к другу широкой стенке 46 отрезка прямоугольного волновода 45 и второй торцевой стенке 40 резонатора 30. Размещенный в резонаторе 30 второй конец штыря 47 гальванически соединен со второй торообразной насадкой 41.
В показанном на фиг.5 втором примере выполнения излучателя СВЧ-энергии согласно четвертому варианту изобретения в промежутке между внешним проводником 31 и внутренними проводниками 33, 34 резонатора 30 размещен расположенный соосно с резонатором 30 дополнительный цилиндрический диэлектрический изолятор 49 из вакуумно-плотной керамики, вакуумно-плотно соединенный с основаниями внутренних проводников 33, 34 через расположенные перпендикулярно этим проводникам (и соосно с резонатором 30) соединительные кольца 50. Кроме того, показанная на фиг.5 конструкция излучателя СВЧ-энергии содержит размещенный в отрезке прямоугольного волновода 45 вывода СВЧ-энергии дополнительный диэлектрический изолятор в виде колпака 51, который расположен соосно резонатору 30 и обращен вогнутой частью в сторону проводящего штыря 47. Колпак 51 выполнен из вакуумно-плотной керамики и вакуумно-плотно соединен своим основанием с широкой стенкой 46 отрезка прямоугольного волновода 45. Для повышения добротности полуволнового коаксиального резонатора 30 его внешний 31 и внутренние 33, 34 проводники могут быть выполнены из сверхпроводящего материала, например из ниобия, при этом излучатель СВЧ-энергии погружают в гелиоазотную ванну. Это позволяет получить импульсную мощность излучателя СВЧ-энергии до 100 МВт на частоте порядка 300 МГц при напряжении питания порядка 15-20 кВ.
Излучатель СВЧ-энергии согласно первому варианту изобретения, показанный на фиг.1, работает следующим образом.
На подогреватель 11 катода 12 СВЧ-тетрода 9 подают ток накала катода, на управляющую сетку 13 и радиальный анод 15 подают соответствующие сеточное и анодное напряжения. Катод 12 СВЧ-тетрода эмитирует электроны, которые проходят через управляющую сетку 13, затем проходят через соединенную с торцевой стенкой 4 экранную сетку 14 и попадают на радиальный анод 15. При этом возбуждается СВЧ-тетрод, и на высокочастотном зазоре 2 резонатора 1, образованном между торцом внутреннего проводника 6 резонатора 1 и торцом внутреннего проводника 21 коаксиальной линии 19 вывода СВЧ-энергии, а также второй торцевой стенкой 5 резонатора 1, возникает напряжение высокочастотных колебаний. Благодаря емкостной связи между торцами внутренних проводников 6 и 21 в коаксиальной линии 19 вывода СВЧ-энергии наводится высокочастотный ток и СВЧ-мощность выводится из излучателя СВЧ-энергии.
Излучатель СВЧ-энергии согласно второму варианту изобретения, показанный на фиг.2, работает аналогичным образом. Как и в первом варианте изобретения возбуждают СВЧ-тетрод 9 и на высокочастотном зазоре 32 полуволнового коаксиального резонатора 30, образованном торцами внутренних проводников 33, 34 резонатора 30, возникает напряжение высокочастотных колебаний. Благодаря емкостной связи между торцами внутреннего проводника 33 резонатора 30 и внутреннего проводника 21 коаксиальной линии 19 вывода СВЧ-энергии в коаксиальной линии 19 наводится высокочастотный ток, и СВЧ-мощность выводится из излучателя СВЧ-энергии.
Так же, как во втором варианте изобретения, при работе излучателя СВЧ-энергии по третьему варианту изобретения, показанному на фиг.3, напряжение высокочастотных колебаний возникает на высокочастотном зазоре 32 полуволнового коаксиального резонатора 30, образованном торцами его внутренних проводников 33, 34. Внутренний проводник 34, изолированный от внешнего проводника 31 резонатора 30 с помощью второго опорного диэлектрического изолятора 43, имеет емкостную связь с внешним проводником 31 через вторую торообразную насадку 41. Это позволяет осуществить гальваническое соединение внутреннего проводника 21 коаксиальной линии 19 вывода СВЧ-энергии с внутренним проводником 34 резонатора 30, в результате чего они находятся под одним потенциалом. Таким образом, в коаксиальной линии 19 наводится высокочастотный ток и СВЧ-мощность выводится из излучателя СВЧ-энергии.
В отличие от третьего варианта при работе излучателя СВЧ-энергии по четвертому варианту изобретения, показанному на фиг.4 и 5, СВЧ-мощность выводится из полуволнового коаксиального резонатора 30 в отрезок прямоугольного волновода 45 с помощью проводящего штыря 47, а затем через открытый конец отрезок прямоугольного волновода 45 она выводится из излучателя СВЧ-энергии.
Предлагаемые варианты конструкции высокоэнергетичного излучателя СВЧ-энергии позволяют значительно повысить его выходную импульсную мощность и КПД, упростить конструкцию, снизить массу и габариты, обеспечить устойчивость к пробоям, а также повысить надежность и долговечность. Конструкция технологична в изготовлении и эксплуатации.
Предлагаемый излучатель СВЧ-энергии позволяет получить импульсную мощность 1-100 МВт на частоте порядка 300 МГц при напряжении питания порядка 15-20 кВ.
Источники информации
1. Патент США №4480210, МКИ H01J 25/00, опубл. 30.10.1984 г.
2. Патент РФ №2152102, МКИ H01J 25/10, опубл. 27.06.2000 г.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ИЗЛУЧАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОНОВ | 2005 |
|
RU2281621C1 |
| РЕНТГЕНОВСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ | 2005 |
|
RU2286615C1 |
| УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ | 2006 |
|
RU2306685C1 |
| СВЧ-ПРИБОР КЛИСТРОННОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ) | 2009 |
|
RU2390870C1 |
| РЕНТГЕНОВСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ | 2001 |
|
RU2214018C2 |
| СВЧ-ПРИБОР О-ТИПА | 2008 |
|
RU2364977C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ | 2008 |
|
RU2379782C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ | 2007 |
|
RU2342733C1 |
| СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ | 2015 |
|
RU2604833C1 |
| СВЧ-ПРИБОР КЛИСТРОННОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ) | 2011 |
|
RU2474003C1 |
Изобретение относится к электронной технике, в частности к излучателям СВЧ-энергии, выполненным на основе электровакуумных СВЧ-приборов, и может быть использовано в системах дальней связи, включая сверхдальнюю космическую связь. В первом варианте изобретения излучатель СВЧ-энергии содержит расположенные соосно четвертьволновой коаксиальный резонатор, СВЧ-тетрод, включающий электронную пушку и радиальный анод, размещенные в вакуумированной части резонатора между внутренним проводником и первой торцевой стенкой резонатора, элемент емкостной связи внутреннего и внешнего проводников резонатора, выполненный в виде торообразной насадки, коаксиально окружающей радиальный анод СВЧ-тетрода, и вывод СВЧ-энергии в виде отрезка коаксиальной линии. Внутренний проводник резонатора отделен от внутреннего проводника коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии и второй торцевой стенки резонатора высокочастотным зазором. Во втором, третьем и четвертом вариантах изобретения излучатель СВЧ-энергии выполнен на основе полуволнового коаксиального резонатора. Техническим результатом является повышение выходной импульсной мощности и КПД излучателя СВЧ-энергии, его надежности и долговечности, упрощение конструкции, снижение массы и габаритов. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.
| ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ ПРИБОР СВЧ, ИСТРОН | 1998 |
|
RU2152102C1 |
| ГЕНЕРАТОР СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ | 1989 |
|
RU2067336C1 |
| US 4480210 А, 30.10.1984 | |||
| US 5698949 А, 16.12.1997 | |||
| КОРПУС СУДНА | 1992 |
|
RU2071435C1 |
