СВЧ-ПРИБОР КЛИСТРОННОГО ТИПА Российский патент 2010 года по МПК H01J25/02 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к СВЧ-приборам клистронного типа, предназначенным для получения СВЧ-мощности на нескольких кратных частотах, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.

Известно, что в электровакуумных СВЧ-приборах O-типа, например в усилительных клистронах, при группировке электронного потока создаются сгустки электронного тока с частотой повторения, равной частоте ω входного СВЧ-сигнала, подаваемого на СВЧ-прибор, и длительностью около 0,1 периода повторения, причем сгустки электронного тока содержат широкий спектр гармоник тока. Сгруппированные электронные сгустки, выйдя из группирователя электронных сгустков клистрона, попадают в высокодобротный выходной резонатор, настроенный на рабочую частоту ω. В выходном резонаторе происходит отбор энергии от сгруппированного электронного потока, которая в виде выходного СВЧ-сигнала частоты ω передается через вывод СВЧ-энергии в нагрузку. Таким образом, на выходе обычного клистрона получают усиленную СВЧ-мощность на одной рабочей частоте ω.

Известен СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, группирователь электронных сгустков, выходной резонатор, коллектор, ввод СВЧ-энергии и вывод СВЧ-энергии [1]. Выходной резонатор содержит два многозазорных резонатора с двумя или более зазорами, настроенных на рабочую частоту ω СВЧ-прибора, полости каждого из многозазорных резонаторов имеют электромагнитную связь через щели связи, при этом высокочастотные (ВЧ) зазоры одного многорезонаторного резонатора последовательно чередуются вдоль оси СВЧ-прибора с ВЧ зазорами другого многозазорного резонатора. В таком СВЧ-приборе электронный поток, предварительно сгруппированный в группирователе электронных сгустков, поступает в выходной резонатор и проходит через ВЧ зазоры обоих многозазорных резонаторов, при этом электронный поток отдает мощность в одном из этих резонаторов и эффективно подгруппировывается в ВЧ зазорах другого многозазорного резонатора, что позволяет увеличить КПД СВЧ-прибора. При таком конструктивном выполнении выходного резонатора необходимый фазовый сдвиг подгруппировывающего напряжения достигается не за счет использования расстройки другого многозазорного резонатора относительно рабочей частоты ω СВЧ-прибора, что может привести к значительному снижению амплитуды подгруппирующего напряжения, а за счет подбора угла пролета электронов между ВЧ зазорами многозазорных резонаторов. При этом при подаче на вход СВЧ-прибора входного СВЧ-сигнала с частотой ω на выходе СВЧ-прибора получают усиленную СВЧ-мощность также на рабочей частоте ω.

Известен СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, многорезонаторный группирователь электронных сгустков, содержащий входной и промежуточные однозазорные резонаторы с пролетными трубами, настроенные на рабочую частоту ω, выходной двухзазорный резонатор, а также коллектор, ввод и вывод СВЧ-энергии [2]. Выходной двухзазорный резонатор настроен на два основных вида колебаний (противофазный и синфазный) с близкими частотами, что позволяет расширить полосу СВЧ-прибора. Для дополнительного расширения полосы двухзазорный резонатор соединен с пассивным резонатором. При подаче на вход СВЧ-прибора входного СВЧ-сигнала с частотой ω в выходном двухзазорном резонаторе возбуждаются СВЧ-колебания на частоте входного СВЧ-сигнала, при этом усиленная мощность выводится из СВЧ-прибора также только на этой рабочей частоте ω.

Известен умножительный клистрон, содержащий электронную пушку, резонаторы с пролетными трубами, коллектор, а также устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии [3]. В таком клистроне сгруппированные электронные сгустки, выйдя из группирующего резонатора, настроенного на частоту ω, попадают в выходной резонатор, настроенный на частоту nω (где n=2, 3, …). В выходном резонаторе происходит отбор энергии от сгруппированного электронного потока, которая в виде выходного СВЧ-сигнала частоты nω передается через вывод СВЧ-энергии в нагрузку. Таким образом, на выходе умножительного клистрона получают СВЧ-мощность только на одной из частот, кратных ω.

Известна резонансная система для линейных ускорителей, содержащая несколько связанных с общим электронным потоком двухзазорных резонаторов, причем для повышения коэффициента полезного действия (КПД) резонаторы выполнены в виде размещенных один внутри другого металлических цилиндров с пролетными отверстиями на торцах, которые соединены между собой металлическими перемычками [4]. В резонансной системе наружный двухзазорный резонатор настроен только на основную гармонику, то есть на рабочую частоту ω ускорителя, каждый из внутренних резонаторов настроен только на одну из частот, кратных рабочей частоте ω, то есть внутренние резонаторы настроены (по мере уменьшения диаметра и длины резонатора) на частоты 2ω и 3ω. Такая резонансная система может быть установлена перед ускоряющей системой линейного ускорителя, при этом на вход резонансной систем подается СВЧ-мощность с частотой СО. Резонансная система предназначена для получения более плотных электронных сгустков, при этом при группировке электронного потока создаются сгустки электронного тока с частотой повторения, равной частоте ω входного СВЧ-сигнала, которые затем поступают в ускоряющую систему линейного ускорителя, настроенную на рабочую частоту ω. Для обеспечения в такой конструкции более эффективной группировки электронных сгустков требуется использование не менее трех двухзазорных резонаторов, настроенных на разные частоты, кратные СО, что значительно усложняет конструкцию резонансной системы и технологию ее изготовления, а также приводит к существенному увеличению габаритов.

Известен СВЧ-прибор клистронного типа (прототип изобретения), содержащий электронную пушку, входной, промежуточные и выходной однозазорные резонаторы, настроенные на рабочую частоту ω и, по крайней мере, один дополнительный промежуточный двухзазорный резонатор, а также коллектор, устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии [5]. В дополнительном промежуточном двухзазорном резонаторе (который входит в состав группирователя электронных сгустков СВЧ-прибора) взаимодействие электронного потока с СВЧ-полями резонатора осуществляется последовательно в двух высокочастотных зазорах, что повышает эффективность взаимодействия СВЧ-поля с электронным потоком по сравнению с однозазорным резонатором. Дополнительный промежуточный двухзазорный резонатор настроен на кратные частоты ω и 2ω, соответствующие противофазному и синфазному видам колебаний. Вследствие этого на электронный поток в двухзазорном резонаторе воздействует СВЧ-напряжение, близкое к пилообразному, что приводит к более эффективной группировке электронного потока. В таком двухзазорном резонаторе рабочим видом колебаний является противофазный вид колебаний на рабочей частоте со, а синфазный вид колебаний на частоте 2 ω используется только для более эффективной группировки электронного потока. Эффективность группировки в такой конструкции двухзазорного резонатора сопоставима с эффективностью группировки в резонансной системе [4], когда в ней используются два двухзазорных резонатора, но при этом конструкция двухзазорного резонатора прототипа более компактна и проста в изготовлении, чем указанная резонансная система.

В прототипе в выходном однозазорном резонаторе, настроенном на рабочую частоту ω, происходит отбор энергии от эффективно сгруппированного электронного потока, которая через вывод СВЧ-энергии передается в нагрузку только на рабочей частоте ω, что ограничивает область его применения.

Задачей изобретения является создание СВЧ-прибора клистронного типа, обеспечивающего при подаче на вход СВЧ-прибора СВЧ-сигнала с частотой ω, получение на его выходе СВЧ-колебаний одновременно на четырех и более кратных частотах, например ω, 2ω, 3ω, 6ω или ω, 2ω, 4ω, 8ω или ω, 2ω, 5ω, 10ω либо ω, 2ω, 3ω, 4ω, 6ω, 8ω или ω, 2ω, 3ω, 5ω, 6ω, 10ω или ω, 2ω, 4ω, 5ω, 8ω, 10ω.

Предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, входной, промежуточные и выходной резонаторы с пролетными трубами, коллектор, устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии, при этом выходной резонатор содержит первый двухзазорный резонатор и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор, прикрепленный к первому двухзазорному резонатору с помощью первого держателя, при этом высокочастотные зазоры второго двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его первого двухзазорного резонатора и пролетные трубы обоих резонаторов расположены соосно друг другу и продольной оси СВЧ-прибора, причем первый двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₃=2ω, второй двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора, устройство для вывода СВЧ-энергии из выходного резонатора содержит расположенную перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора первую коаксиальную линию передачи, связанную с одной из полостей первого двухзазорного резонатора с помощью первой петли связи, и расположенную перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора вторую коаксиальную линию передачи, связанную с одной из полостей второго двухзазорного резонатора с помощью второй петли связи. При этом второй двухзазорный резонатор выходного резонатора настроен на частоты

ω₃=3ω, ω₄=6ω или ω₃=4ω, ω₄=8ω или ω₃=5ω, ω₄=10ω,

где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

В предлагаемом СВЧ-приборе клистронного типа второй двухзазорный резонатор выходного резонатора, настроенный на частоты ω₃ и ω₄, содержит размещенный внутри него третий двухзазорный резонатор, прикрепленный ко второму двухзазорному резонатору с помощью второго держателя, при этом высокочастотные зазоры третьего двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его второго двухзазорного резонатора и пролетные трубы третьего резонатора расположены соосно пролетным трубам первого и второго двухзазорных резонаторов, третий двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅, устройство для вывода СВЧ-энергии из выходного резонатора содержит расположенную перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора третью коаксиальную линию передачи, связанную с одной из полостей третьего двухзазорного резонатора с помощью третьей петли связи. При этом частоты выбраны из условий

ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=4ω, ω₆=8ω или

ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=5ω, ω₆=10ω или

ω₃=4ω, ω₄=8ω, ω₅=5ω, ω₆=10ω,

где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

В предлагаемом СВЧ-приборе клистронного типа, по крайней мере, один из промежуточных резонаторов содержит первый двухзазорный резонатор и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор, прикрепленный к первому двухзазорному резонатору с помощью третьего держателя, при этом высокочастотные зазоры второго двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его первого двухзазорного резонатора и пролетные трубы обоих резонаторов расположены соосно друг другу и продольной оси СВЧ-прибора, причем первый двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора. При этом второй двухзазорный резонатор промежуточного резонатора, содержащего два двухзазорных резонатора, настроен на частоты ω₃=3ω, ω₄=6ω, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

В предлагаемом СВЧ-приборе клистронного типа второй двухзазорный резонатор одного из промежуточных резонаторов, содержащих два двухзазорных резонатора, настроенный на частоты ω₃ и ω₄, содержит размещенный внутри него третий двухзазорный резонатор, прикрепленный ко второму двухзазорному резонатору промежуточного резонатора с помощью четвертого держателя, при этом высокочастотные зазоры третьего двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его второго двухзазорного резонатора и пролетные трубы третьего резонатора расположены соосно пролетным трубам первого и второго двухзазорных резонаторов, третий двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω_4, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅. При этом для промежуточного резонатора, содержащего три двухзазорных резонатора, частоты выбраны из условий

ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=4ω, ω₆=8ω,

где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

В предлагаемом изобретении выходной резонатор содержит первый двухзазорный резонатор и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор, при этом первый двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора. При подаче на вход СВЧ-прибора входного сигнала с частотой ω в первом двухзазорном резонаторе одновременно возникают СВЧ-колебания двух основных видов колебаний с частотами ω₁=ω и ω₂=2ω, а во втором двухзазорном резонаторе одновременно возникают СВЧ-колебания двух основных видов колебаний с частотами ω₃>2ω и ω₄=2ω₃. Вследствие этого в выходном резонаторе одновременно происходит взаимодействие сгруппированного электронного потока с СВЧ-полями на четырех частотах ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, кратных частоте ω входного сигнала. В этом случае в первом двухзазорном резонаторе отбор мощности от электронного потока осуществляется одновременно на двух видах колебаний (на двух кратных частотах ω₁ и ω₂), а во втором двухзазорном резонаторе отбор мощности от электронного потока осуществляется одновременно на двух видах колебаний (на двух кратных частотах ω₃ и ω₄), что расширяет функциональные возможности СВЧ-прибора. При этом настройка противофазного вида колебаний первого двухзазорного резонатора на частоту ω и синфазного вида колебаний на частоту 2ω, а также настройка противофазного вида колебаний второго двухзазорного резонатора на частоту ω₃, которая ω₃>2ω, и синфазного вида колебаний на частоту ω₄=2ω₃ позволяет создать условия для оптимального взаимодействия электронного потока с СВЧ-полями этих видов колебаний выходного резонатора и, следовательно, для отбора СВЧ-мощности от электронного потока на этих частотах одновременно.

Выполнение устройства для вывода СВЧ-энергии из выходного резонатора в виде двух коаксиальных линий передачи, первая из которых электромагнитно связана с первым двухзазорным резонатором с помощью первой петли связи, а вторая коаксиальная линия передачи электромагнитно связана со вторым двухзазорным резонатором с помощью второй петли связи, позволяет осуществить вывод мощности из выходного резонатора СВЧ-прибора в нагрузку на четырех кратных частотах ω₁, ω₂, ω₃, ω₄ одновременно. Таким образом, в предлагаемом СВЧ-приборе вывод мощности осуществляется на четырех кратных частотах одновременно, а не на одной частоте ω, как в прототипе. При этом величина СВЧ-мощности, полученной на выходе СВЧ-прибора на частотах ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, существенно превышает величину СВЧ-мощности, поданной на вход СВЧ-прибора.

В зависимости от решаемой задачи второй двухзазорный резонатор выходного резонатора может быть настроен на частоты ω₃=3ω, ω₄=6ω или ω₃=4ω, ω₄=8ω или ω₃=5ω, ω₄=10ω, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

В предлагаемом изобретении возможен другой вариант выполнения выходного резонатора, при котором второй двухзазорный резонатор, настроенный на частоты ω₃ и ω₄, содержит размещенный внутри него третий двухзазорный резонатор, высокочастотные зазоры которого расположены между высокочастотными зазорами окружающего его второго двухзазорного резонатора. При этом третий двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄, и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой ω₆=2ω₅. В этом случае устройство для вывода СВЧ-энергии из выходного резонатора дополнительно содержит третью коаксиальную линию передачи, электромагнитно связанную с третьим двухзазорным резонатором с помощью третьей петли связи для отвода мощности на частотах ω₅ и ω₆. В такой конструкции при подаче на вход СВЧ-прибора входного сигнала с частотой ω вывод СВЧ-мощности из выходного резонатора СВЧ-прибора в нагрузку осуществляется на шести кратных частотах ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆ одновременно.

В зависимости от решаемой задачи третий двухзазорный резонатор выходного резонатора может быть настроен на частоты ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=4ω, ω₆=8ω или ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=5ω, ω₆=10ω или ω₃=4ω, ω₄=8ω, ω₅=5ω, ω6=10ω), где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

В предлагаемом изобретении, по крайней мере, один из промежуточных резонаторов содержит первый двухзазорный резонатор и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор, при этом первый двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора. Вследствие этого в таком промежуточном резонаторе одновременно происходит взаимодействие электронного потока с СВЧ-полями на четырех частотах ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, кратных частоте ω входного сигнала. При этом настройка противофазного вида колебаний первого двухзазорного резонатора на частоту ω и синфазного вида колебаний на частоту 2ω, а также настройка противофазного вида колебаний второго двухзазорного резонатора на частоту ω₃, которая ω₃>2ω, и синфазного вида колебаний - на частоту ω₄=2ω₃, позволяет создать условия для оптимального взаимодействия электронного потока с СВЧ-полями этих видов колебаний промежуточного резонатора. В таком промежуточном резонаторе при указанной настройке частот на электронный поток воздействует СВЧ-напряжение, близкое к пилообразному, что приводит к более эффективной группировке электронного потока и повышению КПД. При этом наиболее плотные электронные сгустки получаются при условии, когда второй двухзазорный резонатор такого промежуточного резонатора настроен на частоты ω₃=3ω, ω₄=6ω, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

В предлагаемом изобретении возможен другой вариант выполнения промежуточного резонатора, при котором второй двухзазорный резонатор, настроенный на частоты ω₃ и ω₄, содержит размещенный внутри него третий двухзазорный резонатор, высокочастотные зазоры которого расположены между высокочастотными зазорами окружающего его второго двухзазорного резонатора. При этом третий двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅.

В таком промежуточном резонаторе при указанной настройке частот на электронный поток воздействует СВЧ-напряжение, которое по форме еще более приближается к пилообразному, что способствует повышению эффективности группировки электронного потока и повышению КПД. В этом случае наиболее плотные электронные сгустки получаются при выполнении следующих условий: ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=4ω, ω₆=8ω, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, выходной резонатор которого содержит два двухзазорных резонатора.

На фиг.2 показаны продольное и поперечное А-А сечения выходного резонатора предлагаемого СВЧ-прибора, изображенного на фиг.1.

На фиг.3 показаны продольное и поперечное А-А сечения другого варианта выполнения выходного резонатора, содержащего три двухзазорных резонатора.

На фиг.4 показан предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, в котором выходной резонатор и предвыходной промежуточный резонатор содержат по два двухзазорных резонатора.

На фиг.5 приведены временные диаграммы распределения СВЧ-напряжений U₁ и U₂ соответственно в первом и втором ВЧ зазорах первого двухзазорного резонатора выходного резонатора, приведенного на фиг.2, для противофазного вида колебаний с частотой ω и для синфазного вида колебаний с частотой 2ω.

Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, одна из возможных конструкций которого показана на фиг.1, содержит электронную пушку 1, входной резонатор 2, промежуточные резонаторы 3, образующие в совокупности с резонатором 2 группирователь электронных сгустков, выходной резонатор 4 и коллектор 5, а также устройство для ввода СВЧ-энергии в виде коаксиальной линии передачи 6 и устройство для вывода СВЧ-энергии, содержащее установленные с внешней стороны выходного двухзазорного резонатора 4 первую 7 и вторую 8 коаксиальные линии передачи.

Один из вариантов выполнения выходного резонатора предлагаемого СВЧ-прибора (изображенного на фиг.1) показан на фиг.2.

Выходной резонатор 4 содержит первый двухзазорный резонатор 9 и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор 10, прикрепленный к первому двухзазорному резонатору 9 с помощью первого держателя 11. Пролетные трубы 12 двухзазорных резонаторов 9 и 10 расположены соосно друг другу и продольной оси выходного резонатора 4, совпадающей с продольной осью предлагаемого СВЧ-прибора, при этом первый 13 и второй 14 высокочастотные зазоры второго двухзазорного резонатора 10 расположены между первым 15 и вторым 16 высокочастотными зазорами окружающего его первого двухзазорного резонатора 9. Две полости первого двухзазорного резонатора 9 связаны между собой щелью связи 17, а две полости второго двухзазорного резонатора 10 связаны между собой щелью связи 18. При этом первый двухзазорный резонатор 9 настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор 10 настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

Вывод из первого двухзазорного резонатора 9 СВЧ-мощности на частотах ω₁ и ω₂ осуществляется с помощью расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора первой коаксиальной линии передачи 7, проходящей через боковую стенку первого двухзазорного резонатора 9 и связанной с одной из полостей первого двухзазорного резонатора 9 посредством петли связи 19. Вывод из второго двухзазорного резонатора 10 СВЧ-мощности на частотах ω₃ и ω₄ осуществляется с помощью расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора второй коаксиальной линии передачи 8, последовательно проходящей через боковую стенку первого двухзазорного резонатора 9, первый держатель 11 и боковую стенку второго двухзазорного резонатора 10 и связанной с одной из полостей второго двухзазорного резонатора 10 посредством петли связи 20.

На фиг.3 показан другой вариант выполнения выходного резонатора предлагаемого СВЧ-прибора.

Выходной резонатор 4 содержит первый двухзазорный резонатор 9, размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор 10, прикрепленный к первому двухзазорному резонатору 9 с помощью первого держателя 11, и размещенный внутри второго двухзазорного резонатора 10 третий двухзазорный резонатор 21, прикрепленный ко второму двухзазорному резонатору 10 с помощью второго держателя 22. Пролетные трубы 12 двухзазорных резонаторов 9, 10 и 21 расположены соосно друг другу и продольной оси выходного резонатора 4 и предлагаемого СВЧ-прибора, при этом высокочастотные зазоры 13, 14 второго двухзазорного резонатора 10 расположены между высокочастотными зазорами 15, 16 окружающего его первого двухзазорного резонатора 9, а первый 23 и второй 24 высокочастотные зазоры третьего двухзазорного резонатора 21 расположены между высокочастотными зазорами 13, 14 окружающего его второго двухзазорного резонатора 10. Две полости первого двухзазорного резонатора 9 связаны между собой щелью связи 17, а две полости второго двухзазорного резонатора 10 связаны между собой щелью связи 18, а две полости третьего двухзазорного резонатора 21 связаны между собой щелью связи 25. При этом первый двухзазорный резонатор 9 настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой со ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор 10 настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, а третий двухзазорный резонатор 21 настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

Вывод из первого двухзазорного резонатора 9 СВЧ-мощности на частотах ω₁ и ω₂ осуществляется с помощью расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора первой коаксиальной линии передачи 7, связанной с одной из полостей первого двухзазорного резонатора 9 посредством петли связи 19. Вывод из второго двухзазорного резонатора 10 СВЧ-мощности на частотах ω₃ и ω₄ осуществляется с помощью расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора второй коаксиальной линии передачи 8, связанной с одной из полостей второго двухзазорного резонатора 10 посредством петли связи 20. Вывод из третьего двухзазорного резонатора 21 СВЧ-мощности на частотах ω₅ и ω₆ осуществляется с помощью расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора третьей коаксиальной линии передачи 26, связанной с одной из полостей третьего двухзазорного резонатора 21 посредством петли связи 27. При этом третья коаксиальная линия передачи 26 последовательно проходит через боковую стенку первого двухзазорного резонатора 9, первый держатель 11, боковую стенку второго двухзазорного резонатора 10, второй держатель 22 и боковую стенку третьего двухзазорного резонатора 21.

На фиг.4 показан предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, в котором выходной резонатор 4 и один из промежуточных резонаторов 3 содержат по два двухзазорных резонатора.

В предлагаемом СВЧ-приборе клистронного типа, показанном на фиг.4, в отличие от конструкции, приведенной на фиг.1, один из промежуточных резонаторов 3 (в данном случае предвыходной промежуточный резонатор) содержит первый двухзазорный резонатор 28 и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор 29, прикрепленный к первому двухзазорному резонатору 28 с помощью третьего держателя 30. Пролетные трубы 12 двухзазорных резонаторов 28 и 29 расположены соосно друг другу и продольной оси промежуточного резонатора 3, совпадающей с продольной осью предлагаемого СВЧ-прибора, при этом первый 31 и второй 32 высокочастотные зазоры второго двухзазорного резонатора 29 расположены между первым 33 и вторым 34 высокочастотными зазорами окружающего его первого двухзазорного резонатора 28. Две полости первого двухзазорного резонатора 28 связаны между собой щелью связи 35, а две полости второго двухзазорного резонатора 29 связаны между собой щелью связи 36. При этом первый двухзазорный резонатор 28 настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор 29 настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

Возможен вариант выполнения предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа, в котором один из промежуточных резонаторов 3 (например, предвыходной промежуточный резонатор) содержит первый двухзазорный резонатор и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор (как показано на фиг.4), а также третий двухзазорный резонатор, размещенный внутри второго двухзазорного резонатора и прикрепленный к нему с помощью четвертого держателя (не показано). В этом случае конструктивное выполнение третьего двухзазорного резонатора и его размещение внутри второго двухзазорного резонатора аналогично конструкции, приведенной на фиг.3, но при этом первая, вторая и третья коаксиальные линии передачи отсутствуют.

Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, показанный на фиг.1 с выходным резонатором, показанным на фиг.2, работает следующим образом.

Электронный поток, сформированный электронной пушкой 1, проходя входной резонатор 2 СВЧ-прибора, модулируется по скорости с частотой входного СВЧ-сигнала ω, подаваемого на устройство для ввода СВЧ-энергии 6, в результате чего осуществляется группировка электронного потока по плотности. При прохождении электронного потока через промежуточные резонаторы 3 группирователя электронных сгустков происходит дальнейшая группировка электронов, в результате чего образуются более плотные электронные сгустки с частотой повторения ω. Далее электронные сгустки поступают в первый 9 и второй 10 двухзазорные резонаторы выходного резонатора 4. В первом ВЧ зазоре 15 первого двухзазорного резонатора 9 каждый электронный сгусток попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле, то есть в отрицательные фазы СВЧ-напряжения, противофазного и синфазного видов колебаний. Подбором параметров первого двухзазорного резонатора 9 обеспечивают настройку его противофазного вида колебаний на частоту ω₁=ω, а синфазного вида колебаний - на частоту ω₂=2ω. При этом расстояние между первым 15 и вторым 16 ВЧ зазорами первого двухзазорного резонатора 9 выбирают таким образом, чтобы каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре резонатора 9 попал в тормозящее электрическое СВЧ-поле противофазного вида колебаний. При указанной настройке первого двухзазорного резонатора 9 каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре 16 автоматически попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебаний. Таким образом, в первом 15 и втором 15 ВЧ зазорах первого двухзазорного резонатора 9 электронные сгустки всегда попадают в тормозящую фазу электрических СВЧ-полей противофазного и синфазного видов колебаний, что приводит к эффективному отбору энергии от электронного потока СВЧ-полями противофазного и синфазного видов колебаний одновременно на частотах ω и 2ω.

Эти результаты поясняются диаграммами, приведенными на фиг.5, на которых показано распределение в первом двухзазорном резонаторе 9 СВЧ-напряжений противофазного вида колебаний U_пр.ф.1 и U_пр.ф.2 с частотой ω и синфазного вида колебаний U_c.ф.1 и U_c.ф.2 с частотой 2ω соответственно в первом 15 и втором 16 ВЧ зазорах в зависимости от времени t, а также показано положение электронного сгустка 37. Из указанных временных диаграмм видно, что в обоих ВЧ зазорах 15, 16 электронные сгустки всегда попадают в тормозящую фазу электрического СВЧ-поля.

Если осуществить обратную настройку, когда противофазный вид колебаний первого двухзазорного резонатора 9 настроен на частоту 2ω, а синфазный вид колебаний - на частоту ω, каждый электронный сгусток 37 попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебаний в первом 15 и во втором 16 ВЧ зазорах двухзазорного резонатора 9, то есть электронный сгусток отдает энергию СВЧ-полю в этих ВЧ зазорах. Для противофазного вида колебаний первого двухзазорного резонатора 9 электронный сгусток в первом ВЧ зазоре 15 резонатора попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле, то есть также отдает энергию СВЧ-полю этого ВЧ зазора. При этом во втором ВЧ зазоре 16 электронный сгусток попадает в ускоряющее электрическое СВЧ-поле, то есть отбирает энергию от СВЧ-поля резонатора, что снижает эффективность работы СВЧ-прибора.

Таким образом (как видно из фиг.5), эффективный отбор энергии от электронного сгустка происходит только тогда, когда противофазный вид колебаний первого двухзазорного резонатора 9 настроен на частоту ω (соответствующую частоте повторения электронных сгустков), а синфазный вид колебаний настроен на частоту 2ω.

Аналогичные процессы происходят при прохождении электронных сгустков через первый 13 и второй 14 ВЧ зазоры второго двухзазорного резонатора 10 выходного резонатора 4. В первом ВЧ зазоре 13 второго двухзазорного резонатора 10 каждый электронный сгусток попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле, то есть в отрицательные фазы СВЧ-напряжения, противофазного и синфазного видов колебаний. Подбором параметров второго двухзазорного резонатора 10 обеспечивают настройку его противофазного вида колебаний на частоту ω₃, кратную ω (где ω₃>2ω), а синфазного вида колебаний - на частоту ω₄=2ω₃. При этом расстояние между первым 13 и вторым 14 ВЧ зазорами второго двухзазорного резонатора 10 выбирают таким образом, чтобы каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре 14 резонатора 10 попал в тормозящее электрическое СВЧ-поле противофазного вида колебаний. При указанной настройке второго двухзазорного резонатора 10 каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре 14 автоматически попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебаний. Таким образом, в первом 13 и втором 14 ВЧ зазорах второго двухзазорного резонатора 10 электронные сгустки всегда попадают в тормозящую фазу электрических СВЧ-полей противофазного и синфазного видов колебаний, что приводит к эффективному отбору энергии от электронного потока СВЧ-полями противофазного и синфазного видов колебаний одновременно на частотах ω₃ и ω₄.

Из первого двухзазорного резонатора 9 СВЧ-энергия поступает в первую коаксиальную линию передачи 7 на частотах ω₁ и ω₂. Из второго двухзазорного резонатора 10 СВЧ-энергия поступает во вторую коаксиальную линию передачи 8 на частотах ω₃ и ω₄. Отработанный электронный поток поступает в коллектор 5. Таким образом, на выходе предлагаемого СВЧ-прибора получаем мощности на четырех частотах, кратных ω, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

При наличии в выходном резонаторе 4 трех двухзазорных резонаторов 9, 10, 21 (фиг.3) в третьем двухзазорном резонаторе 21, настроенном одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω (где ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄), и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅, при взаимодействии с электронными сгустками происходят процессы, аналогичные процессам в первом 9 и втором 10 двухзазорных резонаторах. Из третьего двухзазорного резонатора 21 СВЧ-энергия поступает в третью коаксиальную линию передачи 26 на частотах ω₅ и ω₆. В таком варианте конструктивного выполнения на выходе предлагаемого СВЧ-прибора получаем мощности на шести частотах, кратных ω, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, конструкция которого показана на фиг.4, работает аналогичным образом. При этом для получения более плотных электронных сгустков один из промежуточных резонаторов 3 (предвыходной резонатор СВЧ-прибора) содержит два двухзазорных резонатора 28, 29. Первый двухзазорный резонатор 28 настроен на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, а второй двухзазорный резонатор 29 настроен на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω (где ω₃>2ω), и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃. При прохождении электронных сгустков через ВЧ зазоры 33, 31, 32, 34 этих двухзазорных резонаторов 28, 29 на них воздействует СВЧ-напряжение, близкое к пилообразному, что приводит к более эффективной группировке электронного потока и повышению КПД. Сильно сгруппированные сгустки далее поступают в выходной резонатор 4 СВЧ-прибора и отдают энергию СВЧ-полю этого резонатора. Для получения еще более эффективной группировки электронного потока во второй двухзазорный резонатор 29 промежуточного резонатора 3 может быть введен третий двухзазорный резонатор, настроенный на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω (где ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄), и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅.

Таким образом, предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа позволяет при подаче на его вход СВЧ-сигнала с частотой ω получать на выходе СВЧ-колебания на четырех или на шести частотах, кратных ω одновременно, что расширяет функциональные возможности СВЧ-прибора.

Выполнение промежуточных резонаторов СВЧ-прибора согласно изобретению обеспечивает более эффективную группировку электронного потока, что позволяет повысить КПД СВЧ-прибора.

При этом величина СВЧ-мощности, полученной на выходе СВЧ-прибора, существенно превышает величину СВЧ-мощности, поданной на вход СВЧ-прибора.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №320855, H01J 23/22, публ. 04.11.1971 г.

2. Патент США №4284922, МПК H01J 25/10, публ. 18.08.1981 г.

3. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 2. М.: Высшая школа, 1972, с.152-152.

4. Авторское свидетельство СССР №454620, H01J 23/22, Н01P 1/20, публ. 25.12.1974 г.

5. Авторское свидетельство СССР №1658771, МПК H01J 25/10, публ. 15.06.1992 г.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к СВЧ-приборам клистронного типа, предназначенным для получения СВЧ-мощности на нескольких кратных частотах. Техническим результатом является получение на выходе СВЧ-прибора СВЧ-колебаний одновременно на четырех и более частотах, кратных частоте входного сигнала со. В СВЧ-приборе выходной резонатор содержит первый и размещенный внутри него второй двухзазорные резонаторы (ДЗР), причем высокочастотные (ВЧ) зазоры второго ДЗР расположены между ВЧ зазорами первого ДЗР. Первый ДЗР настроен на противофазный (ПФ) вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный (СФ) вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй ДЗР настроен на ПФ колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω и на СФ вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃. Вывод СВЧ-энергии из первого ДЗР осуществляется на частотах ω₁ и ω₂ с помощью первой коаксиальной линии передачи (КЛП), а вывод СВЧ-энергии из второго ДЗР осуществляется на частотах ω₃ и ω₄ - с помощью второй КЛП. Во второй ДЗР может быть введен третий ДЗР, настроенный на ПФ вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄, и на СФ вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅, при этом вывод СВЧ-энергии из третьего ДЗР осуществляется на частотах ω₅ и ω₆ с помощью третьей КЛП. Для повышения эффективности группировки электронного потока и повышения КПД, по крайней мере, один из промежуточных резонаторов СВЧ-прибора может содержать два или три ДЗР, при этом первый ДЗР настроен на ПФ вид колебаний с частотой ω₁ и на СФ вид колебаний с частотой ω₂, второй ДЗР настроен на ПФ колебаний с частотой ω₃ и на СФ вид колебаний с частотой ω₄, а третий ДЗР настроен на ПФ вид колебаний с частотой ω₅ и на СФ вид колебаний с частотой ω₆. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, входной, промежуточные и выходной резонаторы с пролетными трубами, коллектор, устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии, отличающийся тем, что выходной резонатор содержит первый двухзазорный резонатор и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор, прикрепленный к первому двухзазорному резонатору с помощью первого держателя, при этом высокочастотные зазоры второго двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его первого двухзазорного резонатора, и пролетные трубы обоих резонаторов расположены соосно друг другу и продольной оси СВЧ-прибора, причем первый двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора, устройство для вывода СВЧ-энергии из выходного резонатора содержит расположенную перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора первую коаксиальную линию передачи, связанную с одной из полостей первого двухзазорного резонатора с помощью первой петли связи, и расположенную перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора вторую коаксиальную линию передачи, связанную с одной из полостей второго двухзазорного резонатора с помощью второй петли связи.

2. СВЧ-прибор клистронного типа по п.1, отличающийся тем, что второй двухзазорный резонатор выходного резонатора настроен на частоты
ω₃=3ω, ω₄=6ω или ω₃=4ω, ω₄=8ω или ω₃=5ω, ω₄=10ω,
где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

3. СВЧ-прибор клистронного типа по п.1, отличающийся тем, что второй двухзазорный резонатор выходного резонатора, настроенный на частоты ω₃ и ω₄, содержит размещенный внутри него третий двухзазорный резонатор, прикрепленный ко второму двухзазорному резонатору с помощью второго держателя, при этом высокочастотные зазоры третьего двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его второго двухзазорного резонатора и пролетные трубы третьего резонаторов расположены соосно пролетным трубам первого и второго двухзазорных резонаторов, третий двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅, устройство для вывода СВЧ-энергии из выходного резонатора содержит расположенную перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора третью коаксиальную линию передачи, связанную с одной из полостей третьего двухзазорного резонатора с помощью третьей петли связи.

4. СВЧ-прибор клистронного типа по п.3, отличающийся тем, что частоты выбраны из условий
ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=4ω, ω₆=8ω или
ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=5ω, ω₆=10ω или
ω₃=4ω, ω₄=8ω, ω₅=5ω, ω₆=10ω,
где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

5. СВЧ-прибор клистронного типа по п.1 или 3, отличающийся тем, что, по крайней мере, один из промежуточных резонаторов содержит первый двухзазорный резонатор и размещенный внутри него второй двухзазорный резонатор, прикрепленный к первому двухзазорному резонатору с помощью третьего держателя, при этом высокочастотные зазоры второго двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его первого двухзазорного резонатора, и пролетные трубы обоих резонаторов расположены соосно друг другу и продольной оси СВЧ-прибора, причем первый двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₁=ω и на синфазный вид колебаний с частотой ω₂=2ω, второй двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₃, кратной ω, причем ω₃>2ω, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₄=2ω₃, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

6. СВЧ-прибор клистронного типа по п.5, отличающийся тем, что второй двухзазорный резонатор промежуточного резонатора, содержащего два двухзазорных резонатора, настроен на частоты ω₃=3ω, ω₄=6ω, где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.

7. СВЧ-прибор клистронного типа по п.5, отличающийся тем, что второй двухзазорный резонатор одного из промежуточных резонаторов, содержащих два двухзазорных резонатора, настроенный на частоты ω₃ и ω₄, содержит размещенный внутри него третий двухзазорный резонатор, прикрепленный ко второму двухзазорному резонатору промежуточного резонатора с помощью четвертого держателя, при этом высокочастотные зазоры третьего двухзазорного резонатора расположены между высокочастотными зазорами окружающего его второго двухзазорного резонатора, и пролетные трубы третьего резонатора расположены соосно пролетным трубам первого и второго двухзазорных резонаторов, третий двухзазорный резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с частотой ω₅, кратной ω, причем ω₅>ω₃, ω₅≠ω₄, и на синфазный вид колебаний с частотой ω₆=2ω₅.

8. СВЧ-прибор клистронного типа по п.7, отличающийся тем, что для промежуточного резонатора, содержащего три двухзазорных резонатора, частоты выбраны из условий
ω₃=3ω, ω₄=6ω, ω₅=4ω, ω₆=8ω,
где ω - частота входного сигнала СВЧ-прибора.