Устройство настройки собственной добротности объемных резонаторов ЭВП Российский патент 2020 года по МПК H01J23/20 

Настоящее изобретение относится к области электронной техники, в частности, области электронно-вакуумных приборов (ЭВП) СВЧ диапазона, использующих объемные резонаторы. Авторами изобретения, предлагаемое техническое решение внедрено при разработке малогабаритного многолучевого широкополосного усилительного клистрона.

Необходимость обеспечения заданного уровня собственных потерь объемных резонаторов возникает в различных электровакуумных приборах (ЭВП), но особенно часто, эта задача актуальна в клистронах. Это связано с тем, что, помимо входного и выходного резонаторов, связанных со входным и выходным трактами, в усилительных клистронах используются, как дополнительные каскады усиления, промежуточные резонаторы, не связанные с внешней нагрузкой [1]. Эти резонаторы выполнены из металла с высокой проводимостью, обычно меди, и имеют высокую собственную добротность, составляющую, в зависимости от рабочего диапазона и конструкции резонаторов, от 700 до 10000. В широкополосных усилительных клистронах высокая добротность промежуточных резонаторов приводит к большой неравномерности коэффициента усиления прибора в зависимости от рабочей частоты, что недопустимо для целого ряда применений клистронов, в частности использования в радиолокаторах, особенно в радиолокаторах с внутриимпульсной модуляцией частоты зондирующего сигнала.

Необходимость введения устройств, увеличивающих потери СВЧ полей в объемных резонаторах связана и с целым рядом других задач, в частности подавления самовозбуждения клистронов на паразитных видах колебаний резонаторов, снижения уровня гармоник и внеполосных излучений в спектре выходного сигнала и т.д. Для таких целей разработаны поглотительные устройства, работающие в определенной полосе частот, так называемые частотно селективные нагрузки [2], или устройства, воздействующие только на определенные виды колебаний резонатора, называемые пространственно -селективными нагрузками, например [3].

Таким образом, в настоящее время, разработано множество устройств, обеспечивающих снижение собственной добротности резонаторов. По принципу действия их можно разделить на три разновидности: поверхностные поглотители, устройства с подключением к резонатору внешней нагрузки, - объемные поглотители.

Поверхностные поглотители увеличивают потери СВЧ поля в резонаторах за счет снижения проводимости стенок резонаторов. Для этого используются специальные составы, наносимые на определенные части поверхности стенок, например, широко используемое покрытие «альсифер» [4]. В высокочастотных диапазонах, например, миллиметровом, где толщина проводящего «скин» слоя мала; применяются покрытия стенок резонаторов металлом, имеющим низкую, по сравнению с медью, проводимость, например, никелем, который наносится гальваническим методом. Известны конструкции, в которых часть стенок резонаторов выполнена из материала с низкой проводимостью, спаянного с медным корпусом [5].

Поверхностные поглотители широко применяются в вакуумной технике, поскольку имеют серьезные преимущества, а именно: легко охлаждаются и не ухудшают массо-габаритные характеристики приборов. Однако они имеют и серьезные недостатки. При использовании таких поглотителей трудно регулировать и изменять величину нагруженной добротности резонаторов. Между тем, в процессе пайки резонаторов, припои зачастую растекаются по поверхности и резко изменяют поверхностную проводимость стенок, а, следовательно, и собственную добротность резонаторов.

Достаточно широко распространены и методы подключения внешних нагрузок, в частности, [6], где резонаторы, через вакуумно-плотные окна связи соединены с внешними аттенюаторами. Известны также и конструкции клистронов с резонаторами, соединенными вакуумно-плотными щелями связи с водяными каналами охлаждения [7]. В этом случае, поглотителем СВЧ поля является вода. Подобные методы допускают возможность изменения и подстройки величины добротности резонатора. Однако они имеют и очевидные недостатки, связанные с усложнением конструкции прибора и ухудшением массо-габаритных характеристик.

Третья разновидность поглотительных устройств связана с применением объемных поглотителей СВЧ поля. Это материалы с высоким уровнем диэлектрических потерь, например, карбидо-кремниевая керамика SIC, [8], графит [9], или поглотительная керамика КТ-30 [10]. Подобные материалы широко используются во многих СВЧ приборах, в частности ЛБВ, магнетронах, клистронах и т.д.

Основным достоинством таких поглотителей является высокая эффективность поглощения СВЧ поля и, главное, возможность изменения и установки необходимой величины собственной добротности резонатора. В частности, в патенте [11], прототип, рассмотрена конструкция резонатора клистрона, в который через отверстие в боковой стенке вставлен диэлектрический стержень из материала, поглощающего СВЧ поле. Ось стержня перпендикулярна оси пролетного канала. При этом изменение величины собственной добротности резонатора производится путем изменения глубины погружения стержня в резонатор.

Такая конструкция достаточно проста, практически не ухудшает габариты клистрона и обеспечивает эффективную настройку клистрона, поскольку установка стержня производится после пайки корпуса клистрона. Недостатком этой конструкции является необходимость подстройки частоты резонатора после настройки добротности, поскольку при изменении заглубления стержня изменяется и частота резонатора. Это усложняет процесс сборки и настройки клистрона, особенно если его конструкция не предполагает специальных устройств подстройки частоты резонаторов. Задачей, на решение которой направлено наше изобретение, является обеспечение возможности изменения и регулировки величины собственной добротности объемного резонатора без изменения его резонансной частоты.

Эта задача решается следующим способом:

В устройстве настройки собственной добротности объемного резонатора ЭВП, состоящем из стержня, выполненного из поглощающей СВЧ поле керамики, установленного в объемный резонатор через отверстие в его боковой стенке так, что ось стержня перпендикулярна оси пролетного канала, этот стержень установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, а цилиндрическая поверхность стержня частично покрыта слоем металла толщиной 3-9 микрон.

Часть цилиндрической поверхности стержня, не покрытая слоем металла, может состоять из двух участков, расположенных на противоположных сторонах этой поверхности и вытянутых вдоль всей длины стержня, с шириной каждого из непокрытых участков Δ, выбираемой из условия

Δ=(0.1-0.3)D, где D - диаметр стержня.

В объемном резонаторе могут быть установлены с возможностью поворота вокруг своих осей несколько стержней, оси которых перпендикулярны оси пролетного канала и цилиндрические поверхности которых частично покрыты слоем металла толщиной 3-9 микрон.

Форма участков цилиндрической и торцевой поверхности керамических стержней, не покрытых металлом, может отличаться от описанной в предыдущем абзаце для корректировки пределов изменения собственной добротности резонатора или, например, для придания устройству настройки частотно - селективных свойств.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является возможность настройки величины собственной добротности объемного резонатора без изменения его резонансной частоты. Металлизированные поглотительные стержни могут быть запаяны в переходные втулки и приварены вакуумно-плотным швом к корпусу прибора в установленном, в процессе настройки, положении. При этом заварка стержней производится после пайки резонаторного блока, то есть когда добротность резонатора уже не может измениться в процессе пайки. Следует отметить также, что предложенное устройство не увеличивает габаритов прибора, поскольку целиком находится внутри резонатора.

Изобретение поясняется эскизами. На фиг. 1 и фиг. 2 изображен объемный резонатор 1 клистрона. Через емкостные выступы объемного резонатора 1 проходят пролетные каналы 2. В индуктивной части резонатора 1, где сосредоточена магнитная составляющая СВЧ поля, установлен стержень 3 из поглотительной керамики, в частности из КТ-30, цилиндрическая поверхность которого частично металлизирована и покрыта слоем металла 4 толщиной 3-9 микрон. Эта толщина обусловлена стандартным гальваническим методом покрытия, нанесенного химическим или электрохимическим способом. Не покрыты металлом два узких участка 5 цилиндрической поверхности стержня 3. На фиг. 1 участки 5 расположены перпендикулярно направлению магнитных силовых линий, на фиг. 2 - параллельно направлению магнитных силовых линий. Стержень 3 на фиг. 1 представляет собой разомкнутую петлю, плоскость которой перпендикулярна направлению магнитных силовых линий СВЧ поля. Поэтому между верхним и нижним участками 4, покрытыми слоем металла возникает электрическое СВЧ поле, эффективно поглощаемое материалом керамики, из которой сделан стержень 3. При таком положении стержня 3 подавление СВЧ поля максимально, а величина собственной добротности минимальна.

Стержень 3 на фиг. 2 повернут вокруг оси на 90° по сравнению с фиг. 1. В этом случае, плоскость разомкнутой петли параллельна направлению силовых линий магнитного СВЧ поля, и электрическое СВЧ поле между областями металлизированной цилиндрической поверхности мало. В таком положении, подавление СВЧ поля минимально, а собственная добротность резонатора максимальна.

Таким образом, изменение собственной добротности резонатора, от максимальной до минимальной величины, производится за четверть оборота стержня 3, фиг. 1 и фиг. 2.

Выбор ширины Δ непокрытых металлом участков 5 цилиндрической поверхности стержня 3 (Δ=(0.1-0.3)D, где D - диаметр стержня), определяет диапазон изменения значений собственной добротности резонатора примерно от 600 (положение стержня 3 на фиг. 2) до 25 (положение стержня 3 на фиг. 1). Предлагаемое устройство внедрено в конструкцию промежуточных резонаторов малогабаритного многолучевого широкополосного клистрона, трехсантиметрового диапазона длин волн. Однако, предлагаемое устройство настройки собственной добротности объемных резонаторов может быть применено в любых ЭВП, использующих объемные резонаторы, в том числе отражательных клистронах, клистродах, вакуумных триодах, СВЧ компрессорах и так далее.

Литература.

1. Хайков А.З. Клистронные усилители - М.: Сов. радио, 1972.

2. GB 1358489

3. RU 2075131 С1

4. RU 2024100

5. JPS 55137702

6. JPS 51150263

7. JPS 5925148 (А)

8. JPH 0473841(A)

9. GB 606803

10. УДК666.65:669(0433), Объемные поглотители СВЧ энергии в конструкциях современных электровакуумных СВЧ приборов и измерительных устройств, Бухарин Е.Н., Ильина Е.Н.

11. JP 2871272 (В2) (прототип)

Изобретение относится к области электровакуумных приборов (ЭВП), в частности клистронов. В объемный резонатор вводятся через отверстие в боковой стенке один или несколько стержней из керамики, поглощающей СВЧ-поле, в частности КТ-30. Оси стержней перпендикулярны осям пролетных каналов. Цилиндрическая поверхность стержней частично покрыта слоем металла, толщиной 3-9 микрон, нанесенного химическим или электрохимическим способом. Регулировка уровня потерь или величины собственной добротности резонатора достигается путем поворота стержней вокруг собственной оси. В одном из вариантов устройства не покрытыми металлом остаются два участка цилиндрической поверхности, расположенных напротив друг друга. Ширина их Δ составляет примерно: Δ=(0.1-0.3)D, где D - диаметр стержня, длина равна всей длине стержня внутри резонатора. Технический результат - обеспечение возможности регулировки нагруженной добротности резонатора без изменения резонансной частоты. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство настройки собственной добротности объемного резонатора ЭВП, состоящее из стержня, выполненного из поглощающей СВЧ-поле керамики, установленного в объемный резонатор через отверстие в его боковой стенке так, что ось стержня перпендикулярна оси пролетного канала, отличающееся тем, что стержень установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, а цилиндрическая поверхность стержня частично покрыта слоем металла толщиной 3-9 микрон.

2. Устройство настройки собственной добротности объемного резонатора ЭВП по п. 1, отличающееся тем, что часть цилиндрической поверхности стержня, не покрытая слоем металла, представляет собой два участка, расположенных на противоположных сторонах этой поверхности и вытянутых вдоль всей длины стержня, с шириной каждого из непокрытых участков Δ, выбираемой из условия Δ=(0.1-0.3)D, где D - диаметр стержня.

3. Устройство настройки собственной добротности объемного резонатора ЭВП по п. 1, отличающееся тем, что в резонаторе установлены несколько стержней, оси которых перпендикулярны оси пролетного канала и цилиндрические поверхности которых частично покрыты слоем металла толщиной 3-9 микрон.