МНОГОЛУЧЕВОЙ СВЧ-ПРИБОР О-ТИПА Российский патент 2023 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к электронной СВЧ-технике, а именно к мощным многолучевым СВЧ-приборам О-типа, например, к многолучевым клистронам (МЛК), предназначенным для работы преимущественно в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн.

При разработке современных конструкций усилительных клистронов ставятся задачи увеличения средней и импульсной выходной мощности, расширения полосы рабочих частот, увеличения КПД при сохранении высоких эксплуатационных характеристик.

Известна конструкция клистрона большой импульсной и средней мощности, содержащего электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую входной, выходной и промежуточные активные резонаторы, первый выходной пассивный резонатор, электромагнитно связанный с выходным активным резонатором, при этом входной, выходной и промежуточные активные резонаторы выполнены в виде отрезков волноводов с рабочим видом колебаний H₃₀₁, в каждом входном, выходном и промежуточном активном резонаторе для пропускания электронных лучей размещены по три группы индивидуальных пролетных трубок, при этом пролетные трубки каждой из групп имеют аксиально-симметричное размещение в виде, по крайней мере, одного кольцевого ряда, а диаметр окружности D, ограничивающей внешний кольцевой ряд пролетных трубок каждой из групп выбран из условия D=(0.32÷0.42)λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора (см. патент РФ № 2507626, приоритет 18.07.2012 г, принятый за прототип).

Данная конструкция позволяет обеспечить высокий уровень выходной мощности (импульсной и средней) в достаточно широкой полосе частот в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

Однако, в приведенной выше конструкции входного и выходного резонаторов существует недостаток. При их нагрузке через окна связи в зазоре многолучевой трубы увеличивается неравномерность электрического поля и снижается характеристическое сопротивление, что снижает КПД клистрона.

Задачей изобретения является создание многолучевого импульсного многорезонаторного СВЧ-прибора О-типа, работающего в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн с высокими уровнями импульсной и средней выходной мощности.

Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот, увеличение выходной мощности, снижение плотности тока, отбираемого с катода, повышенная долговечность изделия, обеспечение высокого КПД.

Технический результат достигается тем, что многолучевой СВЧ-прибор О-типа содержит электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую входной, выходной и промежуточные активные резонаторы, первый выходной пассивный резонатор, электромагнитно связанный с выходным активным резонатором, входной, выходной и промежуточные активные резонаторы выполнены в виде отрезков волноводов с рабочим видом колебаний H₄₀₁, в каждом входном, выходном и промежуточных активных резонаторах для пропускания электронных лучей размещены группы индивидуальных пролетных трубок; пролетные трубки объединены в 4 группы, пролетные трубки каждого парциального резонатора расположены симметрично относительно друг друга, при этом центр их симметрии находится в центре парциального резонатора, а их края располагаются на расстоянии l=(0.28÷0.3)λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора, а расстояние между центрами парциальных резонаторов равно ширине парциального резонатора L, во входном и в выходном резонаторах напротив окон связи установлены Т-образные вставки, причем поперечная часть Т-образной вставки охватывает пролетные трубки у окна связи, а продольная часть вставки располагается по линии симметрии парциального резонатора.

При этом, входной активный резонатор может быть электромагнитно связан с входным волноводом в виде усечённой косоугольной пирамиды или отрезка прямоугольного волновода через окно связи, выполненное напротив центра группы пролётных трубок входного активного резонатора, в их общей стенке, размещённой параллельно плоскости, проходящей через оси четырёх групп пролётных трубок входного активного резонатора, при этом напротив окна связи во входном резонаторе установлены Т-образные вставки.

Кроме того, первый выходной пассивный резонатор может быть выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н₁₀₁ или с рабочим видом колебаний Н₂₀₁, при этом первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходной активным резонатором через окно связи, выполненное напротив центра группы пролётных трубок входного активного резонатора, в их общей стенке, размещённой параллельно плоскости, проходящей через оси четырёх групп пролётных трубок входного активного резонатора, а первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан со вторым выходным пассивным резонатором через, по крайней мере, одно окно связи, выполненное в общей стенке этих резонаторов, при этом второй выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходным волноводом через окно связи в их общей стенке, при этом напротив окна связи в выходном резонаторе установлены Т-образные вставки.

Использование в предлагаемом изобретении резонаторов с рабочим видом колебаний H₄₀₁ позволяет использовать четыре многолучевых электронных пучка, которые проходят через четыре группы индивидуальных пролетных трубок в каждом резонаторе, что даёт возможность увеличить общее количество лучей, и соответственно, выходную мощность прибора при сохранении требуемой электропрочности.

Пролетные трубки каждого парциального резонатора в активных, входном и выходном резонаторах должны быть расположены симметрично относительно друг друга, при этом центр их симметрии находится в центре парциального резонатора, а их края располагаются на расстоянии l, выбранного из условия l=(0.28÷0.3) λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора, позволяет выровнять электрическое поле активных резонаторов. Увеличение расстояния между внешними краями пролетных трубок более 0.3 λ приводит к увеличению неравномерности электрического поля, а уменьшение этого расстояния менее 0.28 λ приводит к невозможности изготовления катода с низкой плотностью тока, отбираемого с катода.

Расстояние между центрами четырех парциальных резонаторов должно быть равно ширине парциального резонатора L для уменьшения неравномерности распределения электрического поля в каждой группе пролетных трубок, что в свою очередь позволяет увеличить КПД и коэффициент усиления клистрона.

Использование специальных Т-образных вставок напротив окна связи по обе стороны в выходном и входном резонаторах позволяет выравнивать электрическое поле в зазоре многолучевой трубы. Поперечная часть Т-образной вставки охватывает половину пролетных трубок у окна связи, а продольная часть вставки располагается между пролетными трубками.

Для обеспечения широкополосности прибора выходной активный резонатор электромагнитно связан с выходным волноводом через один или два (для обеспечения большей рабочей полосы прибора) последовательно соединённых пассивных резонатора. Выходной волновод соединён с выводом энергии.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематично изображён многолучевой СВЧ-прибор О–типа; на фиг.2 представлено конструктивное выполнение активного резонатора (а - единичный парциальный резонатор, б - резонатор в целом); на фиг. 3 представлено расположение Т-образных вставок во входном активном резонаторе (а - при входном волноводе в виде усеченной косоугольной пирамиды, б - при входном волноводе в виде прямоугольного отрезка, в – относительно пролетных трубок); на фиг. 4 представлено расположение Т-образных вставок в выходном активном резонаторе, где:

1- электронная пушка;

2- коллектор;

3- ввод энергии;

4- вывод энергии;

5- электродинамическая система;

6- входной активный резонатор;

7- промежуточные активные резонаторы;

8- выходные активные резонаторы;

9- пролетные трубки;

10 – специальная Т-образная вставка;

11 – входной волновод;

12 – окно связи резонатора и волновода;

13 – общая стенка волновода и резонатора;

14 – первый выходной пассивный резонатор;

15 – второй выходной пассивный резонатор

16 – выходной волновод.

Многолучевой СВЧ-прибор О-типа, схематично изображённый на фиг.1, работает следующим образом. Входная СВЧ-мощность поступает на ввод энергии (3) и возбуждает во входном активном резонаторе (6) СВЧ-колебания на виде Н₄₀₁, при этом СВЧ-энергия подводится от ввода энергии (3) к входному активному резонатору (6) непосредственно через входной волновод (11). Напротив окна связи (12), находящегося в общей стенке (13) и связывающего входной резонатор (6) и волновод (11), установлены специальные Т-образные вставки (10), позволяющие выравнивать электрическое поле в зазоре многолучевой трубы (см. фиг. 3). Электронные лучи, проходя через входной активный резонатор (6), модулируются по скорости СВЧ-энергией. В пролётных трубках (9) ускоренные электроны догоняют более медленные. В промежуточных активных резонаторах (7), работающих на виде колебания Н₄₀₁, электронные лучи наводят СВЧ-поле, которое, в свою очередь, дополнительно модулирует электронные лучи. В результате этого происходит группировка электронных лучей в сгустки. Отбор энергии от электронных лучей происходит в выходном активном резонаторе (8), работающем на виде колебания Н₄₀₁, путём торможения сгустков электронов в высокочастотном поле этого резонатора. Усиленная СВЧ-мощность из выходного активного резонатора (8) выводится из клистрона через вывод энергии (4).

При этом СВЧ-энергия поступает от резонатора (8) к выводу энергии (4) через последовательно соединённые первый выходной пассивный резонатор (14) с рабочим видом колебаний Н₂₀₁ (или H₁₀₁), второй выходной пассивный резонатор (15) и выходной волновод (16). Напротив окна связи (12), связывающего выходной резонатор (8) и первый пассивный резонатор (14), установлены Т-образные вставки (10), позволяющие выравнивать электрическое поле в зазоре многолучевой трубы.

Предлагаемая конструкция опробована в мощных широкополосных клистронах, содержащих восемь активных резонаторов, с рабочим видом колебаний H₄₀₁. Были использованы Т-образные вставки, установленные по обе стороны входного и выходного резонаторов напротив окон связи с размерами 10х10х2 мм для снижения неравномерности электрического поля в зазоре многолучевой трубы.

Полученные результаты представлены в таблице 1:

Таблица 1

Критерии сравнения СВЧ-прибора
О-тип (прототип) Опытный образец предложенной конструкции Рабочая полоса частот, МГц Не более 200 Не более 250 Выходная импульсная мощность, кВт Не менее 120 Не менее 150 Плотность тока, отбираемого с катода, А/см² Не менее 20 Не менее 15 Долговечность изделия, часы Не менее 1000 Не менее 1500 КПД, % Не менее 35 Не менее 40 Неравномерность электрического поля в зазоре трубы входного и выходного резонаторов, отн.ед. Не более 1,6 Не более 1,2

Испытания проводились при подаче одинаковых величин входной мощности и питающих напряжений. Данные, полученные в ходе эксперимента, доказывают достижение заявленного технического результата.

Предлагаемая конструкция может быть широко использована при создании мощных широкополосных приборов О-типа в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн (например, клистронов) для применения в радиоэлектронной аппаратуре.

Изобретение относится к электронной СВЧ-технике, а именно к мощным многолучевым СВЧ-приборам О-типа, например, к многолучевым клистронам (МЛК), предназначенным для работы преимущественно в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн. Технический результат - расширение рабочей полосы частот, увеличение выходной мощности, снижение плотности тока, отбираемого с катода, повышенная долговечность изделия, обеспечение высокого КПД. Многолучевой СВЧ-прибор О-типа содержит электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую входной, выходной и промежуточные активные резонаторы, первый выходной пассивный резонатор, электромагнитно связанный с выходным активным резонатором. Входной, выходной и промежуточные активные резонаторы выполнены в виде отрезков волноводов с рабочим видом колебаний H401, в каждом из активных резонаторах для пропускания электронных лучей размещены группы индивидуальных пролетных трубок; пролетные трубки объединены в 4 группы. Пролетные трубки каждого парциального резонатора расположены симметрично относительно друг друга, при этом центр их симметрии находится в центре парциального резонатора, а их края располагаются на расстоянии l=(0.28÷0.3)λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора, а расстояние между центрами парциальных резонаторов равно ширине парциального резонатора L. Во входном и в выходном резонаторах напротив окон связи установлены Т-образные вставки, причем поперечная часть Т-образной вставки охватывает пролетные трубки у окна связи, а продольная часть вставки располагается по линии симметрии парциального резонатора. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Многолучевой СВЧ-прибор О-типа, содержащий электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую входной, выходной и промежуточные активные резонаторы, первый выходной пассивный резонатор, электромагнитно связанный с выходным активным резонатором, входной, выходной и промежуточные активные резонаторы выполнены в виде отрезков волноводов с рабочим видом колебаний H₄₀₁, в каждом входном, выходном и промежуточных активных резонаторах для пропускания электронных лучей размещены группы индивидуальных пролетных трубок, отличающийся тем, что пролетные трубки объединены в 4 группы, пролетные трубки каждого парциального резонатора расположены симметрично относительно друг друга, при этом центр их симметрии находится в центре парциального резонатора, а их края располагаются на расстоянии l=(0.28÷0.3)λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора, а расстояние между центрами парциальных резонаторов равно ширине парциального резонатора L, во входном и в выходном резонаторах напротив окон связи установлены Т-образные вставки, причем поперечная часть Т-образной вставки охватывает пролетные трубки у окна связи, а продольная часть вставки располагается по линии симметрии парциального резонатора.

2. Многолучевой СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что входной активный резонатор электромагнитно связан с входным волноводом в виде усечённой косоугольной пирамиды через окно связи, выполненное напротив центра группы пролётных трубок входного активного резонатора, в их общей стенке, размещённой параллельно плоскости, проходящей через оси четырёх групп пролётных трубок входного активного резонатора, при этом напротив окна связи во входном резонаторе установлены Т-образные вставки.

3. Многолучевой СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что входной активный резонатор электромагнитно связан с входным волноводом в виде отрезка прямоугольного волновода через окно связи, выполненное напротив центра группы пролётных трубок входного активного резонатора, в их общей стенке, размещённой параллельно плоскости, проходящей через оси четырёх групп пролётных трубок входного активного резонатора, при этом напротив окна связи во входном резонаторе установлены Т-образные вставки.

4. Многолучевой СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что первый выходной пассивный резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н₂₀₁, при этом первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходной активным резонатором через окно связи, выполненное напротив центра группы пролётных трубок входного активного резонатора, в их общей стенке, размещённой параллельно плоскости, проходящей через оси четырёх групп пролётных трубок входного активного резонатора, а первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан со вторым выходным пассивным резонатором через, по крайней мере, одно окно связи, выполненное в общей стенке этих резонаторов, при этом второй выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходным волноводом через окно связи в их общей стенке, при этом напротив окна связи в выходном резонаторе установлены Т-образные вставки.

5. Многолучевой СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что первый выходной пассивный резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н₁₀₁, при этом первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходным активным резонатором через окно связи, в их общей стенке, выполненное напротив центра группы пролётных трубок входного активного резонатора, размещённой параллельно плоскости, проходящей через оси четырёх групп пролётных трубок входного активного резонатора, а первый выходной пассивный резонатор может быть электромагнитно связан со вторым выходным пассивным резонатором через, по крайней мере, одно окно связи, выполненное в общей стенке этих резонаторов, при этом второй выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходным волноводом через окно связи в их общей стенке, при этом напротив окна связи в выходном резонаторе установлены Т-образные вставки.