Миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке Российский патент 2024 года по МПК H01J25/10 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности, к микроволновым электровакуумным генераторам клистронного типа и их резонансным системам.

Уровень техники в данной области характеризуется публикациями в общедоступной литературе, в том числе и сведениями, приведенными ниже.

Известно, что пролетный клистрон является электровакуумным прибором СВЧ с большой мощностью и высоким КПД. Однако, с увеличением частоты, его геометрические размеры, в частности размеры резонансных систем уменьшаются. Это приводит к ограничению выходной мощности и снижению ускоряющего напряжения. Кроме того, для повышения КПД клистрона необходимо использовать резонаторы, настроенные на кратные частоты.

Известен мощный пролетный многорезонаторный клистрон с повышенным кпд [Ю.Л. Кацман, С.М. Мовнин, А.В. Иванов, С.В. Лебединский, О.И. Павлов «Мощный пролетный многорезонаторный клистрон с повышенным кпд»], В этом приборе с целью упрощения конструкции клистрона и эксплуатации установлен изолированный от внешних источников колебаний дополнительный промежуточный резонатор, настроенный на удвоенную частоту сигнала и снабженный одним или двумя зазорами взаимодействия. Однако, известно, что для получения высокого КПД выходной резонатор клистрона должен иметь высокое эквивалентное сопротивление Re=ρQн, где ρ - волновое сопротивление резонатора, Qн - его нагруженная добротность [Григорьев А.Д. Многозазорные резонаторы для мощных усилительных клистронов миллиметрового диапазона длин волн/ А.Д. Григорьев //Электроника и микроэлектроника СВЧ: материалы Всерос. науч.-техн. конф. - 2014. - С. 131-135.]. Это требование сложно выполнимо, например, для однозазорных резонаторов и даже для двухзазорных. Решение проблемы заключается в использовании резонаторов с повышенным волновым сопротивлением, в частности, многозазорных. Это позволит существенно улучшить амплитудно-частотные характеристики приборов и использовать меньшее количество резонаторов для получения одного и того же коэффициента усиления.

Известны пространственно-распределенные клистроны или клистроны с распределенным взаимодействием (КРВ), выходная мощность которых может достигать больших значений, они имеют более широкую полосу частот и высокий коэффициент усиления в сантиметровом и миллиметровом диапазоне частот. Например, известна, конструкция клистрона с резонаторами распределенного взаимодействия, например [Jian Cui, Ji Run Luo, Min Zhu, and Wei Guo Analysis for the Stability of Hughes-type Coupled Cavity in an Extended-interaction Klystron// PIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22-26, 2010.; Luo Ji-Run, Cui Jian, Zhu Min, and Guo Wei Mode stability analysis in the beam-wave interaction process for a three-gap Hughes-type coupled cavity chain // Chin. Phys. В Vol. 22, No. 6 (2013) 067803]. В таких клистронах резонансная система может быть настроена на различные моды, например π, π/2, 2 π. Однако подобные конструкции ввиду больших размеров резонансных систем применимы только в мощных и сверхмощных приборах клистронного типа.

Известен коаксиальный многозазорный резонатор пролетного клистрона [Л.Г. Некрасов, И.Б. Давыдова и Л.М. Борисов Коаксиальный многозазорный резонатор пролетного клистрона №307441]. В этой конструкции резонатора для увеличения рабочей полосы частот, уменьшения веса и габаритов пролетного клистрона конструкция резонатора выбрана четырехзазорной. Кроме расширения полосы частот, увеличение числа зазоров позволяет использовать меньшее число резонаторов для получения того же коэффициента усиления. Это существенно уменьшает габариты и вес самого клистроца, так и его магнитной системы. Описываемая конструкция резонатора применима не только в усилительном, но и в генераторном клистроне. Недостатками такого резонатора являются достаточно большие размеры при работе в верхней части сантиметрового и миллиметровом диапазоне.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является патент РФ №527769 «Объемный резонатор для несинусоидальной периодической формы сигнала». Устройство состоит из корпуса, пролетных труб, образующих модулирующие зазоры, для низшей частоты системы, колебательной системы на высшую частоту, в виде индуктивных петель и высокочастотных модулирующих зазоров. Расположенная внутри двухзазорного коаксиального резонатора дополнительная колебательная система выполнена в виде двух металлических полуцилиндров, присоединенных к оболочке резонатора и пролетной трубе, разделенной на две части дополнительным зазором.

Поток заряженных частиц, влетая по оси резонатора в зазоры, взаимодействует с СВЧ полем резонатора на низшей частоте, затем, влетая в центральный зазор, взаимодействует благодаря индуктивной петле с полем резонатора на высшей кратной частоте. В подобном резонаторе можно получить более высокое характеристическое сопротивление на высших гармониках. Применение подобного резонатора в клистронах и линейных ускорителях позволяет повысить их эффективность. Использование трехзазорного резонатора, взамен двухзазорного позволяет увеличить эффективное характеристическое сопротивление последнего, а, следовательно, обеспечивает получение более высокой эффективности взаимодействия электронного пучка с полем электромагнитной волны.

Однако, известное устройство, взятое за прототип, имеет недостатки.

Рассмотренная выше конструкция резонатора может быть реализована только в длинноволновой части СВЧ диапазона. Высшие типы π и 2π - моды колебаний в этой конструкции являются паразитными, и они могут нарушить работу клистрона, работающего в коротковолновой части СВЧ диапазона. Рассмотренный резонатор является однолучевым, что требует высокого ускоряющего напряжения и уменьшает рабочую полосу частот.

Задачей заявляемого технического решения является получение более высокого характеристического сопротивления и добротности резонатора, подавление высших типов колебаний, настройка резонатора на кратные резонансные частоты, увеличение кпд клистрона.

Решение поставленной задачи достигается тем, что миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке, состоящий из коаксиального двухзазорного резонатора, имеет цилиндрическую оболочку и пролетную трубу и дополнительную колебательную систему, расположенную внутри коаксиального резонатора, которая выполнена в виде двух металлических полуциллиндров, присоединенных к оболочке резонатора и пролетной трубе, разделенной на две части дополнительным зазором согласно предлагаемому техническому решению объемный резонатор может иметь как циллиндрическую, так и прямоугольную оболочку, пролетные трубы выполнены многоканальными и могут иметь форму отличную от цилиндрической, дополнительная колебательная система выполнена в виде полосковых линий и размещена на диэлектрической подложке, например из алмаза. Для увеличения характеристического сопротивления резонатора, может быть выполнено две или большее количество диэлектрических подложек с полосковыми линиями. Диэлектрическая подложка с полосковыми линиями располагается между корпусом резонатора и пролетными трубами. Для возможности подавления высших типов колебаний в резонаторе по периметру внутреннего объема установлены металлические стержни, соединяющие две боковые стенки резонатора. Для повышения добротности противофазного (π) типа колебаний, полосковые линии могут содержать больше двух проводников, и могут быть выполнены многослойными. Для осуществления независимой перестройки по частоте резонатора и настройки на кратные резонансные частоты, полосковый проводник может быть закорочен полосковой перемычкой.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен объемный резонатор, на фиг. 2 приведена конструкция резонатора с тремя диэлектрическими подложками и расположенными на них полосковыми линиями. На фиг. 3 приведена конструкция резонатора с металлическими стержнями для подавления высших типов колебаний, на фиг. 4 показана возможность подавления высших типов колебаний резонатора с помощью дополнительных стержней, на фиг. 5 показана возможность перестройки частот резонатора и настройки на кратные резонансные частоты, на фиг. 6 показано распределение высокочастотного электрического поля в зазорах резонатора, на фиг. 7 приведены электронные параметры миниатюрного прибора клистронного типа для π, 3π/2, 2π видов колебаний, на фиг. 8 представлены электронные параметры миниатюрного прибора клистронного типа для высших типов колебаний.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - объемный резонатор,

2 - диэлектрическая подложка,

3 - полосковые линии,

4 - центральные пролетные трубы,

5 - боковые пролетные трубы,

6 - каналы для пролета электронного потока,

7 - высокочастотные зазоры,

8 - короткозамыкающая пластина,

9 - металлические стержни.

Объемный резонатор 1, внутри которого расположена диэлектрическая подложка 2, или несколько диэлектрических подложек. На диэлектрической подложке 2 размещены полосковые линии 3, расположенные с обеих сторон диэлектрической подложки. Полосковые линии 3 электрически соединены с одной стороны с корпусом объемного резонатора 1, с другой стороны с центральными пролетными трубами 4. Центральные пролетные трубы могут иметь форму, отличную от цилиндрической. Две боковые пролетные трубы 5 расположены на боковой стенке объемного резонатора 1. Две центральные пролетные трубы 4 и две боковые пролетные трубы 5 образуют три высокочастотных зазора резонатора 7. Центральные и боковые пролетные трубы резонатора имеют по восемнадцать каналов 6 для пролета электронного потока.

Объемный резонатор может содержать короткозамыкающую пластину 8 для независимой перестройки частот и настройки резонатора на кратные резонансные частоты. Для возможности подавления высших типов колебаний в резонаторе по периметру внутреннего объема могут быть установлены металлические стержни, соединяющие две боковые стенки резонатора. Для повышения добротности противофазного (π) типа колебаний, полосковые линии могут содержать больше двух проводников, и могут быть выполнены многослойными.

Прибор работает следующим образом.

Поток электронов, влетая по оси резонатора через каналы для пролета электронного потока 6 в высокочастотные зазоры 7 взаимодействует с СВЧ полем резонатора.

Для резонатора, у которого высота Н много меньше длины волны, основной является мода Н₁₁₀. Резонансная частота данной моды определяется следующим выражением:

где с - скорость света, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость, W, L - геометрические размеры резонатора.

Полосковые линии, расположенные на диэлектрической подложке представляют собой двухпроводную систему один конец которой закреплен на крышке объемного резонатора, а другой соединен с центральными пролетными трубами. Такая двухпроводная система может быть возбуждена двумя способами, если ее длина равна или кратна нечетному числу четвертей волн.

Экранированную двухпроводную систему можно возбудить противофазно. В этом случае один конец двухпроводной линии несет в определенный момент времени положительный заряд, другой - равный по величине, но отрицательный заряд. Через половину периода полярность проводников меняется и далее процесс повторяется.

Два полосковых проводника могут также нести одновременно одинаковые по знаку заряды, иными словами совершать колебания как один внутренний проводник контура. Система в этом случае возбуждена синфазно. При этом напряжение между концом каждого проводника и нулевой точкой одинаковое, однако напряжение между проводниками будет равно нулю. Оба вида колебаний (синфазный и противофазный могут существовать одновременно и независимо друг от друга на одном двухпроводном колебательном контуре.

Для получения совпадения длин волн, необходимо внутренний проводник укоротить так, чтобы это укорочение сказалось только на противофазной волне. Это может быть достигнуто путем укрепления небольшой короткозамыкающей пластины 8 на торцевой пластине контура (Фиг. 5). Так как при синфазном возбуждении между проводниками контура отсутствует разность потенциалов, то эта пластина будет оказывать влияние только на длину волны противофазных колебаний.

Для возможности подавления высших типов колебаний в резонаторе по периметру внутреннего объема могут быть установлены металлические стержни, соединяющие две боковые стенки резонатора (Фиг. 3). Отношение радиуса стержня к шагу расположения стержней может составлять δ/Δ=0.14; 0.21; 0.29. При этом происходит подавление и сдвиг высших типов колебаний (2π) вверх по диапазону (Фиг. 4), а на π и 3π/2 виды колебаний влияние стержней незначительное.

Для повышения добротности противофазного(π) типа колебаний, полосковые линии могут выть выполнены в виде многослойной структуры, с числом полосковых проводников больше двух.

Миниатюрный усилительный клистрон с данным типом резонатора может работать устойчиво без самовозбуждения на всех следующих модах, имеющих приемлемый импеданс взаимодействия в коротковолновой части СВЧ диапазона при следующих ускоряющих напряжениях. Для низшего противофазного типа колебаний(π) оптимальное напряжение составляет 2.2-2.4 кВ, для вида 3 л/2 2.8-3.2 кВ, для синфазного вида колебаний 2 л 2.7-2.8 кВ, для высшего л вида колебаний 4.3-4.4 кВ, для высшего 3 л/2 вида колебаний 4.5-4.6 кВ.

Данный резонатор может работать в составе конструкции миниатюрного многолучевого монотрона. При этом оптимальное ускоряющее напряжение для противофазного типа колебаний (π) 2.6-2.8 кВ, для 3 π/2 вида колебаний 3.4-3.6 кВ, для синфазного (2π) колебания 2.9-3.1 кВ.

Использование трехзазорного резонатора, позволяет увеличить эффективное характеристическое сопротивление, по сравнению с одно- и двухзазорными резонаторами, расширить полосу частот. Кроме расширения полосы частот, увеличение числа зазоров резонатора позволяет уменьшить число резонаторов для получения одного и того же коэффициента усиления прибора, и, следовательно уменьшить массогабаритные параметры прибора.

Использование полосковых резонансных линий на диэлектрической подложке позволяет увеличить характеристическое сопротивление резонатора, получить новые резонансные частоты резонатора с возможностью настройки на кратные частоты.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроволновым электровакуумным генераторам клистронного типа и их резонансным системам. Технический результат - повышение характеристического сопротивления и добротности резонатора, подавление высших типов колебаний, настройка резонатора на кратные резонансные частоты, увеличение кпд клистрона. Миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке состоит из коаксиального двухзазорного резонатора, имеющего цилиндрическую оболочку и пролетную трубу, и дополнительную колебательную систему, расположенную внутри коаксиального резонатора, которая выполнена в виде двух металлических полуцилиндров, присоединенных к оболочке резонатора и пролетной трубе, разделенной на две части дополнительным зазором. Пролетные трубы выполнены многоканальными и могут иметь форму, отличную от цилиндрической, дополнительная колебательная система выполнена в виде полосковых линий и размещена на диэлектрической подложке, например, из алмаза. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке, состоящий из коаксиального двухзазорного резонатора, имеющего цилиндрическую оболочку и пролетную трубу, и дополнительную колебательную систему, расположенную внутри коаксиального резонатора, которая выполнена в виде двух металлических полуцилиндров, присоединенных к оболочке резонатора и пролетной трубе, разделенной на две части дополнительным зазором, отличающийся тем, что пролетные трубы выполнены многоканальными, дополнительная колебательная система выполнена в виде полосковых линий и размещена на диэлектрической подложке.

2. Миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке по п. 1, отличающийся тем, что число диэлектрических подложек может быть больше одной.

3. Миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке по п. 1, отличающийся тем, что для повышения добротности противофазного типа колебаний полосковые проводники на диэлектрической подложке могут выполняться многослойными, с числом проводников больше двух.

4. Миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке по п. 1, отличающийся тем, что для подавления высших типов колебаний в корпус резонатора введены металлические стержни.

5. Миниатюрный трехзазорный клистронный резонатор с полосковыми линиями на диэлектрической подложке по п. 1, отличающийся тем, что для настройки на кратные частоты противофазного и синфазного видов колебаний полосковые линии на диэлектрической подложке закорачиваются короткозамыкающей пластиной.