РЕЗОНАТОРНАЯ СИСТЕМА МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА Советский патент 1994 года по МПК H01J25/10 H01J25/14 

Изобретение относится к электронным СВЧ-приборам, а более конкретно к пролетным многорезонаторным клистронам многолучевой конструкции с кольцевыми резонаторами.

Известна резонаторная система клистрона, выполненная в виде набора кольцевых резонаторов, в которой с целью повышения КПД и коэффициента усиления клистрона сделана прямая электромагнитная связь между промежуточными резонаторами.

Однако это приводит к появлению нежелательной азимутальной неоднородности поля, вносимой щелями связи, и способствует усилению паразитных колебаний.

Наиболее близким техническим решением является конструкция резонаторной системы многолучевого пролетного клистрона с последовательно расположенными кольцевыми резонаторами.

Этот клистрон имеет катодную систему, формирующую электронные лучи, ввод СВЧ-энергии, входной резонатор, комплект кольцевых резонаторов с отверстиями для электронных лучей и кольцевыми поглощающими элементами, выходной резонатор, вывод СВЧ-энергии, коллектор, фокусирующую систему.

Полоса пропускания данного прибора по уровню 3 дБ около 5% , коэффициент усиления не превышает 30 дБ. Расширение полосы пропускания до 5% достигается за счет снижения добротности кольцевых резонаторов введением кольцевых поглощающих элементов.

Недостатком этой системы является наличие в кольцевых резонаторах паразитных видов колебаний. К недостаткам следует отнести также повышенные тепловые потери и малый КПД прибора, обусловленные введением поглощающих кольцевых элементов с целью подавления паразитных колебаний и снижения добротности резонаторов, сравнительно невысокий коэффициент усиления прибора и сильное изменение коэффициента усиления в полосе пропускания, недостаточно широкую полосу пропускания.

Целью изобретения является снижение уровня паразитных видов колебаний в кольцевых резонаторах по отношению к основному, увеличение полосы усиления прибора, а также увеличение его КПД.

Цель достигается тем, что в резонаторной системе многолучевого клистрона, выполненной в виде последовательности кольцевых резонаторов, внутри каждого кольцевого резонатора расположен дополнительный резонатор, связанный аксиально-симметричным элементом связи через общую стенку с кольцевым резонатором.

При этом элемент связи выполнен в виде замкнутой кольцевой щели, в общей для кольцевого и дополнительного резонатора стенке, а часть дополнительных резонаторов связана между собой элементами связи в общих торцовых стенках.

На чертеже изображен многолучевой клистрон с предложенной резонаторной системой.

Многолучевой клистрон содержит катодную систему 1, ввод СВЧ-энергии 2, входной кольцевой резонатор 3, промежуточные кольцевые резонаторы 4,5,6, выходной кольцевой резонатор 7, вывод СВЧ- энергии 8, коллектор 9, фокусирующую систему 10, входной дополнительный резонатор 11, промежуточные дополнительные резонаторы 12, 13, 14, выходной дополнительный резонатор 15, фильтровую систему 16. Кольцевые и дополнительные резонаторы связаны элементами связи 17, 18, 19, 20, 21. Промежуточные дополнительные резонаторы связаны элементами связи 22,23. При этом в качестве рабочего вида колебаний в кольцевом резонаторе используется вид ϕ = 0 (где ϕ - разность фазы колебаний в точках расположения соседних пролетных труб), единственный вид, не имеющий вариации поля по азимуту, а в дополнительном резонаторе возбуждается только один вид колебаний в рабочей полосе частот, который тоже не имеет азимутальной вариации поля, и возбуждение других видов колебаний в дополнительном резонаторе возможно лишь далеко от границ рабочей полосы. Введение аксиально-симметричной связи, например с помощью замкнутой кольцевой щели или отверстий между кольцевым резонатором и дополнительным, в качестве которого может быть использован тороидальный резонатор, приводит к тому, что в кольцевом резонаторе в области элемента связи поддерживается структура поля только рабочего вида колебаний, т. е. снижается уровень паразитных видов по отношению к рабочему.

Увеличивая величину связи дополнительного резонатора с кольцевым возможно практически исключить возбуждение паразитных колебаний и поглощение ими части энергии электронных лучей, т. е. повысить КПД прибора.

Применение фильтровой системы, состоящей из связанных резонаторов, устанавливаемой между выводом СВЧ-энергии и выходным кольцевым резонатором, позволяет добиться увеличения ширины полосы пропускания и уменьшения неравномерности коэффициента усиления в полосе пропускания за счет связи резонаторов фильтровой системы, например, по чебышевской характеристике, а использование в качестве первого резонатора фильтровой системы выходного дополнительного резонатора, связанного с выходным кольцевым резонатором азимутально-симметричной связью исключает нарушение симметрии поля в нем, ведущей к усилению паразитных колебаний.

Введение прямой связи между промежуточными дополнительными резонаторами с помощью отверстий или щелей связи в общей торцовой стенке одновременно создает электромагнитную связь между промежуточными кольцевыми резонаторами, которые образуют единую систему с распределенным взаимодействием, которая более эффективно группирует электронные сгустки, в результате чего повышается КПД и коэффициент усиления прибора, при этом отсутствие щелей связи в торцовых стенках кольцевых резонаторов сохраняет азимутальную однородность поля.

Многолучевой клистрон работает следующим образом.

Усиливаемый сигнал через ввод СВЧ-энергии 2 поступает во входной дополнительный резонатор 11 и связанный с ним элементом связи 17 входной кольцевой резонатор, где модулирует по скорости электроны лучей, формируемых катодной системой 1.

Образовавшиеся за время пролета электронные сгустки уплотняются системой с распределенным взаимодействием, образованной промежуточными кольцевыми резонаторами 4, 5, 6 с помощью связи через промежуточные дополнительные резонаторы 12, 13, 14 элементами связи 18, 19, 20 и 22, 23. Уплотненные сгустки электронов отдают свою энергию в выходном кольцевом резонаторе 7 и поглощаются коллектором 9.

Усиленный сигнал из выходного кольцевого резонатора 7 через элемент связи 21 передается в выходной дополнительный резонатор 15, который является первым резонатором фильтровой системы 16, выполненной в виде цепочки связанных резонаторов.

Из последнего резонатора фильтровой системы 16 усиленный, широкополосный и выровненный по усилению сигнал поступает в вывод СВЧ-энергии 8.

В предлагаемой конструкции вместо многолучевого электронного потока может быть использован сплошной кольцевой электронный поток, при этом сущность изобретения не меняется.

Таким образом, использование новых элементов, связанных с кольцевыми резонаторами резонаторной системы клистрона, позволяет снизить уровень паразитных видов колебаний по отношению к основному при сохранении габаритов и веса прибора.

Введение дополнительных резонаторов дает возможность установить в приборе фильтровую систему и создать систему с распределенным взаимодействием, в результате увеличена полоса усиления приблизительно до 9% , повышается КПД прибора ориентировочно на 10% . (56) Патент США N 3375397, кл. 315-5.46, опублик. 1960.

Патент США N 2849644, кл. 315-5.16, опублик. 1958.

1. РЕЗОНАТОРНАЯ СИСТЕМА МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА, выполненная в виде последовательности из кольцевых резонаторов, отличающаяся тем, что, с целью снижения уровня паразитных видов колебаний по отношению к основному, увеличения полосы усиления и КПД при сохранении габаритов и веса клистрона, внутри каждого кольцевого резонатора расположен дополнительный резонатор, связанный с кольцевым аксиально-симметричным элементом связи, проходящим через общую для обоих резонаторов стенку. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что элемент связи выполнен в виде замкнутой кольцевой щели в общей для кольцевого и дополнительного резонаторов стенке. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что часть дополнительных резонаторов связана между собой элементами связи в общих торцовых стенках.