Усилительный многорезонаторный клистрон миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн Советский патент 1991 года по МПК H01J25/10 

98 вить кратковременное взаимодействие электронов с высокочастотным полем ре зонатора. Рабочая длина волны резонатора легко перестраивается путем пере мецения зеркала относительно рупора вдоль их общей оси. Однако непосредственное использование указанного резонатора для построения многорезонато ного клистрона вызывает определенные трудностей. Объясняется это тем, что указанный резонатор содержит открытый зазор ме:жду сферическим вогнутым зеркалом и рупором, вследствие дифракционных потерь, из рупора через указанный зазор в окружающее пространство излучается часть электромагнитной энергии. В соответствии с принципом обратимости из окружающего простран- ства в резонатор может попасть электромагнитная энергия, которая при резо нансе будет захвачена и локализована в резонаторе. П многорезонаторных усилительных клистронах резонаторы располагаются достаточно близко друг к другу, и, если использовать такие открытые резо наторы, то между двумя (и более) резо наторами возникает дифракционная связь, что, в свою очередь, приведет к возбу у ению в клистроне различных паразитных колебаний. По этой причине известный резонатор может быть непосредственно примен лишь в 1 ростейших приборах клистронного типа: в отражательном клистроне или в многорезонаторном клистроне с одним открытым резонатором. Известные методы борьбы с дифрак1щонной связью путем экранировки электромагнитных полей резонаторов ме таллическими экранами в данном случае неприемлемы, так как металлический экран 1февращает открытый резонатор в закрытый, что приводит к потере изб рательны : свойств открытого резонатор вследствие роста плотности спектра колебаний. Наиболее близким техническим решением является известный усилительный многорезонаторный клистрон мкллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн, содержащий открытые резонаторы, электронно-оптическую систему устройства для ввода и вывода СВЧ-эне гии и устройство для создания магнитноге поля (гирокпистроны). Применение открытых резонаторов в виде отрезков полых резонаторов, пронизываемых винтовыьш электронными потоками, позволяет усиливать колебания миллиметрового диапазона длин волн с высокой эффективностью. Однако гироклистроны имеют существенный v недостаток, связанный с необходимостью создания в рабочем пространстве магнитных фокусируьэщих полей порядка нескольких десятков килогаусс на расстоянии десятков сантиметров, что требует гфименения сверхпроводящих магнитов, резко усложняющих экс1шуата1даю указанных приборов Другой недостаток гкроклистрона состоит в том, что в нем обнаруживается склонность к возбуждению различных паразитных колебаний из-за недостаточной развязки открытых резонаторов по трубам дрейфа. Еще один недостаток гироклистронов состоит в том, что в них затруднена перестройка рабочей длины волны, что связано с необходимостью одновременного изменения постоянного магнитного поля и параметров волноводно- го резонатора. Целью изобретения является уменьшение габаритов устройства для создания магнитного поля, уменьшение дифракционной связи между резонаторами и упрор;ение перестройки частоты.. Указанная цель достигается тем, что в усилительном многорезонаторном клистроне миллиметрового и субмилли- метрового диапазонов длин волн, содержащем открытые резонаторы, соосно расположенные электронно-оптическую систему и устройство для создания магнитного поля, устройства для пвода и вывода СВЧ энергии, открытые резонаторы вьпюлнены в виде фокусирую1чих открытых резонаторов, содержав(их вогнутое зеркало и зеркала в виде рупора, при этом участок между рупором и зеркалом окружен оболочкой из ма:териала, поглощающего электромагнитные волны, а расстояние между внутренней поверхностью оболочки и конусной поверхностью, образующая которой является касательной к образующей рупора в точке пересечения ее с- линией раскрыва рупора, гфевыгаает ее длину рабочей волны. Оси фокусирующих открытых резона- . торов могут быть повернуты друг относительно друга на угол, 11ревыгааю1щй угол раскрьюа рупора.i Изобретение иллюстрируется фигурами 1,2,3. Па фиг. 1,2,3 схематически показаны варианты конструкции предлагаемого усилительного клистрона с фокусирующими открытыми резонаторами. Па фигуре 1 обозначены электронная пушка 1, электронный поток 2, коллектор 3, магнит 4, полюсные на1сонечники 5, вогнутое зеркало 6, рупор 7, конусообразная оболочка 8 из материала, поглощающего электромагнитную энергию, отрезок волновода 9, пронизываемый электронным потоком, труба дрейфа 10, входной волновод 11 с диэлектрическим окном для ввода энергии, выходной волновод 12 с диэлектрическим окном для вывода энергии. R фокусирующем открытом резонаторе в соответствии с принципом его работы образуется каустика, т.е. конусообраз ная поверхность, за пределы которой « электромагнитные колебания практическ не проходят. Из теории краевых волн следует, что при расстоянии, большем длины волны от края рупора, поля прак тически нет. Если размеры конусообраз ной оболочки из материала, хорошо поглощающего электромагнитные волны, выбрать так, чтобы у рупора ее внутре ний диаметр был больше диаметра раскрыва рупора Пл, а у зеркала больше диаметра .раскрыва , на 1-2 рабочие длины волны резонатора, то указанная оболочка не будет оказывать существен ного влияния на электромагнитное поле рабочего вида колебаний внутри резона тора. Колебания побочных нерабочих видов колебаний, которые должны излучаться из резонатора, будут поглощать ся в материале оболочки и не окажут вредного влияния на рабочий вид. Внеш ние поля также не смогут оказать вред ного влияния на поле в резонаторе, так как будут поглощены в материале оболочки и не войдут в область резона тора. I 71пя того, чтобы оболочка эффектив но выполняла роль экрана, она должна не только хорошо поглощать электромаг нитные волны, но и не отражать их. Та кую оболочку можно изготовить.наприме из стекла или керамики и на поверхность нанести, тонкий слой резиста с поверхностным сопротивлением, равным сопротивлению свободного пространства, т.е. приблиз ительно 380 Ом. Указанную оболочку можно также изготовит 9 2 . из диэлектрика с потеряго, например, из керамики, насьпценной графитом, и для согласования покрыть с двух сторон четвертьволновыми слоями диэлектрика с диэлектрической пpoницяeмocтью равной 4/ЁкГ, где /6к/ диэлектрическая проницаемость керамики. В обпдем случае требование jc оболочке, с точки зрения ее функционального назначения, заключается в том, чтобы коэффициент отражения электромагнитной энергии от ее поверхности был близок к нулю, а коэффициент передачи - к единице, т.е. электромагнитная энергия полностью входила бы в оболочку и в ней поглощалась. Указанная конусообразная тонкостенная оболочка из материала, поглощающего электромагнитные волны, позволяет ocypjecTBHTb развязку между отдельными резонаторами. В отличие от гироклистрона диаметр трубы дрейфа в предложенном клистроне можно выбрать так, чтобы он бьт за1федельным на рабочей длине, волны,, и связь но трубе дрейфа будет исключена. Отметим, что если оболочку выполнить из вакуумно-плотного материала и спаять с рупором и зеркалом, то оболочка, играющая роль экрана и развязки между контзфами клистрона, сможет также выполнить роль вакуумного уплотнения открытого резонатора. При необходимости перестройки резонансной частоты резонатора путем перемещения зеркала, соединенние оболочки с зеркалом или pyiiopoM может быть выполнено подвижным, например, с помощью сильфона. Клистрон, схематически показанный на фиг. 1, представляет собой простейший тип двухрезонаторного клистронного усилителя, для которого не возникает особой проблемы размещения резонаторов. В случае, если число резонаторов больше двух, размещение резонаторов может вызвать трудность. Дело в том, что поперечные размеры фо1су сирующего открытого резонатора постепенно, возрастают от зазора, где .они равны долям длины волны, до нескольких десятков длин волн в районе сферического зеркала. Традиционное расположение, резонаторов в усилительном клистроне один над другим в данном случае оказывается неприемлемым. Однако поскольку фокусируюг);ие открытые резонаторы обладают поворотной симметрией 79 относительно оси пролетного канала, и экранирующие тонкостенные конусообразные ов Ьлочки BimoTHyro приближены к резонатору, можно резонаторы расположить по винтовой линии вокруг пролетного канала. При угле поворота осей резонаторов, р&вном 2н/М, удастся : получить усилительш 1й клистрон с N резонаторами. , На фиг,. 2, 3 показан скептически 4-х резонаторный клистрон с экраниророванными фокусирующими открытыми резонаторами 13, 14, 15, 16, размещенными по винтовой линии, 1фичем зеркала соединены с оболочкой через сильфоны 17, Углы поворота осей .резонаторов относительно друг друга ;равны ft/2, а сами оси смеР5ены вдоль пролетного канах а на расстояние 11 (i 1, 2, 3), Пространственное расположение фоку сируищих открытых резонаторов, показанное на фиг, 3, накладывает ограничение на угол раскрьгоа рупора 0. Угол 0 должен быть угла смещения осей резонаторов СР, т.е. Q + 21 (п + S)Cf, Р Р где 1.р - длина рупора,Д-- рабочая длина волны, б - толщина оболочки. Однако при числе резонаторов порядка 5, которое обычно применяется в усилительных клистронах, указанное ограничение несущественно, и позволяет расположить резонаторы при любых длинах труб дрейфа. Многррезонаторные усилительные клистроны, построенные на основе экранированных фокусирующих резонаторов, смогут найти широкое практическое применение в различных радиоэлектронных системах миллиметрового диапазона длин волн. Усилительные клистроны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн необходимы для создания современных, когерентных радиолокационных станций, для радиоэлектронных систем передачи информации, в спутниковой связи, в радиофизике,- в медицине -и биологии.

1. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ М11ПГОРЕЗОПАТОРПЫЙ ЮП1СТРОН ШииНП-ШТРОПОГЛ И СУПгMIUUlHMETPOBOrO ЛИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН, содерхар{ий открытые резонаторы, сооснс расположенные электронно-оптическую систему и устройство для создания магнитного поля и устройства для ввода и вывода СВЧ-энергии, о т л и ч а- ю щ и.и с я тем, что, с целью уменьшения габаритов устройства для создания магнитного поля, уменьшения дифИзобретение относится к области электровакуумных приборов сверхвысоких частот, в частности, к усйлительньм клистронам миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Известно, что при создании приборов клистронного тшга в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн возникают большие трудности, связанные с резким ухудмением параметров полых резонаторов. Низкая добротность, малое гаунтовое сопротивление, малый коэффициент полезного действия выходного резонатора-ифиводят к тому, что эффективность прибора в целом оказывается низкой. Замена полых замкнутых рак1щон11ой связи между резонаторами и упрощения перестройки частоты, открытые резонаторы вьпголнены в виде Аокусирзтоьщх резонаторов, содержаЬ1Г х вогнутое зеркало и зеркало в виде рупора, при этом участок между рупором и зеркалом окружен оболочкой из материалов, поглащающего электромагнитные волны, а расстояние меж(у внутренней поверхностью оболочки и конусной поверхностью, образую1цая которойявляется касательной к образующей рупора в точке пересечения ее с линией раскрыва pyicopa, превьдтает ;и1ину волны. 2. ГСпистрон по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что оси фокусируюиих (/) открытых резонаторов повернуты друг относительно друга на угол, превыиаюрий угол раскрыва рупора. СО 00 c 4 резонаторов открытыми резонаторами позволяет сохранить высокие параметры S резонаторов в миллиметровом диапазоне длин волн. Известен открытый фокусирующий рез.онатор (ФОР), который может быть использован для построения приборов клистронного типа. Указанный резонатор представляет собой систему, состоя щую из сферического вогнутого зеркала и рупора (в котором расположен центр кривизны сферического зеркала) с подсоединенным к нему короткозамкнутым отрезком волновода, имеющим отверстия для прохода электронов. Наличие узкого зазора в волноводе позволяет осущест