Патент на изобретение №2239256

(54) МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ, в частности к низковольтным многолучевым клистронам средней мощности, используемым в качестве оконечных усилителей в передатчиках радиолокационных станций, систем связи и в других радиотехнических установках, работающих в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. Техническим результатом является создание низковольтного, многолучевого клистрона средней мощности, работающего в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов и обладающего высоким электронным коэффициентом полезного действия, большим коэффициентом усиления и широкой полосой усиливаемых частот. В многолучевом клистроне, содержащем электронные пушки и коллекторы, входной, выходной и промежуточные резонаторы в виде волноводов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, в которых расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, узлы СВЧ-взаимодействия, расположенные в волноводах периодически по их длине в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля и отражающие электродинамические элементы, расположенные между узлами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, при этом узлы СВЧ-взаимодействия снабжены пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов, согласно изобретению каждый узел СВЧ-взаимодействия выполнен в виде ряда параллельных металлических пластин, расположенных параллельно стенкам волновода и перпендикулярно оси пролетного канала. Кроме этого, узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде волновода, соединенного с волноводом выходного резонатора посредством электродинамических элементов связи в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, а вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна расположены в электродинамических элементах связи. Причем электродинамические элементы связи могут быть выполнены в виде отрезков волноводов, а также электродинамические элементы связи могут содержать резонансные диафрагмы, расположенные со стороны выходного резонатора. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ, в частности к низковольтным многолучевым клистронам средней мощности, используемым в качестве оконечных усилителей в передатчиках радиолокационных станций, систем связи и в других радиотехнических установках, работающих в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов.

Известен многолучевой клистрон средней мощности (патент РФ №2075131, МПК H 01 J 25/10, опубликован 10.03.1997 г.), содержащий многолучевую электронную пушку, коллектор электронов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, входной, выходной и промежуточные однозазорные кольцевые резонаторы. Резонаторы выполнены в виде свернутых в кольцо отрезков П-образного волновода. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Н₁₀₀. В волноводах резонаторов пространство между стенкой с прямоугольным выступом и плоской стенкой образует кольцевой СВЧ-зазор, вдоль которого периодически расположены пролетные каналы таким образом, чтобы их оси были параллельны оси резонатора. Для предотвращения возбуждения резонаторов на других типах волн, по крайней мере, в одном из резонаторов имеются радиальные щели, расположенные диаметрально противоположно в плоскости ввода/вывода энергии. В щелях установлены поглотительные элементы.

Однако данная конструкция клистрона не пригодна для использования в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, потому что в этом диапазоне длин волн используемые резонаторы имеют очень маленькие размеры. За счет этого они имеют небольшую величину добротности Q и небольшую суммарную площадь отверстий пролетных каналов, ограничивающую суммарный ток многолучевого электронного потока в пределах 0.4-0.6 А. Поэтому невозможно реализовать большую выходную СВЧ-мощность (выше одного киловатта) и большой коэффициент усиления (выше 35 дБ) при работе в непрерывном и квазиимпульсном режиме с низким (не выше пяти киловольт) ускоряющим напряжением на резонаторах.

Известен также многолучевой клистрон средней мощности (патент РФ №2125319, МПК H 01 J 25/10, опубликован 20.01.1999 г.), содержащий многолучевую электронную пушку, коллектор электронов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, входной, выходной и промежуточные двухзазорные линейные резонаторы, выполненные в виде закороченных на концах отрезков коаксиального волновода. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Н₀₁₁. Пространство между внутренним проводником и стенкой волновода образует в направлении движения электронов два последовательно расположенных СВЧ-зазора. Пролетные каналы расположены вдоль оси волновода линейно, в два ряда таким образом, чтобы их оси были перпендикулярны оси волновода, расстояние между соседними пролетными каналами было одинаковым, а длина каждого ряда каналов не превышает величины 0.25 , где – длина волны в волноводе.

Однако данная конструкция клистрона также не пригодна для использования в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов по тем же самым причинам, что и предыдущая конструкция клистрона.

Наиболее близким к заявляемому является многолучевой клистрон (патент США №3248597, НКИ 315-5.16, опубликован 26.04.1966 г.), содержащий несколько электронных пушек и коллекторы электронов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, входной, выходной и промежуточные однозазорные линейные резонаторы, выполненные в виде закороченных на концах волноводов. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Н_10n. Вдоль волноводов в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля периодически размещены узлы СВЧ-взаимодействия в виде расположенных на противоположных стенках волновода двух полюсных наконечников с пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов резонаторов. Полюсные наконечники образуют один СВЧ-зазор в направлении движения электронов. Между структурами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля расположены отражающие электродинамические элементы типа индуктивной диафрагмы, выполненные в виде стержней. Узел ввода СВЧ-энергии, содержащий вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно, расположен во входном резонаторе, а узел вывода СВЧ-энергии, содержащий вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно, расположен в выходном резонаторе.

Данная конструкция клистрона пригодна для применения в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. В нем суммарный ток многолучевого электронного потока может быть существенно выше 0.5 А за счет использования большого числа электронных пушек. Поэтому в этом клистроне можно реализовать большие величины выходной СВЧ-мощности (выше одного киловатта). Однако в требуемом диапазоне длин волн при низком ускоряющем напряжении на резонаторах (в несколько единиц киловольт) и небольшой плотности тока в электронных пучках (не выше 10 А/см²) его электронный коэффициент полезного действия не превышает 10-15%, а коэффициент усиления – 10-15 дБ, потому что наличие в узлах СВЧ-взаимодействия входного, выходного и промежуточных резонаторов только одного СВЧ-зазора не обеспечивает высокой эффективности взаимодействия электронных лучей с СВЧ-полем. Кроме этого, клистрон может работать с большой выходной СВЧ-мощностью только в импульсном режиме, потому что в непрерывном и квазиимпульсном режимах в известных конструкциях выводов СВЧ-энергии разрушаются вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна.

Изобретение направлено на решение задачи создания низковольтного, многолучевого клистрона средней мощности, работающего в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, обладающего высоким электронным коэффициентом полезного действия, большим коэффициентом усиления и широкой полосой усиливаемых частот.

Для решения поставленной задачи в многолучевом клистроне, содержащем электронные пушки и коллекторы, входной, выходной и промежуточные резонаторы в виде волноводов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, в которых расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, узлы СВЧ-взаимодействия, расположенные в волноводах периодически по их длине в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля, и отражающие электродинамические элементы, расположенные между узлами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля при этом узлы СВЧ-взаимодействия снабжены пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов, согласно изобретению каждый узел СВЧ-взаимодействия выполнен в виде ряда параллельных металлических пластин, расположенных параллельно стенкам волновода и перпендикулярно оси пролетного канала. Кроме этого, узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде волновода, соединенного с волноводом выходного резонатора посредством электродинамических элементов связи в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, а вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна расположены в электродинамических элементах связи. Причем электродинамические элементы связи могут быть выполнены в виде отрезков волноводов, а также электродинамические элементы связи могут содержать резонансные диафрагмы, расположенные со стороны выходного резонатора.

Узлы СВЧ-взаимодействия, содержащие несколько СВЧ-зазоров в направлении движения электронов, позволяют реализовать в них каскадное взаимодействие электронов с поперечной компонентой электрического СВЧ-поля стоячей волны. Как показывают расчеты, за счет этого во входном и промежуточном резонаторах интенсивность модуляции электронных пучков по скорости, определяющая величину коэффициента усиления клистрона, будет пропорциональна их добротности Q и числу Р СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия, а в выходном резонаторе интенсивность обмена энергией между СВЧ-полем и образующимися сгустками электронов, определяющая величину электронного коэффициента полезного действия, будет пропорциональна Q и Р в узлах СВЧ-взаимодействия этого резонатора. Для того чтобы во входном и промежуточном резонаторах интенсивная модуляция пучков по скорости обеспечивалась на длине волны входного сигнала и при ускоряющем напряжении V, длина периода L между пластинами в узлах СВЧ-взаимодействия должна задаваться выражением , соответствующем выполнению в СВЧ-зазорах условия пространственно-фазового синхронизма между СВЧ-полем и формирующимися сгустками электронов. В выходном резонаторе для обеспечения высокого электронного коэффициента полезного действия с помощью данного выражения определяется длина первого периода узла СВЧ-взаимодействия, а длина последующих периодов должна уменьшаться по закону, обеспечивающему в СВЧ-зазорах выполнение условия пространственно-фазового синхронизма по мере торможения сгустков электронов.

Отражающие электродинамические элементы, расположенные в волноводах входного, промежуточного и выходного резонаторов, обеспечивают в узлах СВЧ-взаимодействия синхронизацию фазы СВЧ-полей в СВЧ-зазорах.

Выполнение узла вывода СВЧ-энергии в виде волновода, который соединен с волноводом выходного резонатора в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля через электродинамические элементы связи, содержащие вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, позволяет уменьшить долю выходной СВЧ-энергии, проходящей через каждое вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно, пропорционально числу N электродинамических элементов связи и тем самым предотвратить разрушение вакуумно-плотных диэлектрических СВЧ-окон при работе клистрона в непрерывном и квазиимпульсном режимах с большими величинами выходной мощности. Наличие в электродинамических элементах связи резонансных диафрагм позволяет обеспечить добротность выходного резонатора, необходимую для высокоэффективного взаимодействия сгустков электронов с СВЧ-полем в СВЧ-зазорах.

Так как коэффициенты модуляции электронных пучков по скорости во входном и промежуточном резонаторах, а также величина энергообмена в выходном резонаторе пропорциональны добротности Q резонаторов и числу СВЧ-зазоров Р в узлах СВЧ-взаимодействия, то требуемые величины коэффициента усиления и электронного коэффициента полезного действия можно реализовать при меньших величинах Q за счет увеличения Р.

Тем самым можно увеличить полосу пропускания резонаторов и, следовательно, увеличить полосу усиливаемых частот.

Сказанное позволяет сделать вывод о наличии в заявляемом изобретении “изобретательского уровня”.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен вид клистрона спереди; на фиг.2 – вид сбоку; на фиг.3 – вид сверху; на фиг.4 – вид узла СВЧ-взаимодействия; на фиг.5 – вид пластины узла СВЧ-взаимодействия с пролетными каналами.

На данных фигурах введены обозначения:

1 – электронные пушки,

2 – входной резонатор,

3 – промежуточный резонатор,

4 – выходной резонатор,

5 – волновод узла вывода СВЧ-энергии, выполненный в виде линейного резонатора,

6 – электродинамические элементы связи, выполненные в виде отрезков волноводов,

7 – узел ввода СВЧ-энергии,

8 – волновод, через который выводится СВЧ-энергия в нагрузку,

9 – узел СВЧ-взаимодействия во входном резонаторе,

10 – узел СВЧ-взаимодействия в промежуточном резонаторе,

11 – узел СВЧ-взаимодействия в выходном резонаторе,

12 – пластины в узлах СВЧ-взаимодействия,

13 – пролетные каналы для электронных пучков,

14 – отражающие электродинамические элементы,

15 – вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна,

16 – резонансные диафрагмы,

17 – коллекторы электронов,

18 – полюсные наконечники магнитной фокусирующей системы

19 – магниты,

20 – отражающие электродинамические элементы, имеющие передаточную характеристику, такую как у узлов СВЧ-взаимодействия (11).

Клистрон состоит из электронных пушек (1), входного линейного резонатора (2), промежуточного линейного резонатора (3), выходного линейного резонатора (4)), которые выполнены в виде закороченных на концах волноводов. Узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде закороченного на концах волновода (5). Волноводы выходного резонатора (4) и узла вывода СВЧ-энергии (5) соединены между собой в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля посредством нескольких электродинамических элементов связи (6). Узел ввода СВЧ-энергии (7) расположен в волноводе (2). В этом узле имеется вакуумно-плотное диэлектрическое СВЧ-окно (15). Вывод СВЧ-энергии в нагрузку из волновода (5) узла вывода СВЧ-энергии осуществляется посредством волновода (8). Вдоль волноводов (2), (3) и (4) периодически расположены узлы СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11), образуемые пластинами (12). Через стенки волноводов и через пластины в поперечном направлении проходят пролетные каналы, оси которых перпендикулярны осям волноводов. В волноводах (2), (3) и (4) между структурами СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11) расположены отражающие электродинамические элементы (14). В электродинамических элементах связи (6) расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна (15) и резонансные диафрагмы (16). В клистроне также имеются коллекторы электронов (17), полюсные наконечники (18) магнитной фокусирующей системы и магниты (19).

Работа клистрона осуществляется следующим образом.

В электронных пушках (1) формируются электронные пучки, которые попадают в пролетные каналы (13) узлов СВЧ-взаимодействия (9)-(11) и фокусируются продольным магнитным полем, конфигурация которого определяется полюсными наконечниками (18) магнитной системы. Входной СВЧ-сигнал подается в волновод входного резонатора (2) через узел ввода СВЧ-энергии (7) и возбуждает в нем электромагнитное поле стоячей волны типа H_10n, которое в СВЧ-зазорах, образуемых между пластинами (12) узлов СВЧ-взаимодействия (9), модулирует электронные пучки по скорости. Интенсивность модуляции по скорости будет пропорциональна (Q_вх Р_вх), где Q_вx и Р_вх – добротность и число СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия резонатора (2) соответственно. После прохождения резонатора (2) электронные пучки попадают через пролетные каналы в СВЧ-зазоры узлов СВЧ-взаимодействия (10) промежуточного резонатора (3), где происходит их дополнительная модуляция по скорости и группировка в сгустки. В этом случае интенсивность модуляции по скорости будет пропорциональна (Q_вx P_вx)(Q_пр P_пр), а модуляция по току – пропорциональна (Q_вx P²_вх)(Q_пр P²_пр), где Q_пр и Р_пр – добротность и число СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия резонатора (3) соответственно. Из резонатора (3) сгустки попадают в СВЧ-зазоры узлов СВЧ-взаимодействия (11) выходного резонатора (4). Проходя через СВЧ-зазоры, сгустки электронов возбуждают в резонаторе (4) электромагнитное поле с интенсивностью, пропорциональной (Q_вых Р_вых), где Q_вых и Р_вых – добротность и число СВЧ-зазоров в структурах СВЧ-взаимодействия резонатора (4) соответственно. Поэтому результирующий коэффициент усиления клистрона будет пропорционален (Q_вx Q_пр Q_вых)(Р²_вх P²_пр Р_вых). Таким образом, коэффициент усиления в клистроне с многозазорными линейными резонаторами будет при числе СВЧ-зазоров Р_вх, P_пр и Р_вых в пределах 2-10 на один и более порядков выше по сравнению с известным многолучевым клистроном (см. прототип), в котором за счет использования однозазорных линейных резонаторов (Р_вх=Р_пр=Р_вых=1) коэффициент усиления пропорционален (Q_вx Q_пр Q_вых). Пролетая через СВЧ-зазоры узлов СВЧ-взаимодействия выходного резонатора (4), сгустки электронов, отдавая СВЧ-полю свою кинетическую энергию, постепенно тормозятся. Поэтому для обеспечения высокого электронного коэффициента полезного действия необходимо расстояние между пластинами (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (11) уменьшать по закону, обеспечивающему в СВЧ-зазорах выполнение условия пространственно-фазового синхронизма между СВЧ-полем и сгустками электронов по мере их торможения. Из волновода выходного резонатора (4) энергия электромагнитного поля частями трансформируется через электродинамические элементы связи (6), в которых расположены резонансные диафрагмы (16) и вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна (15), в волновод (5) узла вывода СВЧ-энергии, из которого суммарная энергия СВЧ-поля через отверстие в стенке волновода (5) поступает по волноводному тракту (8) в нагрузку. Отработавшие сгустки электронов попадают в коллекторы (17).

В клистроне входной (2), промежуточный (3) и выходной (4) резонаторы могут быть выполнены в виде закороченных на концах отрезков прямоугольного волновода. Размеры волноводов резонаторов (2)-(5) обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны только типа Н_10n. Для этого размер широкой стенки а этих волноводов должен быть больше половины длины волны входного СВЧ-сигнала, находящейся в пределах резонансной полосы пропускания резонаторов (2), (3), (4) и (5), а размер их узкой стенки b должен быть равен или быть меньше а. Ширина пластин (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11) должна быть меньше 0,5 , а диаметр области, в пределах которой расположены отверстия пролетных каналов (13), должен не превышать 0.25 , где – длина волны в волноводе. Период L= +d, в котором расположены пластины (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11), должен быть равен или быть меньше b/P, где Р – требуемое число СВЧ-зазоров в узлах СВЧ-взаимодействия, d – толщина пластин (12), – длина СВЧ-зазора. Причем должно выполняться условие d. Во входном (2) и промежуточном (3) резонаторах при заданных величинах длины волны входного сигнала и ускоряющего напряжения V на резонаторах величина периода L решетки, образуемой пластинами (12) в узлах СВЧ-взаимодействия (9), (10), определяется из выражения . В узлах СВЧ-взаимодействия (11) выходного резонатора (4) с помощью данного выражения определяется L первого СВЧ-зазора. Для последующих СВЧ-зазоров величина L должна уменьшаться по определенному закону, например линейному. Фазовый сдвиг поперечной составляющей электрического поля в СВЧ-зазорах смежных узлов СВЧ-взаимодействия должен быть равен (2k+1) , поэтому узлы СВЧ-взаимодействия должны быть расположены вдоль волноводов резонаторов с периодом L_p (k+0,5) , где k=1, 2, 3, 4 определяется поперечными размерами электронных пушек (1) и полюсных наконечников (18) магнитной системы.

Отражающие электродинамические элементы (14) в волноводах (2), (3), (4) могут быть выполнены в виде отрезков прямоугольного волновода, имеющих длину L_o<0,5 и поперечные размеры а и b_o<0,5b.

Узел ввода энергии (7) может быть выполнен в виде Т-образного волноводного сочленения, в котором расположено вакуумно-плотное диэлектрическое окно (15), выполненное в виде полуволнового диэлектрического резонатора цилиндрической формы, и резонансная диафрагма (16). Ввод энергии (7) целесообразно располагать посередине волновода входного резонатора (2) на его широкой стенке. В этом случае число N структур СВЧ-взаимодействия (9), (10), (11) в волноводах резонаторов (2), (3) и (4) должно быть четное.

Волновод (5) может быть закорочен на концах и иметь длину и поперечные размеры такие же, как у волновода резонатора (4), но в нем вместо узлов СВЧ-взаимодействия (11) располагаются отражающие электродинамические элементы (20), выполненные в виде отрезков прямоугольного волновода. Длина и поперечные размеры этих отрезков волновода выбираются так, чтобы их передаточная характеристика была эквивалентна передаточной характеристике узлов СВЧ-взаимодействия (11).

Волноводы электродинамических элементов связи (6) могут быть выполнены в виде отрезков прямоугольного волновода, имеющие длину L_ш (2m+1) /4 и поперечные размеры а и b_ш<0,5b, где m=1, 2, 3, 4 определяется размерами коллекторов (17) и полюсных наконечников (18). Концы волноводов (6) располагаются на широких стенках волноводов резонаторов (4) и (5). Резонансная диафрагма (16) располагается в волноводах (6) между их концом со стороны резонатора (4) и вакуумно-плотным диэлектрическим СВЧ-окном (15). Вакуумно-плотные диэлектрические окна (15) могут быть выполнены в виде полуволнового диэлектрического резонатора цилиндрической формы.

Отверстие для вывода СВЧ-энергии из волновода (5) целесообразно располагать посередине волновода (5) на его широкой стенке, противолежащей стенке, на которой располагаются волноводы электродинамических элементов связи (6).

Формула изобретения

1. Многолучевой клистрон, содержащий электронные пушки и коллекторы, входной, выходной и промежуточные резонаторы в виде волноводов, узлы ввода и вывода СВЧ-энергии, в которых расположены вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, узлы СВЧ-взаимодействия, расположенные в волноводах периодически по их длине в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ-поля, и отражающие электродинамические элементы, расположенные между узлами СВЧ-взаимодействия в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, при этом узлы СВЧ-взаимодействия снабжены пролетными каналами, оси которых перпендикулярны осям волноводов, отличающийся тем, что каждый узел СВЧ-взаимодействия выполнен в виде ряда параллельных металлических пластин, расположенных параллельно стенкам волновода и перпендикулярно оси пролетного канала и осям волноводов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел вывода СВЧ-энергии выполнен в виде волновода, соединенного с волноводом выходного резонатора посредством электродинамических элементов связи в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ-поля, а вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна расположены в электродинамических элементах связи.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электродинамические элементы связи выполнены в виде отрезков волноводов.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что электродинамические элементы связи снабжены резонансными диафрагмами, расположенными со стороны выходного резонатора.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.03.2008

Извещение опубликовано: 20.08.2009 БИ: 23/2009