ШИРОКОПОЛОСНЫЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН
BROADBAND MULTIBEAM KLYSTRON

Изобретение относится к электровакуумным микроволновым приборам, а именно к многолучевым многорезонаторным широкополосным клистронам.
Известен многолучевой клистрон, выполненный в виде последовательности кольцевых однозазорных резонаторов [А.с. СССР №784609, МПК: H01J 25/14]. Внутри каждого кольцевого резонатора расположен дополнительный резонатор, связанный с кольцевым аксиально-симметричным элементом связи, проходящим через общую для обоих резонаторов стенку. Часть дополнительных резонаторов связана между собой элементами связи в общих торцевых стенках. Ввод и вывод СВЧ-энергии во входной и выходной кольцевые резонаторы осуществляется через входной и выходной дополнительные резонаторы соответственно.
Недостатком данного прибора является то, что его резонансная система построена на основе однозазорных резонаторов, имеющих низкое характеристическое сопротивление. Это негативно сказывается на КПД и массогабаритных параметрах прибора. Широкая полоса усиливаемых частот достигается за счет применения системы внешних связанных пассивных резонаторов, что увеличивает стоимость и массогабаритные параметры прибора.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция секторного клистрона [патент РФ №2280293, МПК: H01J 25/12], содержащего в продольном направлении несколько пространственно-развитых резонаторных систем, каждая из которых состоит из нескольких отдельных активных двухзазорных резонаторов секторной формы, при этом все активные резонаторы разделены перегородками, которые расположены в виде веера в радиальном направлении вокруг оси прибора. Каждый секторный резонатор имеет одинаково удаленные от оси прибора центральные трубки дрейфа (пролетные трубки), закрепленные на центральных проводниках. Центральные проводники могут быть установлены на внешней или на внутренней цилиндрических стенках резонатора и пространственно разделены в продольном направлении боковыми крышками.
Активные (взаимодействующие с пучком) резонаторы, в свою очередь, могут быть связаны между собой оптимально подобранными щелями связи, расположенными в перегородках, образуя фильтровую систему. Внутри каждого активного резонатора, настроенного на частоту основного сигнала, между его зазорами, может быть размещена дополнительная двухзазорная резонансная система, такая же по конструкции, но меньшего размера, настроенная на одну из частот высших гармоник основного сигнала. Таким образом, в данной конструкции секторного клистрона может быть осуществлен режим несинусоидальной скоростной модуляции на кратных частотах, соответствующих основному (π-вид) и первому высшему (2π-вид) колебаниям.
Недостатками данного клистрона являются отсутствие суммирующего резонатора, из-за чего возбуждение входного резонатора требует применения либо несимметричного ввода энергии, либо количества вводов, равного количеству секторов. Встроенная дополнительная двухзазорная система, предназначенная для повышения КПД (режим несинусоидальной скоростной модуляции), значительно усложняет и удорожает конструкцию прибора.
К недостаткам следует также отнести трудность изготовления резонаторов, настроенных на разные частоты, низкую стабильность устройства (появление паразитных видов колебаний) при работе в широкой полосе частот.
Задачей настоящего изобретения является упрощение системы ввода и вывода СВЧ-энергии, расширение полосы пропускания клистрона, а также упрощение изготовления настроенных на разные частоты активных резонаторов, конструкция которых позволяет достигать кратности двум отношения частот первого высшего синфазного вида колебаний к основному противофазному и, таким образом, осуществить режим несинусоидальной скоростной модуляции на кратных частотах без применения дополнительной резонансной системы.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном многолучевом клистроне, содержащем ввод и вывод энергии, а также входную, промежуточные и выходную пространственно-развитые резонансные системы, каждая из которых состоит, по крайней мере, из двух идентичных активных секторных двухзазорных резонаторов, образованных внешними и внутренними цилиндрическими стенками пространственно-развитых резонансных систем и равномерно расположенными в виде веера в радиальном направлении вокруг оси симметрии клистрона перегородками с отверстиями для электромагнитной связи между активными секторными резонаторами, при этом в продольном направлении активные резонаторы ограничены боковыми крышками с трубками дрейфа для прохода электронных пучков, каждый активный секторный резонатор имеет одинаково удаленные от оси клистрона пролетные трубки, закрепленные на центральных проводниках активных секторных двухзазорных резонаторов, согласно предлагаемому техническому решению центральные проводники закреплены на П-образном пьедестале, расположенном на внутренней цилиндрической стенке активного секторного резонатора и имеющем непосредственный контакт с двумя боковыми крышками.
Изменением высоты пьедестала можно легко обеспечить различие по резонансным частотам, а также добиться кратности двум отношения частот первого высшего синфазного вида колебаний к основному противофазному виду колебаний, что особенно удобно для широкополосных приборов многорезонаторной конструкции, приборов с различным значением резонансных частот резонаторов, а также для приборов, настроенных одновременно на частоты основной и высшей гармоники.
Упрощение системы ввода и вывода сигнала достигается тем, что в широкополосном многолучевом клистроне внутри каждой пространственно-развитой резонансной системы расположен пассивный суммирующий коаксиальный резонатор, связанный с каждым активным секторным двухзазорным резонатором посредством металлических штырей, проходящих через отверстия, выполненные во внутренней стенке этих резонаторов и расположенных на одной оси с центральными проводниками. Штыри закреплены в середине прямоугольного паза, выполненного в нижней части пьедестала.
В свою очередь для расширения полосы пропускания, по крайней мере входной и выходной пассивные суммирующие резонаторы могут быть связаны с дополнительными пассивными резонаторами, оканчивающимися соответственно вводом и выводом энергии. При этом ввод и вывод энергии могут быть расположены на оси прибора.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен схематический чертеж шестилучевого варианта широкополосного клистрона, на фиг.2 - поперечное сечение входной пространственно-развитой резонансной системы, на фиг.3 представлен график зависимости отношения частоты первого высшего синфазного вида колебаний к частоте основного противофазного вида колебания в зависимости от относительной высоты пьедестала.
Широкополосный многолучевой клистрон содержит ввод 1 и вывод 2 СВЧ-энергии, а также входную 3, промежуточные 4 и выходную 5 пространственно-развитые резонансные системы. Каждая пространственно-развитая резонансная система состоит из шести идентичных активных (предназначенных для взаимодействия с отдельным пучком) секторных двухзазорных резонаторов, образованных внешними 6 и внутренними 7 цилиндрическими стенками и равномерно расположенными в виде веера в радиальном направлении вокруг оси симметрии клистрона 8 перегородками 9 с отверстиями 10 для электромагнитной связи между этими резонаторами. В продольном направлении активные секторные резонаторы ограничены боковыми крышками 11 с трубками дрейфа 12 для прохода электронных пучков к коллектору 13. Каждый активный секторный резонатор имеет одинаково удаленные от оси прибора пролетные трубки 14, закрепленные на центральных проводниках 15, при этом оси трубок дрейфа и пролетных трубок находятся на одной прямой. Центральные проводники установлены на пьедестале 16, выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда, две противоположные боковые грани которого имеют непосредственный контакт с двумя боковыми крышками и параллельны им. В нижней части параллелепипеда выполнен равноудаленный от боковых крышек прямоугольный паз 17, пронизывающий насквозь пьедестал в поперечном относительно оси прибора направлении таким образом, что в продольном сечении пьедестал имеет П-образную форму. При этом пьедестал установлен на внутренней цилиндрической стенке активного секторного резонатора в середине между перегородками.
Внутри каждой пространственно-развитой резонансной системы размещен пассивный суммирующий коаксиальный резонатор 18, связанный с активными секторными резонаторами посредством металлических штырей 19, проходящих через отверстия 20, выполненные во внутренней стенке этих резонаторов, причем металлические штыри закреплены в середине прямоугольного паза и расположены на одной оси с центральными проводниками. Металлические проводники могут быть непосредственно соединены с внутренним проводником 21 пассивного суммирующего резонатора.
Входной и выходной пассивные суммирующие резонаторы связаны с одним или несколькими дополнительными последовательно соединенными пассивными резонаторами 22 с помощью щелей связи 23 в общих торцевых стенках и оканчиваются соответственно коаксиальными вводом и выводом энергии, расположенными на оси прибора.
Широкополосный многолучевой клистрон работает следующим образом.
Усиливаемый сигнал через ввод СВЧ-энергии 1 поступает в пассивный суммирующий резонатор 17 входной пространственно-развитой резонансной системы 3, откуда через отверстие 19 и прямоугольный паз 20 сигнал поступает в активные секторные двухзазорные резонаторы входной пространственно-развитой резонансной системы, где модулирует по скорости электронные потоки, сформированные катодной системой.
Образовавшиеся за время пролета электронные сгустки уплотняются системой с распределенным взаимодействием, образованной промежуточными пространственно-развитыми резонансными системами 4. При этом секторные резонаторы разных пространственно-развитых резонансных систем могут быть настроены на различные частоты изменением высоты пьедестала 16.
Уплотненные сгустки электронов отдают свою энергию в секторных двухзазорных резонаторах выходной пространственно-развитой резонансной системы 5, откуда усиленный сигнал через отверстие 19 и прямоугольный паз 20 передается в суммирующий пассивный резонатор выходной пространственно-развитой резонансной системы 5 и далее в вывод СВЧ-энергии 2.
Неиспользованная часть энергии потока рассеивается на коллекторе 13.
Таким образом, использование активных секторных двухзазорных резонаторов с пьедесталом за счет изменения его высоты позволяет изготовить настроенные на разные частоты активные секторные резонаторы не отличающиеся друг от друга другими размерами или параметрами. При этом подбором высоты пьедестала можно добиться кратности отношения частот первого высшего и основного видов колебаний (фиг.3), что дает возможность при работе в несинусоидальном режиме не использовать дополнительную двухзазорную резонансную систему, что упрощает конструкцию прибора и снижает его стоимость.
Введение пассивных суммирующих коаксиальных резонаторов дает возможность стабилизировать частоты всех резонаторов и, тем самым, устранить влияние неточности изготовления отдельных активных секторных резонаторов. Наличие расположенных на одной оси коаксиальных ввода вывода энергии позволяет осуществить высокоэффективный отбор СВЧ-энергии.
Так как входной и выходной пассивные суммирующие резонаторы связаны с одним или несколькими дополнительными последовательно соединенными пассивными резонаторами, которые имеют элементы связи в общих торцевых стенках, то можно за счет образования единой фильтровой системы (активные секторные двухзазорные резонаторы - пассивный суммирующий резонатор и дополнительные пассивные резонаторы) существенно (в 2-3 раза) расширить полосу пропускания этих резонаторов, а следовательно и всего прибора, по сравнению с прототипом.
Непосредственное соединение металлических штырей во входной и выходной пространственно-развитых резонаторных системах позволяет получить низкую нагруженную добротность этих систем, что приводит к повышению контурного КПД.