Широкополосный клистрон
BROADBAND KLYSTRON

Настоящее изобретение относится к области электронной техники, в частности области усилительных широкополосных клистронов, использующих во входной и выходной цепи фильтровые системы (ФС).
Принцип действия клистронов основан на использовании объемных резонаторов, связанных непосредственно с одно- или многолучевым электронным потоком, проходящим через зазоры взаимодействия резонаторов. В зазорах резонаторов сосредоточена электрическая компонента СВЧ поля. Под воздействием этого поля происходит модуляция электронного потока по скорости, переходящая, в процессе движения электронов в пространстве взаимодействия, в модуляцию по плотности, а также отбор энергии у модулированного электронного потока в выходном резонаторе. Использование резонаторов на частоте, близкой к резонансной, обеспечивает высокий уровень амплитуды СВЧ поля в зазорах взаимодействия резонаторов. Поэтому клистроны обеспечивают высокий уровень усиления СВЧ сигнала при относительно малой длине пространства взаимодействия, что обуславливает хорошие массо-габаритные характеристики этого вида электронно-вакуумных приборов. Однако, принципиальным недостатком резонаторов является значительная неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), имеющей вид резонансной, «Гауссовой» кривой. Поэтому, первое время клистроны использовались только как узкополосные усилители.
К настоящему времени, найден целый ряд конструктивных решений, позволивших существенно, до 10-20%, увеличить полосу усиления клистронов [1]. Сюда надо отнести применение многозазорных активных резонаторов, использование многолучевой электронной оптики и ряда других конструктивных решений. Однако, одним из первых найденных конструктивных решений явилось применение фильтровых систем (ФС) во входной и выходной цепях клистрона, позволяющих существенно увеличить равномерность АЧХ входного и выходного резонаторов клистрона по сравнению с обычной резонансной характеристикой.
В патенте [2] (аналог), на фиг. 3 и фиг. 4 представлена конструкция двухзвенной выходной ФС, состоящей из активного тороидального выходного резонатора и, пассивного, не связанного с электронным лучом резонатора. Следует отметить, что пассивный резонатор расположен в выходном волноводе и находится в одной плоскости с активным резонатором, то есть боковые и торцевые стенки активного и пассивного резонаторов параллельны. Пассивный резонатор (ПР), также как и активный, имеет с двух сторон емкостные выступы, не образующие зазор взаимодействия, но необходимые для уменьшения его длины в волноводе, а также обеспечивающие возможность настройки его на заданную частоту. Активный и пассивный резонаторы соединены щелью связи. ПР, также через щель связи соединен с выходным выводом энергии.
На фиг. 2 патента [2] представлены зависимости выходной мощности клистрона с одиночным выходным резонатором и двухзвенной фильтровой системой на выходе. Как видно из этого рисунка, двухзвенная фильтровая система имеет двугорбую АЧХ. Из рисунка следует, что при одинаковой минимальной величине КПД, рабочая полоса частот клистрона с выходной ФС вдвое больше, чем у клистрона с одиночным выходным резонатором.
В настоящее время ФС нашли широкое применение в широкополосных клистронах. В зависимости от требуемой полосы частот используются не только двух-, но трехзвенные и четырехзвенные ФС. Зачастую, применение ФС совмещается с использованием многозазорных активных резонаторов.
В патенте [3], рассмотрена конструкция трехзвенной ФС, включающей трехзазорный активный резонатор. К недостаткам представленной в этом патенте ФС следует отнести большую длину выходного волновода, в котором располагаются два пассивных резонатора, расположенных в одной плоскости с активным резонатором. Такая конструкция резко увеличивает габариты клистрона, что зачастую неприемлемо, особенно при бортовом исполнении аппаратуры.
Следует отметить, что ФС, установленные во входной цепи клистрона, также нашли широкое применение [4], [5]. Как следует из патентов [4] и [5], конструкции ФС, установленных во входной цепи клистронов аналогичны конструкциям выходных ФС. Входные ФС не расширяют полосу рабочих частот клистрона непосредственно и не увеличивают КПД клистрона. Однако выравнивание АЧХ входной цепи клистрона существенно упрощает возможность выравнивания величины коэффициента усиления клистрона в рабочей полосе частот. Выравнивание коэффициента усиления в рабочей полосе клистрона является важной для многих применений задачей, поскольку обеспечивает возможность мгновенной, в том числе и внутриимпульсной перестройки частоты, возможность усиления сверхкоротких импульсов СВЧ сигнала и т.д.
К недостаткам входных ФС, рассмотренных в патентах [4] и [5], следует отнести то, что они полностью идентичны выходным ФС клистронов, то есть в предлагаемых конструкциях используются пассивные резонаторы, установленные параллельно активному резонатору, как и в патентах [2] и [3], а также волноводные вводы энергии. Между тем, уровень входного сигнала клистрона существенно ниже уровня выходного сигнала и на входе могут быть использованы значительно более компактные коаксиальные вводы энергии.
Конструкция малогабаритной ФС, соединенной с коаксиальным трактом рассмотрена в патенте [6]. В этой конструкции входной тороидальный резонатор находится внутри дополнительного цилиндрического корпуса. Кольцевая область вокруг активного резонатора частично закорочена со стенкой активного резонатора, а частично соединена с активным резонатором щелью связи и образует область ПР. Внешний проводник коаксиального тракта соединен с дополнительным внешним корпусом, а внутренний - со стенкой активного резонатора. В коаксиальном тракте установлен закорачивающий стержень, образующий элемент связи ПР с выходным коаксиальным трактом. Такая конструкция имеет два существенных недостатка, а именно:
- участок коаксиального тракта до закорачивающего стержня является областью ПР и имеет относительно большую протяженность, зависящую от длины волны СВЧ сигнала, что увеличивает длину коаксиального тракта а следовательно и габариты клистрона;
- в такой конструкции ФС трудно регулировать связь ПР с коаксиальным вводом энергии, что необходимо для эффективной настройки ФС.
В патенте [7], прототип, рассмотрена конструкция клистрона с входной и выходной двухзвенными ФС. Каждая из ФС представляет собой активный резонатор с емкостными выступами, образующими зазор взаимодействия, и связанный с ним пассивный резонатор с емкостными выступами. Активный и пассивный резонаторы расположены в одной плоскости.
Пассивный резонатор связан с коаксиальным вводом энергии индуктивной петлей связи. Петля связи представляет собой внутренний проводник коаксиального тракта, свернутый в петлю, введенную в индуктивную область резонатора, и закороченный на внешний проводник коаксиала или на корпус резонатора. Плоскость петли связи перпендикулярна направлению силовых линий магнитной составляющей СВЧ поля резонатора. При повороте петли вокруг оси внешнего и внутреннего проводников коаксиального тракта изменяется коэффициент связи ПР с трактом, практически без изменения частоты пассивного резонатора. Надо отметить, что настройка ФС требует отдельной настройки резонансных частот активного и пассивных резонаторов, а также коэффициентов связи между этими резонаторами и связи пассивного резонатора с трактом ввода или вывода энергии. Возможность регулировки коэффициента связи ПР с вводом энергии, без изменения частоты ПР, которую обеспечивает индуктивная петля связи, существенно упрощает задачу настройки ФС.
Однако такая конструкция имеет два существенных недостатка:
- при расположении активного и пассивного резонаторов в одной плоскости увеличиваются длины входной и выходной ФС с коаксиальным вводом (выводом) энергии, что увеличивает габариты клистрона;
- при необходимости обеспечения широкой полосы частот, размеры петли связи должны быть близкими к сечению индуктивной области резонатора, что снижает виброустойчивость конструкции клистрона.
Оба этих недостатка исключают возможность применения таких клистронов в ряде областей, например, в бортовой аппаратуре.
Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются:
- обеспечение минимальных габаритов клистрона в части длин входной и/или выходной ФС, связанных с коаксиальным вводом и/или выводом энергии;
- обеспечение высокой виброустойчивости клистрона с ФС предлагаемой конструкции;
- обеспечение максимального удобства настройки фильтровой системы, в частности, обеспечение возможности настройки коэффициента связи пассивного резонатора с входным и/или выходным трактом без изменения его резонансной частоты.
Эти задачи решаются следующим образом. В широкополосном клистроне содержатся входная и/или выходная фильтровые системы, каждая из которых включает активный и один или несколько пассивных резонаторов, имеющих емкостные выступы. Один из пассивных резонаторов входной и/или выходной фильтровой системы связан с коаксиальным вводом и/или выводом энергии, соответственно. При этом пассивный резонатор, связанный емкостной связью с коаксиальным вводом или выводом энергии, расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения остальных резонаторов фильтровой системы, а емкостная связь образована между наконечником внутреннего проводника коаксиального ввода или вывода и емкостным выступом этого резонатора.
Емкостной выступ пассивного резонатора может быть выполнен в виде половины цилиндра, разрезанного вдоль оси.
Ось внутреннего проводника коаксиального ввода и/или вывода может совпадать с осью емкостного выступа пассивного резонатора, а внутренний проводник может иметь наконечник в виде пластины, параллельной торцевой поверхности емкостного выступа и имеющей форму сектора круга с радиусом, близким по величине радиусу емкостного выступа.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:
1. Возможность уменьшения длины входной и/или выходной фильтровой системы, связанных с коаксиальными вводом и/или выводом энергии клистрона, примерно на длину пассивного резонатора, то есть уменьшение габаритов клистрона.
2. Повышение виброустойчивости элемента связи пассивного резонатора фильтровой системы с коаксиальным вводом и (или) выводом энергии.
3. Обеспечение возможности настройки коэффициента связи пассивного резонатора фильтровой системы с коаксиальным вводом и (или) выводом энергии без изменения частоты резонатора, то есть упрощение технологии настройки фильтровой системы.
На фиг. 1 изображен резонаторный блок клистрона с фильтровой системой.
На фиг. 2 изображен резонаторный блок клистрона с фильтровой системой и перестраиваемым элементом емкостной связи.
На фиг. 1, 2: 1 - активный резонатор; 2 - емкостные выступы; 3 - зазор взаимодействия СВЧ поля с электронным многолучевым потоком; 4 - щель связи; 5 - пассивный резонатор; 6 - торцевая стенка пассивного резонатора 5; 7 - блок активных резонаторов 1; 8 - емкостной выступ пассивного резонатора 5; 9 - торцевая часть емкостного выступа 8; 10 - торцевая стенка пассивного резонатора 5 с отверстием под коаксиальный ввод (вывод); 11 - коаксиальный ввод (вывод) энергии; 12 - керамическое вакуумное окно; 13 - наконечник внутреннего проводника коаксиального ввода (вывода) 11.
Активный резонатор 1 имеет емкостные выступы 2, образующие зазор взаимодействия 3 СВЧ поля с электронным многолучевым потоком электронов. Активный резонатор 1 соединен щелью связи 4 с пассивным резонатором 5, который расположен перпендикулярно активному резонатору 1, то есть торцевые и боковые стенки активного резонатора 1 перпендикулярны соответствующим стенкам пассивного резонатора 5 и оси их емкостных выступов 2, 8 также перпендикулярны. На торцевой стенке 6 пассивного резонатора 5, прилегающей к блоку 7 активных резонаторов 1, расположен емкостной выступ 8 в виде половины цилиндра, разрезанного вдоль оси, с торцевой частью 9 в виде полукруга. В противоположной стенке 10 пассивного резонатора 5 сделано отверстие, в котором установлен коаксиальный ввод (вывод) энергии 11. Ввод (вывод) 11 представляет собой коаксиальный волновод, который может быть повернут вокруг оси. Между внешним и внутренним проводниками ввода (вывода) расположено керамическое вакуумное окно 12. На внутреннем проводнике коаксиального ввода (вывода) 11 установлен наконечник 13 в виде пластинки, параллельной торцевой части 9 емкостного выступа 8 и имеющей форму сектора круга, по диаметру близкого к диаметру емкостного выступа 8. Более подробно конструкция элемента емкостной связи показано на фиг 2. Элемент емкостной связи состоит из наконечника 13 коаксиала и емкостного выступа 8.
Как видно из фиг. 1, коаксиальный ввод (вывод) энергии 11 в предлагаемой конструкции отделен от активного резонатора 1 не на расстояние, равное длине пассивного резонатора 5, а на расстояние, равное его высоте. Учитывая, что коаксиальные тракты применяются при небольшом уровне пропускаемой по ним мощности СВЧ сигнала, форма пассивного резонатора 5 может быть выбрана такой, чтобы его высота была во много раз меньше длины. Таким образом, длина входного (выходного) тракта в предлагаемой конструкции ФС существенно уменьшается по сравнению с прототипом.
Как видно из фиг. 1, 2, внутренний проводник коаксиального ввода (вывода) 11 с наконечником 13 имеют малые размеры и закреплены непосредственно на керамике вакуумного окна 12. Поэтому при вибрационных нагрузках такой элемент емкостной связи имеет очень высокие резонансные частоты и малые амплитуды колебаний. Виброустойчивость клистронов, использующих такие элементы емкостной связи, существенно выше, чем при использовании индуктивных петель связи, предложенных в прототипе, имеющих существенно большие линейные размеры при том же коэффициенте связи пассивного резонатора с коаксиальным трактом.
Как видно из фиг. 2, оси внутреннего проводника ввода (вывода) энергии 11 и емкостного выступа 8 пассивного резонатора 5 совпадают. Форма поперечного сечения торцевой части 9 емкостного выступа 8 пассивного резонатора 5, а также форма наконечника 13 внутреннего проводника коаксиального ввода (вывода) энергии 11 обеспечивают возможность изменения величины емкости, а, следовательно, коэффициента связи путем поворота ввода (вывода) энергии 11 вокруг своей оси. При этом, как показывает эксперимент, резонансная частота пассивного резонатора 5 изменяется слабо. Этот эффект объясняется тем, что вносимая емкость элемента емкостной связи и емкость коаксиального тракта, подключенных последовательно, мала по сравнению с собственной емкостью резонатора. Таким образом, элемент емкостной связи предлагаемой конструкции обеспечивает возможность изменения коэффициента связи ПР с коаксиальным вводом (выводом) энергии, практически без изменения частоты, что упрощает технологию настройки фильтровой системы.
Описание работы клистрона
Электронная пушка усилительного клистрона формирует один или несколько электронных лучей. Фокусировка лучей осуществляется с помощью магнитной или электростатической фокусирующей системы. В области фокусировки электронные лучи проходят через объемные резонаторы клистрона. Электрическая составляющая СВЧ поля в резонаторах сосредоточена в зазорах взаимодействия, причем направление силовых линий параллельно осям пролетных каналов, по которым движутся электроны.
Входной СВЧ сигнал, через входной коаксиальный тракт и коаксиальный ввод энергии 11 попадает во входную фильтровую систему и первый активный резонатор 1. При этом, СВЧ поле, воздействуя на электроны, проходящие через зазор взаимодействия 3 этого резонатора 1, модулирует электронные потоки по скорости. Входная фильтровая система выравнивает условия скоростной модуляции электронного потока для всего рабочего частотного диапазона, что существенно упрощает задачу выравнивания коэффициента усиления клистрона во всем диапазоне частот.
При дальнейшем движении электронов через блок активных резонаторов 7 модуляция электронов по скорости преобразуется в модуляцию по плотности. Сгруппированный по плотности электронный поток попадает в зазор взаимодействия 3 выходного активного резонатора 1 и возбуждает в нем мощное электрическое СВЧ поле, близкое по амплитуде ускоряющему полю электронной пушки. Выходной резонатор настроен таким образом, что это СВЧ поле тормозит сгруппированные электронные сгустки, то есть отбирает у них энергию. Если в выходной цепи клистрона установлена фильтровая система, рабочий диапазон частот клистрона может быть расширен в два и более раз при той же минимальной величине КПД в рабочем диапазоне.
Усиленный СВЧ сигнал через вывод энергии поступает из выходного резонатора в нагрузку. Отработавший электронный поток поступает в коллектор.
Литература
1. Хайков А.З. Клистронные усилители - М.: Сов. Радио, 1972.
2. GB 906207 A
3. CN 102737929
4. RU 2645298
5. RU 2714508
6. SU 947928
7. GB 804463 A.