Устройство настройки собственной добротности объемных резонаторов ЭВП
DEVICE FOR TUNING PROPER Q-FACTOR OF VOLUMETRIC RESONATORS OF VTD

Настоящее изобретение относится к области электронной техники, в частности, области электронно-вакуумных приборов (ЭВП) СВЧ диапазона, использующих объемные резонаторы. Авторами изобретения, предлагаемое техническое решение внедрено при разработке малогабаритного многолучевого широкополосного усилительного клистрона.
Необходимость обеспечения заданного уровня собственных потерь объемных резонаторов возникает в различных электровакуумных приборах (ЭВП), но особенно часто, эта задача актуальна в клистронах. Это связано с тем, что, помимо входного и выходного резонаторов, связанных со входным и выходным трактами, в усилительных клистронах используются, как дополнительные каскады усиления, промежуточные резонаторы, не связанные с внешней нагрузкой [1]. Эти резонаторы выполнены из металла с высокой проводимостью, обычно меди, и имеют высокую собственную добротность, составляющую, в зависимости от рабочего диапазона и конструкции резонаторов, от 700 до 10000. В широкополосных усилительных клистронах высокая добротность промежуточных резонаторов приводит к большой неравномерности коэффициента усиления прибора в зависимости от рабочей частоты, что недопустимо для целого ряда применений клистронов, в частности использования в радиолокаторах, особенно в радиолокаторах с внутриимпульсной модуляцией частоты зондирующего сигнала.
Необходимость введения устройств, увеличивающих потери СВЧ полей в объемных резонаторах связана и с целым рядом других задач, в частности подавления самовозбуждения клистронов на паразитных видах колебаний резонаторов, снижения уровня гармоник и внеполосных излучений в спектре выходного сигнала и т.д. Для таких целей разработаны поглотительные устройства, работающие в определенной полосе частот, так называемые частотно селективные нагрузки [2], или устройства, воздействующие только на определенные виды колебаний резонатора, называемые пространственно -селективными нагрузками, например [3].
Таким образом, в настоящее время, разработано множество устройств, обеспечивающих снижение собственной добротности резонаторов. По принципу действия их можно разделить на три разновидности: поверхностные поглотители, устройства с подключением к резонатору внешней нагрузки, - объемные поглотители.
Поверхностные поглотители увеличивают потери СВЧ поля в резонаторах за счет снижения проводимости стенок резонаторов. Для этого используются специальные составы, наносимые на определенные части поверхности стенок, например, широко используемое покрытие «альсифер» [4]. В высокочастотных диапазонах, например, миллиметровом, где толщина проводящего «скин» слоя мала; применяются покрытия стенок резонаторов металлом, имеющим низкую, по сравнению с медью, проводимость, например, никелем, который наносится гальваническим методом. Известны конструкции, в которых часть стенок резонаторов выполнена из материала с низкой проводимостью, спаянного с медным корпусом [5].
Поверхностные поглотители широко применяются в вакуумной технике, поскольку имеют серьезные преимущества, а именно: легко охлаждаются и не ухудшают массо-габаритные характеристики приборов. Однако они имеют и серьезные недостатки. При использовании таких поглотителей трудно регулировать и изменять величину нагруженной добротности резонаторов. Между тем, в процессе пайки резонаторов, припои зачастую растекаются по поверхности и резко изменяют поверхностную проводимость стенок, а, следовательно, и собственную добротность резонаторов.
Достаточно широко распространены и методы подключения внешних нагрузок, в частности, [6], где резонаторы, через вакуумно-плотные окна связи соединены с внешними аттенюаторами. Известны также и конструкции клистронов с резонаторами, соединенными вакуумно-плотными щелями связи с водяными каналами охлаждения [7]. В этом случае, поглотителем СВЧ поля является вода. Подобные методы допускают возможность изменения и подстройки величины добротности резонатора. Однако они имеют и очевидные недостатки, связанные с усложнением конструкции прибора и ухудшением массо-габаритных характеристик.
Третья разновидность поглотительных устройств связана с применением объемных поглотителей СВЧ поля. Это материалы с высоким уровнем диэлектрических потерь, например, карбидо-кремниевая керамика SIC, [8], графит [9], или поглотительная керамика КТ-30 [10]. Подобные материалы широко используются во многих СВЧ приборах, в частности ЛБВ, магнетронах, клистронах и т.д.
Основным достоинством таких поглотителей является высокая эффективность поглощения СВЧ поля и, главное, возможность изменения и установки необходимой величины собственной добротности резонатора. В частности, в патенте [11], прототип, рассмотрена конструкция резонатора клистрона, в который через отверстие в боковой стенке вставлен диэлектрический стержень из материала, поглощающего СВЧ поле. Ось стержня перпендикулярна оси пролетного канала. При этом изменение величины собственной добротности резонатора производится путем изменения глубины погружения стержня в резонатор.
Такая конструкция достаточно проста, практически не ухудшает габариты клистрона и обеспечивает эффективную настройку клистрона, поскольку установка стержня производится после пайки корпуса клистрона. Недостатком этой конструкции является необходимость подстройки частоты резонатора после настройки добротности, поскольку при изменении заглубления стержня изменяется и частота резонатора. Это усложняет процесс сборки и настройки клистрона, особенно если его конструкция не предполагает специальных устройств подстройки частоты резонаторов. Задачей, на решение которой направлено наше изобретение, является обеспечение возможности изменения и регулировки величины собственной добротности объемного резонатора без изменения его резонансной частоты.
Эта задача решается следующим способом:
В устройстве настройки собственной добротности объемного резонатора ЭВП, состоящем из стержня, выполненного из поглощающей СВЧ поле керамики, установленного в объемный резонатор через отверстие в его боковой стенке так, что ось стержня перпендикулярна оси пролетного канала, этот стержень установлен с возможностью поворота вокруг своей оси, а цилиндрическая поверхность стержня частично покрыта слоем металла толщиной 3-9 микрон.
Часть цилиндрической поверхности стержня, не покрытая слоем металла, может состоять из двух участков, расположенных на противоположных сторонах этой поверхности и вытянутых вдоль всей длины стержня, с шириной каждого из непокрытых участков Δ, выбираемой из условия
Δ=(0.1-0.3)D, где D - диаметр стержня.
В объемном резонаторе могут быть установлены с возможностью поворота вокруг своих осей несколько стержней, оси которых перпендикулярны оси пролетного канала и цилиндрические поверхности которых частично покрыты слоем металла толщиной 3-9 микрон.
Форма участков цилиндрической и торцевой поверхности керамических стержней, не покрытых металлом, может отличаться от описанной в предыдущем абзаце для корректировки пределов изменения собственной добротности резонатора или, например, для придания устройству настройки частотно - селективных свойств.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является возможность настройки величины собственной добротности объемного резонатора без изменения его резонансной частоты. Металлизированные поглотительные стержни могут быть запаяны в переходные втулки и приварены вакуумно-плотным швом к корпусу прибора в установленном, в процессе настройки, положении. При этом заварка стержней производится после пайки резонаторного блока, то есть когда добротность резонатора уже не может измениться в процессе пайки. Следует отметить также, что предложенное устройство не увеличивает габаритов прибора, поскольку целиком находится внутри резонатора.
Изобретение поясняется эскизами. На фиг. 1 и фиг. 2 изображен объемный резонатор 1 клистрона. Через емкостные выступы объемного резонатора 1 проходят пролетные каналы 2. В индуктивной части резонатора 1, где сосредоточена магнитная составляющая СВЧ поля, установлен стержень 3 из поглотительной керамики, в частности из КТ-30, цилиндрическая поверхность которого частично металлизирована и покрыта слоем металла 4 толщиной 3-9 микрон. Эта толщина обусловлена стандартным гальваническим методом покрытия, нанесенного химическим или электрохимическим способом. Не покрыты металлом два узких участка 5 цилиндрической поверхности стержня 3. На фиг. 1 участки 5 расположены перпендикулярно направлению магнитных силовых линий, на фиг. 2 - параллельно направлению магнитных силовых линий. Стержень 3 на фиг. 1 представляет собой разомкнутую петлю, плоскость которой перпендикулярна направлению магнитных силовых линий СВЧ поля. Поэтому между верхним и нижним участками 4, покрытыми слоем металла возникает электрическое СВЧ поле, эффективно поглощаемое материалом керамики, из которой сделан стержень 3. При таком положении стержня 3 подавление СВЧ поля максимально, а величина собственной добротности минимальна.
Стержень 3 на фиг. 2 повернут вокруг оси на 90° по сравнению с фиг. 1. В этом случае, плоскость разомкнутой петли параллельна направлению силовых линий магнитного СВЧ поля, и электрическое СВЧ поле между областями металлизированной цилиндрической поверхности мало. В таком положении, подавление СВЧ поля минимально, а собственная добротность резонатора максимальна.
Таким образом, изменение собственной добротности резонатора, от максимальной до минимальной величины, производится за четверть оборота стержня 3, фиг. 1 и фиг. 2.
Выбор ширины Δ непокрытых металлом участков 5 цилиндрической поверхности стержня 3 (Δ=(0.1-0.3)D, где D - диаметр стержня), определяет диапазон изменения значений собственной добротности резонатора примерно от 600 (положение стержня 3 на фиг. 2) до 25 (положение стержня 3 на фиг. 1). Предлагаемое устройство внедрено в конструкцию промежуточных резонаторов малогабаритного многолучевого широкополосного клистрона, трехсантиметрового диапазона длин волн. Однако, предлагаемое устройство настройки собственной добротности объемных резонаторов может быть применено в любых ЭВП, использующих объемные резонаторы, в том числе отражательных клистронах, клистродах, вакуумных триодах, СВЧ компрессорах и так далее.
Литература.
1. Хайков А.З. Клистронные усилители - М.: Сов. радио, 1972.
2. GB 1358489
3. RU 2075131 С1
4. RU 2024100
5. JPS 55137702
6. JPS 51150263
7. JPS 5925148 (А)
8. JPH 0473841(A)
9. GB 606803
10. УДК666.65:669(0433), Объемные поглотители СВЧ энергии в конструкциях современных электровакуумных СВЧ приборов и измерительных устройств, Бухарин Е.Н., Ильина Е.Н.
11. JP 2871272 (В2) (прототип)