КЛИСТРОН

Полезная модель относится к области электровакуумных приборов СВЧ, в частности, к 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 клистрон средней мощности (патент РФ № 2075131, кл. МПК H01J25/10, опубликован 10.03.1997г.), содержащий многолучевую электронную пущку, коллектор электронов, ввод и вывод энергии, входной, выходной и промежуточные однозазорные кольцевые резонаторы. Резонаторы выполнены в виде свернутых в кольцо отрезков Побразного волновода. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Нюо- В волноводах резонаторов пространство между противолежащими стенками в виде прямоугольного выступа и плоскости 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 ввод/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 больщую выходную СВЧ мощность (выше одного киловатта) и большой коэффициент усиления (выше 35 дБ) при работе в непрерьгоном и квазиимпульсном режиме с низким (не выше пяти киловольт) ускоряющим напряжением на резонаторах.
Известен также клистрон средней мощности (патент РФ № 2125319, кл. МПК H01J25/10, опубликован 20.01.1999 г.), содержащий многолучевую электронную пушку, коллектор электронов, ввод и вывод энергии, входной, выходной и промежуточные двухзазорные линейные резонаторы, выполненные в виде закороченных на концах отрезков коаксиального волновода. Размеры резонаторов обеспечивают в диапазоне рабочих частот
2ШШ07249
NH01J25/10
КЛИСТРОН
возбуждение стоячей волны типа Нои- 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 Л, где Л- длина волны в волноводе.
Однако данная конструкпия 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 клистрон (патент США № 3248597, класс НКИ 315-5.16, опубликован 26.04.1966 г.), содержащий несколько электронных пушек и соответствующее им число коллекторов электронов, ввод и вывод СВЧ энергии, входной, выходной и промежуточные однозазорные линейные резонаторы, выполненные в виде закороченных на концах волноводов. Размеры резонаторов обеснечивают в диапазоне рабочих частот возбуждение стоячей волны типа Нюп- Вдоль волноводов в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ поля расположены СВЧзазоры. Полюсные наконечники СВЧ-зазоров выполнены в виде трубообразных штырей, образующих, одновременно, пролетные каналы и отражающие электродинамические элементы типа емкостной диафрагмы. Оси пролетных каналов в СВЧ-зазорах перпендикулярны осям волноводов резонаторов. Между СВЧ-зазорами в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ поля расположены стержни, образующие отражающие электродинамические элементы тина индуктивной диафрагмы.
Данная конструкция клистрона пригодна для применения в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. При этом суммарный ток многолучевого электронного нотока может бьггь существенно выше 0.5 А за счет использования большого числа электронных пущек. Поэтому этот клистрон позволяет реализовать большие величины выходной СВЧ мощности (выше одного киловатта) в этом диапазоне длин волн. Однако при низком ускоряющем напряжении на резонаторах (в несколько единиц киловольт) и небольшой плотности тока в электронных пучках (не выше 10 А/см) электронный коэффициент полезного действия в нем не превышает 10-15 %, а коэффициент усиления - 10-15 дБ, потому что наличие во входном, выходном и промежуточных резонаторах в направлении движения электронов только одного СВЧ зазора не обеспечивает требуемую эффективность взаимодействия электронных лучей с СВЧ полем. Кроме этого, при большой выходной СВЧ мощности клистрон может работать в требуемом диапазоне длин волн только в импульсном режиме, потому что при работе в непрерывном и квазиимпульсном режимах происходит разрушение вакуумно-плотных диэлектрических окон в известных конструкциях выводов СВЧ энергии.
Полезная модель направлена на решение задачи создания клистрона средней мощности, работающего в непрерывном и квазиимпульсном режимах в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, обладающего высоким электронным коэффициентом полезного действия, больщим коэффициентом усиления и щирокой полосой усиливаемых частот.
Для решения поставленной задачи в клистроне, содержащем несколько электронных пушек, коллектора электронов, ввод и вывод СВЧ энергии, входной, выходной и промежуточные резонаторы в виде прямоугольных волноводов, СВЧ-зазоры с пролетными каналами, расположенными в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ поля так, чтобы их оси были перпендикулярны осям волноводов резонаторов, отражающие электродинамические элементы, расположенные между СВЧзазорами в области максимума поперечной составляющей магнитного СВЧ поля, согласно предлагаемой полезной модели, СВЧ-зазоры выполнены в виде многорядных структур ленточных проводников, расположенных перпендикулярно осям волноводов резонаторов и осям пролетных каналов, вывод СВЧ энергии размещен в дополнительно введенном в клистрон резонаторе в виде прямоугольного волновода, который дискретно связан с волноводом выходного резонатора в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ поля через волноводные шлейфы в виде прямоугольного волновода, содержащие вакуумно-плотные диэлектрические окна и резонансные диафрагмы, причем отражающие электродинамические элементы выполнены в виде отрезков прямоугольного волновода, у которого узкая стенка не менее чем в два раза меньше узкой стенки волноводов входного, промежуточного и выходного резонаторов.
Многорядные структуры из ленточных проводников, размещенные в волноводах резонаторов в области максимумов поперечной составляющей электрического СВЧ поля, образуют несколько СВЧ-зазоров в направлении движения электронов. Это позволяет создать в резонаторах несколько многозазорных пространств, в которых реализуется 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 многозазорном пространстве, а в выходном резонаторе интенсивность обмена энергией между СВЧ полем и образующимися сгустками электронов, опре1
i(wm) деляющая величину электронного коэффициента полезного действия, будет пропорциональна Q и Р в многозазорных пространствах этого резонатора. Для того, чтобы во входном и промежуточном резонаторах интенсивная модуляция пучков по скорости обеспечивалась на длине волны Я входного сигнала и ускоряющем напряжении V, длина периода L между ленточными проводниками в многорядных структурах должна задаваться выражением Z,« Я(л/Г/505|(1 + /)/Р, соответствующем выполнению в СВЧ-зазорах условия пространственно-фазового синхронизма между СВЧ полем и формирующимися сгустками электронов. В выходном резонаторе, д.11Я обеспечения высокого электронного коэффициента полезного действия, с помощью данного вьфажения определяется длина первого периода многорядных структур, 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 синхронизацию фазы СВЧ полей в СВЧ-зазорах многорядных структур. Размещение вывода СВЧ энергии в дополнительно введенном резонаторе, волновод которого дискретно связан с волноводом выходного резонатора в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ поля через волноводные шлейфы, содержащие вакуумно-плотные диэлектрические окна, позволяет уменьшить долю выходной СВЧ энергии, проходящей через каждое вакуумно-плотное диэлектрическое окно, пропорционально числу Л шлейфов. Наличие в волноводных шлейфах резонансных диафрагм позволяет обеспечить требуемую величину добротности выходного резонатора. При заданных величинах модуляции электронных пучков по скорости во входном и промежуточном резонаторах и энергообмена в выходном резонаторе, пропорциональных добротности Q резонаторов и числу СВЧ-зазоров Р в многорядных структурах, величины Q можно уменьшить за счет увеличения Р и тем самым увеличить полосу пропускания резонаторов и, следовательно, увеличить полосу усиливаемых частот. Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен вид клистрона спереди, на фиг. 2 - вид сбоку, на фиг. 3 - вид сверху, на фиг. 4 - вид многорядной структуры, на фиг. 5 - вид ленточного проводника многорядной структуры с пролетными каналами. На данных фигурах введены обозначения: - электронные пушки,
4- выходной резонатор,
5- дополнительно введенный резонатор,
6- волноводные шлейфы,
7- ввод СВЧ энергии,
8- вывод СВЧ энергии,
9- многорядные структуры во входном резонаторе,
10- многорядные структуры в нромежуточном резонаторе,
11- многорядные структуры в выходном резонаторе,
12- ленточные проводники многорядных структур,
13- пролетные каналы для электронных пучков,
14- отражающие электродинамические элементы,
15- вакуумно-плотные диэлектрические окна,
16- резонансные диафрагмы,
17- коллектора электронов,
18- полюсные наконечники магнитной фокусирующей системы
19- магниты,
20- отражающие электродинамические элементы, имеющие передаточную характеристику, эквивалентную передаточной характеристике многорядных структур (11).
Клистрон состоит из нескольких электронных пушек (1), входного линейного резонатора (2), промежуточного линейного резонатора (3), выходного линейного резонатора (4) и дополнительно введенного линейного резонатора (5), которые выполнены в виде закороченных на концах прямоугольных волноводов. Волноводы выходного резонатора (4) и дополнительного резонатора (5) дискретно связаны между собой в областях максимумов поперечной составляющей магнитного СВЧ поля с помощью нескольких волноводных шлейфов (6). Ввод СВЧ энергии (7) расположен волноводе (2), а вывод СВЧ энергии (8) в волноводе (5). Вдоль волноводов (2), (3) и (4) расположены многорядные структуры (9), (10), (11), образуемые ленточными проводниками (12), в которых имеются отверстия пролетных каналов (13), оси которых перпендикулярны осям волноводов. Ленточные проводники (12) расположены в волноводах (2), (3) и (4) перпендикулярно их осям и осям пролетных каналов (13). В волноводах (2), (3) и (4) между многорядными структурами (9), (10), (11) расположены отражающие электродинамические элементы (14). В волноводных шлейфах (6) расположены вакуумно-плотные диэлектрические окна (15) и резонансные диафрагмы (16). В клистроне также имеются коллектора электронов (17), полюсные наконечники (18) магнитной фокусирующей системы и магниты (19).
в электронных пушках (1) формируются электронные пучки, которые попадают в пролетные каналы (13) многорядных структур (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 ввод СВЧ энергии (7) и возбуждает в нем электромагнитное поле стоячей волны типа Нюп, которое в СВЧ зазорах, образуемых ленточными проводниками (12) многорядных структур (9), модулирует электронные пучки по скорости. Интенсивность модуляции по скорости будет пропорциональна (Qex ), где Qex  Рвх - добротность и число СВЧзазоров в многорядных структурах резонатора (2) соответственно. После прохождения резонатора (2) электронные пучки попадают через пролетные каналы в СВЧ зазоры многорядных структур (10) промежуточного резонатора (3), где происходит их дополнительная модуляция по скорости и группировка в сгустки. В этом случае интенсивность модуляции по скорости будет пропорциональна (Qex Pex}(Qnp Рпр), а модуляция по току - пропорцио 7О
нальна (Qex Рвх }(Qnp Рпр ), где Qnp и Рпр - добротность и число СВЧ-зазоров в многорядных структурах резонатора (3) соответственно. Из резонатора (3) сгустки попадают в СВЧ зазоры многорядных структур (И) выходного резонатора (4). Проходя через СВЧ зазоры, сгустки электронов возбуждают в резонаторе (4) электромагнитное поле с интенсивностью, пропорциональной (Qebix Рвых), где Qeux и Рвых - добротность и число СВЧ-зазоров в многорядных структурах резонатора (4) соответственно. Поэтому результирующий коэффициент усиления клистрона будет пропорционален (Qex Qnp Овых)(Рвж Рпр Рвых)- Таким образом, коэффициент усиления в клистроне с многозазорньши линейными резонаторами будет при числе СВЧ-зазоров Рвх , Рпр и Рвых 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 (Рвх  Рпр  Рвьа 0 коэффициент усиления пропорционален (Qex Qnp Qebo)- Пролетая через СВЧ-зазоры многорядных структур выходного резонатора (4) сгустки электронов, отдавая СВЧ полю свою кинетическую энергию, постепенно тормозятся. Поэтому для обеспечения высокого электронного коэффициента полезного действия необходимо расстояния между ленточными проводниками (12) в многорядных структурах (11) уменьшать по закону, обеспечиваюшему 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 волноводные шлейфы (6), в которых расположены резонансные диафрагмы (16) и вакуумно-плотные диэлектрические окна (15), в волновод дополнительного резонатора (5), из которого
марная энергия СВЧ поля через вывод СВЧ энергии (8) поступает по волноводному тракту в нагрузку. Отработавшие сгустки электронов попадают в коллекторы (17).
В клистроне входной (2), промежуточный (3), выходной (4) и дополнительный (5) 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 Нюп- Для этого размер широкой стенки а этих волноводов должен быть больше половины длины волны Я входного СВЧ сигнала, находяшейся в пределах резонансной полосы пропускания резонаторов (2), (3), (4) и (5), а размер их узкой стенки Ъ должен быть равен или быть меньше а. Ширина д ленточных проводников (12) в многорядньрс структурах (9), (10), (11) должна быть меньше 0,5 Л, а диаметр области, в пределах которой расположены отверстия пролетных каналов, должна не превышать 0.25Л, где Л  .25(Я/а) - длина волны в волноводе. Период L
А+ d многорядных структур (9), 10), (11) должен быть равен или быть меньше b IP, где Ртребуемое число СВЧ зазоров в многорядной структуре, d - толшина ленточных проводников, А - длина СВЧ зазора. Причем должно выполняться условие .QQ входном (2) и промежуточном (3) резонаторах при заданных величинах длины волны Я входного сигнала и ускоряющего напряжения V на резонаторах величина Z,,pc в многорядных структурах
(9), (10) определяется из выражения /l(/V/505( +Р)/Р. В многорядных структурах
(И) выходного резонатора (4) с помощью данного выражения определяется L первого СВЧ зазора. Для последующих СВЧ зазоров L должен уменьшаться по определенному закону, например, линейному. Фазовый сдвиг поперечной составляющей электрического поля в СВЧ зазорах смежных многорядных структур должен быть равен (2k+l), поэтому многорядные структуры должны быть расположены вдоль волноводов резонаторов с периодом L « (А: + 0.5)Л , 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 LO 0.5 Л и поперечные размеры а и Ьо 0.56.
Ввод энергии (7) может быть выполнен в виде Т- образного волноводного сочленения, в котором расположены вакуумно-плотное диэлектрическое окно (15), выполненное в виде полуволнового диэлектрического резонатора цилиндрической формы, и резонансная диафрагма (16). Ввод энергии (7) целесообразно располагать посередине волновода вход тщ
ного резонатора (2) на его широкой стенке. В этом случае число Л  многорядных структур (9), (10), (11) в волноводах резонаторов (2), (3) и (4) должно быть четное.
Волновод резонатора (5) имеет длину и нонеречные размеры такие же, как у волновода резонатора (4), но в нем вместо многорядных структур (11) раснолагаются отражающие электродинамические элементы (20), выполненные в виде отрезков прямоугольного волновода. Длина и нонеречные размеры этих отрезков волновода выбираются такими, чтобы их передаточная характеристика была эквивалентна передаточной характеристике многорядных структур (11).
Волноводные шлейфы (6) вынолнены в виде отрезков прямоугольного волновода, имеюпдих длину/,„, «(2/и + 1)Л/4 и поперечные размеры а и Ьш Q.5b, где m  1, 2, 3 онределяется размерами коллекторов (17) и полюсных наконечников (18). Концы волноводов (6) располагаются на широких стенках волноводов резонаторов (4) и (5). Вакуумноплотное окно (15) могут быть выполнены в виде полуволнового диэлектрического резонатора цилиндрической формы.
Вывод СВЧ энергии (8) может быть выполнен в виде Т- образного волноводного сочленения, который целесообразно располагать в середине волновода резонатора (5) на его широкой стенке, противолежашей стенке, на которой располагаются волноводные шлейфами (6).
ющ