ШИРОКОПОЛОСНЫЙ КЛИСТРОН

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к конструкциям мощных широкополосных клистронов.
Они получили широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре тропосферной, радиорелейной, спутниковой и космической связи, а также в бортовых и наземных РЛС (см. Белов Л.А. Усилители радиочастотных сигналов. Электроника: НТБ, 2006, №5, с.46.)
Полоса усиливаемых частот и выходная мощность прибора в значительной мере зависят от конструкции и параметров применяемых резонаторов.
Одним из распространенных путей расширения полосы клистрона является применение во входной и выходной цепях двухзвенных фильтровых резонаторных систем.
Известен патент, в котором предложены полосовые фильтровые системы в виде нескольких взаимосвязанных однозазорного активного и пассивного прямоугольных резонаторов (И.С.Чусовитина / Пролетные клистроны (патенты Великобритании), часть 1, вып, 6 (281), 1971 г., Институт «Электроника», Москва.).
Однако даже при применении таких систем очень сложно получить широкую полосу усиления (более 1,5-2%). Для этого необходимо увеличивать число резонаторов до 7 и проводить сложную настройку прибора. При этом массогабаритные характеристики клистрона ухудшаются, что является существенным недостатком (см. Клистрон И.Г.Артюх, С.А.Абанович. Клистрон. Патент SU №1110334 А, МПК H01J 25/00. Опубл. 16.06.1982 г.).
Известен широкополосный клистрон, содержащий электронную пушку, последовательно и соосно расположенные вдоль продольной оси СВЧ-прибора цилиндрические резонаторы с пролетными трубами, коллектор, ввод и вывод СВЧ-энергии, выполненные в виде отрезков коаксиальных линий передачи и установленные с внешней стороны входного и выходного резонаторов соответственно, а также входной, выходной и промежуточные двухзазорные цилиндрические резонаторы настроенные с противофазным видом колебаний. Цилиндрический двухзазорный выходной резонатор содержит расположенные соосно продольной оси СВЧ-прибора первую и вторую пролетные трубы, прикрепленные к стенкам выходного резонатора, расположенным со стороны группирователя электронных сгустков и со стороны коллектора соответственно, и соосно установленную между первой и второй пролетными трубами и отделенную от них высокочастотными зазорами центральную пролетную трубу, закрепленную в выходном резонаторе с помощью проводящего держателя, расположенного перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора. Выходной резонатор связан с коаксиальной линией передачи вывода СВЧ-энергии с помощью петли связи, причем один конец петли связи соединен с центральным проводником коаксиальной линии передачи вывода СВЧ-энергии, а второй конец петли связи соединен с боковой стенкой выходного резонатора через проводящий держатель, на котором закреплена центральная пролетная труба. (Патент РФ на ИЗ №2194330, H01J 25/10, опубл. 10.12.2002).
Известен СВЧ-прибор клистронного типа, в котором содержатся катод, пролетные трубы (трубы дрейфа) с установленными в них резонаторами с кратными частотами, коллектор и систему основных резонаторов, состоящую из входного резонатора с вводом СВЧ-энергии, промежуточных резонаторов и выходного резонатора с выводом энергии. Данное устройство содержит двухзазорный резонатор с рабочей частотой, соответствующей противофазному виду колебаний и кратной удвоенной частотой, соответствующей синфазному виду. Двухзазорный резонатор выполнен в виде цилиндрической полости, в которой установлена металлическая стенка с пролетным отверстием, боковыми выступами и щелями связи с азимутальным углом раскрыва. (Авторское свидетельство СССР №1658771, H01J 25/10, опубл. 15.06.1992).
Известен СВЧ- прибор клистронного типа, включающий двухзазорный выходной резонатор, который выполнен в виде коаксиального резонатора, продольная ось которого расположена перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора и настроен одновременно на противофазный вид колебаний с рабочей частотой и на синфазный вид колебаний с удвоенной рабочей частотой. Внешний проводник коаксиального резонатора выполнен в виде проводящей трубы прямоугольного или круглого поперечного сечения (Патент РФ на ИЗ №2390870, H01J 25/02, опубл. 27.05.2010).
Недостатком изобретения является небольшое частотное разделение между рабочим и паразитными видами колебаний, что приводит к определенным трудностям в обеспечении стабильной работы устройства в различных режимах. Кроме того, он имеет относительно узкую полосу рабочих частот, т.к. работает в режиме несинусоидальной скоростной модуляции, характерной для приборов с высоким КПД.
Описанные выше клистроны с двухзазорными резонаторами предназначены в основном для работы в длинноволновой части СВЧ диапазона; и при работе их на коротких длинах волн (меньше 10 см) увеличивается вероятность появления паразитных видов колебаний. Кроме того, возникают трудности практической реализации таких резонансных систем в мощных широкополосных клистронах коротковолновой части СВЧ диапазона, что связано с малыми габаритными размерами и плохим отводом тепла от резонансных элементов. При относительно большой средней мощности клистрона резонаторы могут сильно нагреваться как от потерь СВЧ - мощности в резонансных элементах, так и вследствие частичного оседания электронного потока в пролетных трубах.
Это ограничивает выходную мощность таких устройств.
Наиболее близким аналогом является мощный широкополосный клистрон (см. Кацман Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов: Учебник для вузов. Т.2. / Кацман Ю.А. - М.: Высшая школа, 1973. С.186-187), основу резонансной системы которого составляют резонаторы, выполненные в виде овальных цилиндров с пролетными трубами, закрепленными в середине широкой части этих цилиндров с зазорами, в которых происходит взаимодействие электронов с СВЧ полем. В коротковолновой части СВЧ диапазона такие однозазорные резонаторы, выполняются фрезерованием в общем блоке резонансной системы. Конструкция клистрона, выбранного за прототип, позволяет разместить в общем массивном блоке резонансной системы каналы для пропускания охлаждающей жидкости и, тем самым, обеспечить возможность получения большой средней мощности прибора.
0
µ
3/2
Недостатком таких клистронов является невысокое характеристическое сопротивление резонаторов (около 80-70 Ом). Поэтому для получения широкой относительной полосы (Δƒ/ƒ≥2%) в таких клистронов применение электронных пучков с большим микропервеансом . С увеличением первеанса не только падают электронный КПД и выходная мощность прибора, но и затрудняется магнитная фокусировка пучка, что может привести к значительному токооседанию на стенках пролетных труб. Их нагрев может привести к проплавлениям концов пролетных труб и изменениям резонансных частот резонаторов. При умеренных значениях микропервеанса (p≤1.5 мкА/В) обычно требуется использование во входной и выходной цепях многозвенных фильтровых резонаторных систем, состоящих из выходного активного и двух пассивных резонаторов, а также увеличение числа резонаторов в резонансной системе. Все это приводит к возрастанию габаритов и массы клистрона.
µ
3/2
Задача изобретения - разработка конструкции мощного широкополосного клистрона коротковолновой части СВЧ диапазона с уменьшенными габаритами и массой, работающего при умеренных значениях микропервеанса (p≤1.5 мкА/В).
Технический результат - увеличение полосы усиливаемых частот и выходной мощности без ухудшения массогабаритных характеристик клистрона. Увеличение частотного разделения между рабочим и паразитными видами колебаний.
Указанная задача достигается тем, что в мощном широкополосном клистроне, содержащем катод, фокусирующий электрод, анод, коллектор, ввод и вывод энергии, активные резонаторы, выполненные в виде последовательности овальных цилиндров, выполненных в едином прямоугольном блоке резонансной системы, имеющем каналы для пропускания охлаждающей жидкости, продольная ось цилиндров расположена перпендикулярно продольной оси прибора, пролетные трубы, закрепленные в середине широкой части активных резонаторов так, что пространство между ними представляет собой ВЧ зазоры, причем активные резонаторы вместе с пассивными прямоугольными резонаторами во входной и выходной цепи образуют полосовые фильтровые системы. Согласно полезной модели, по крайней мере, в активные резонаторы входной и выходной резонансной системы введены по центру узкой части каждого овального цилиндра дополнительные, замкнутые на концах на корпус резонаторов, резонансные пластины с отверстиями для пролета электронов, соосными центру пролетных труб, причем каждая пластина имеет с двух противоположных торцевых сторон, симметричные относительно центра пролетных отверстий, щели так, что пространство между пролетными трубами, закрепленными в середине широкой части этих цилиндров, разделено этой пластиной на два симметричных ВЧ зазора.
3/2
Сочетание указанной формы цилиндров, выполненных в едином прямоугольном блоке (корпусе), имеющем хорошее охлаждение, с наличием двухзазорных активного входного и выходного резонаторов, связанных с пассивными прямоугольными резонаторами, образующими фильтровые системы, позволяет достичь указанного выше технического результата без увеличения количества активных резонаторов при микропервеансе меньше 1.5 мкА/В.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид предлагаемого устройства, на фиг.2 представлен продольный разрез двухзазорного резонатора, на фиг.3 приведен поперечный разрез двухзазорного резонатора с двумя щелями трапецеидальной формы, на фиг.4 представлены зависимости частот противофазного и синфазного видов колебаний от ширины щели трапецеидальной формы, а на фиг.5 показаны зависимости коэффициентов эффективности взаимодействия на противофазном и синфазном видах колебаний, а также величин относительной активной проводимости от невозмущенного угла пролета двойного зазора.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - катод,
2 - фокусирующий электрод,
3 - анод,
4 - активный входной двухзазорный резонатор,
5 - резонансная пластина резонатора 4 с отверстием для пролета электронов,
6 - входной пассивный резонатор,
7 - механизм настройки входного пассивного резонатора;
8 - ввод энергии,
9 - пролетные трубы,
10 - промежуточные однозазорные резонаторы,
11 - активный выходной двухзазорный резонатор,
12 - резонансная пластина резонатора 11 с отверстием для пролета электронов,
13 - выходной пассивный резонатор,
14 - механизм настройки выходного пассивного резонатора,
15 - вывод энергии,
16 - коллектор,
17 - система водяного охлаждения с патрубками.
Мощный широкополосный клистрон (фиг.1) состоит из катода 1, фокусирующего электрода 2, анода 3, входной электродинамической системы с активным входным двухзазорным резонатором 4, содержащим резонансную пластину 5 с отверстием для пролета электронов, пассивным резонатором 6, имеющим отверстия связи вне потока, снабженным механизмом настройки 7; вводом 8 энергии, промежуточных однозазорных резонаторов 10 и выходной электродинамической системы с активным выходным двухзазорным резонатором 11, содержащим резонансную пластину 12 с отверстием для пролета электронов, пассивным резонатором 13, снабженным механизмом настройки 14 и имеющим, отверстия связи с активным резонатором и выводом энергии 15. Пространство взаимодействия в каждом из промежуточных резонаторов представляет собой одиночные ВЧ зазоры, образованные между торцами пролетных труб 9. Резонаторы 4, 10 и 11 имеют в продольном сечении форму овального цилиндра, причем пролетные трубы закреплены в середине широкой части этих цилиндров. Коллектор 16 служит для сбора отработанного электронного потока. Он имеет систему водяного охлаждения с патрубками 17. В резонаторном блоке также имеются каналы для пропускания охлаждающей жидкости (на фиг.1 они не показаны).
Прибор работает следующим образом. Электронный поток, формируемый электронной пушкой, состоящей из катода 1, фокусирующего электрода 2 и анода 3, подхватывается в области анода фокусирующим магнитным полем (на фиг.1 магнитная фокусирующая система не представлена). Далее электронный пучок транспортируется с заданным током и поперечным сечением через электродинамическую систему, состоящую из последовательности активных резонаторов, имеющих форму овального цилиндра и рассеивается на коллекторе 16, который служит для сбора отработанного электронного потока и имеет систему водяного охлаждения с патрубками 17.
При подаче входного сигнала через ввод энергии 8 возбуждается двухзвенная фильтровая система, состоящая из активного входного двухзазорного 4 и пассивного резонаторов 6, связанных между собой щелями связи. Во входном активном резонаторе 4 происходит модуляция по скорости, которая в пролетной трубе 9 переходит в модуляцию по плотности. В промежуточных резонаторах 10 и остальных пролетных трубах эти процессы усиливаются, так что в выходную электродинамическую систему, содержащую выходной активный двухзазорный резонатор 11, поступают хорошо сгруппированные сгустки электронов, которые отдают ему свою энергию в тормозящие полупериоды СВЧ поля в двух ВЧ зазорах с противофазными напряжениями.
Эта энергия затем передается посредством электромагнитной связи в пассивный резонатор 13 и, далее, через вывод энергии 15 уходит в нагрузку.
Для формирования заданной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) активные двухзазорные 4, 11 и пассивные резонаторы 6, 13 настраивают с помощью механизмов настройки 7, 14 таким образом, чтобы получить заданное значение отклонения АЧХ от максимального значения уровня выходной мощности. После прохождения выходного резонатора электроны осаждаются на коллекторе 16, имеющем систему принудительного водяного охлаждения.
На фиг.2 показан продольный вид двухзазорного резонатора с указанием характерных размеров, определяющих размеры области взаимодействия.
На фиг.3. показан поперечный разрез (одинаковых по конструкции) входного и выходного активных резонаторов, в которых введены по центру узкой части каждого овального цилиндра дополнительные, замкнутые на концах на корпус резонаторов, резонансные металлические пластины с отверстиями для пролета электронов. Пространство между пролетными трубами, закрепленными в середине широкой части этих цилиндров, представляет собой в продольном направлении симметричный двойной ВЧ зазор, разделенный экраном. Степень экранирования определяется толщиной пластины. Эти пластины имеют с двух противоположных торцевых сторон симметричные относительно центра пролетного отверстия щели так, что оставшаяся металлическая часть пластин представляет собой вместе с корпусом в виде овального цилиндра полуволновый полосковый резонансный элемент, нагруженный на емкость двойного ВЧ зазора. Такой резонатор может одновременно возбуждаться на рабочем (противофазном) и высшем (синфазном) видах колебаний. Синфазный вид колебаний является паразитным и частота его должна далеко отстоять от рабочего вида колебаний. Настройка резонатора на заданную резонансную частоту, соответствующую противофазному виду колебаний, осуществляется за счет изменения ширины щели L.
Проведенные холодные измерения, результаты которых приведены на фиг.4 показывают, что за счет изменения размера L можно перестраивать противофазный вид колебания в пределах 1 ГГц. При этом частота паразитного синфазного вида колебаний изменяется незначительно и далеко отстоит от рабочего вида колебаний.
Характерной особенность конструкции полуволновых резонаторов является рост величины ВЧ тока по направлению к области короткого замыкания. В резонансном элементе, показанном на фиг.3, это может привести к потере тепловой устойчивости резонатора, по крайней мере, в выходной цепи.
Предлагается оптимальная форма щелей. Они имеют вид трапеции, основание которой (фиг.3) равно широкой стенке овального цилиндра, вершина определяется, исходя из условий резонанса. В этом случае резонансная пластина имеет переменную ширину, увеличивающуюся по мере приближения к плоскости короткого замыкания. Это позволяет сохранить тепловую устойчивость резонансного проводника при больших уровнях рассеиваемой мощности.
К числу недостатков двухзазорных резонаторов с рабочим противофазным видом колебания следует отнести возможность самовозбуждения таких систем за счет возникновения при взаимодействии с электронным потоком отрицательной электронной проводимости, шунтирующей резонатор. Причем это может произойти как на противофазном, так и на синфазном видах колебаний.
В результате проведенных расчетов установлено, что для устранения этого недостатка следует выбирать параметры двухзазорного резонатора из следующих соотношений:
где  - невозмущенный угол пролета двойного зазора между торцами пролетных труб, рад;
- относительная скорость электронов;
c - скорость света, м/сек;
t - толщина пластины, м;
d - длина зазора между пластиной и торцом пролетной трубы, м.
прот
син
прот
син
На фиг.5 показаны зависимости коэффициентов эффективности взаимодействия на противофазном М и на синфазном М видах колебаний, а также величин относительной активной проводимости (Ge/Go) и (Ge/Go) от невозмущенного угла пролета двойного зазора γD.
прот
син
За счет оптимального выбора продольных размеров двойного зазора, согласно уравнению (1), удается, во-первых, достигнуть условий максимальной эффективности взаимодействия на рабочем противофазном виде колебаний (М) и пониженной эффективности взаимодействия на высшем (синфазном) виде (М) колебаний, что позволяет увеличить КПД и, во-вторых, сделать относительную активную проводимость электронной нагрузки Ge/G0 положительной на обоих видах колебаний, тем самым исключается возможность самовозбуждения клистрона на этих видах колебаний (фиг.5). При нарушении указанных выше условий при γD<3.5 возникает опасность самовозбуждения прибора на противофазном (рабочем) виде колебаний. При γD>3.9 прибор может войти в режим автогенерации на синфазном виде колебаний.
2
Малые продольные размеры двойного зазора позволяют реализовать его между торцами пролетных труб, по крайней мере, во входной и выходной цепи, не меняя продольных габаритов резонаторов существующего мощного клистрона с однозазорными резонаторами. При этом эффективное характеристическое сопротивление М ρ двухзазорного резонатора на противофазном виде колебаний оказывается в 1,5-2 раза выше, чем у однозазорного резонатора при одинаковой высоте резонатора b (фиг.2) и при той же величине параметров пространственного заряда электронного пучка. Соответственно возрастают полоса усиливаемых частот и выходная мощность.
Эксперименты, выполненные на клистроне, в котором во входной и выходной цепи в качестве активного резонатора использовались двухзазорные резонаторы, параметры которых выбраны в соответствие с найденными оптимальными условиями, показывают, что предлагаемое техническое решение позволяет при сохранении массогабаритных характеристик (и без увеличения фокусирующего магнитного поля) повысить выходную мощность клистрона Х-диапазона с 12 кВт при полосе по уровню - 1 дБ около 40 МГц до 15 кВт при полосе прибора около 80 МГц. Отметим, что параметры прибора можно еще улучшить, применяя, по крайней мере, в выходной цепи трехзвенную фильтровую систему. Для уменьшения неравномерности АЧХ путем изменения нагруженной добротности один в один из промежуточных резонаторов можно внести дополнительное затухание за счет нанесения на стенки данного резонатора поглощающего покрытия. Возможен также вариант конструкции прибора, в котором несколько промежуточных резонаторов выполнены двухзазорными.