Мощный широкополосный клистрон
Powerful broadband klystron

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ клистронного типа, в частности к широкополосным клистронам непрерывного действия с уровнем непрерывной выходной мощности свыше 25 кВт, которые могут найти применение в качестве усилителей мощности в радиопередатчиках систем дальней космической связи.
Эти клистроны обычно работают в диапазоне частот от 7.145 ГГц до 7.235 ГГц (X-диапазон) с шириной полосы пропускания не менее 90 МГц.
10
При работе в коротковолновой части СВЧ диапазона для обеспечения заданных тепловых режимов работы прибора применяется жидкостное охлаждение. Поэтому в таких приборах обычно используются однозазорные резонаторы в виде овальных цилиндров, которые выполняются фрезерованием в общем блоке резонансной системы, имеющем каналы для пропускания охлаждающей жидкости [1]. Преимущества таких резонаторов определяется положительными свойствами волны Н, среди которых: устойчивость плоскости поляризации; отсутствие высших типов волн в широком диапазоне частот; независимость критической частоты от одного из размеров (высоты волновода); малое затухание из-за незначительных потерь в стенках волновода.
Осуществление будущих космических полетов в дальнем космосе требуют повышения надежности и качества радиоаппаратуры систем наземной радиосвязи. Это может быть осуществлено путем повышения уровня выходной мощности клистронных усилителей с 12 кВт до 25 кВт [2]
Известна конструкция клистрона среднего уровня мощности, имеющего в общей вакуумной оболочке два парциальных многолучевых клистрона (МЛК) с двухзазорными резонаторами, возбуждаемыми на противофазном виде колебаний [3]. Как входной, так и выходной резонаторы парциальных МЛК попарно связаны между собой, образуя, соответственно, входную и выходную резонансную систему. При этом промежуточные резонаторы (однотрубные резонаторы) парциальных МЛК не связаны с соседними резонаторами. Обеспечить в таком приборе средний уровень выходной мощности возможно либо путем дальнейшего увеличения числа лучей, либо путем повышения ускоряющего напряжения. Однако в первом случае это приводит к большой неравномерности распределения ВЧ электрического поля в каналах пролетных труб и, соответственно, к уменьшению КПД и уровня выходной мощности. Во втором случае возникают серьезные проблемы, связанные с отводом тепла от средних перемычек двухзазорных резонаторов, имеющих при работе на π виде колебаний малые размеры. Поэтому МЛК обеспечивает устойчивую работу при больших уровнях выходной мощности только в импульсном режиме работы (выходная мощность порядка 15 кВт в полосе 500 МГц при КПД прибора 15%) [4].
Другим путем повышения непрерывной выходной мощности являются многоствольные клистроны (МСК).
МСК конструктивно представляет собой единый прибор, объединяющий в общей вакуумно-плотной оболочке два (или более) парциальных клистронов [3].
Входные и выходные резонаторы каждого парциального клистрона в этой конструкции попарно связаны между собой и, соответственно, с едиными вводом и выводом энергии. Благодаря более равномерному распределению тепловых нагрузок, которые распределяются по токоприемным поверхностям парциальных клистронов (стволов) и отдельным приемным полостям коллектора, МСК обладает способностью выдерживать значительно более высокие тепловые нагрузки, нежели эквивалентный по выходной мощности одиночный клистрон.
Однако в таком приборе промежуточные резонаторы не имеют какой-либо электромагнитной связи с соседним каналом (стволом), что значительно усложняет конструкцию прибора и его настройку на заданный уровень выходной мощности и полосы пропускания. Кроме того, при увеличении количества стволов соответственно уменьшается характеристическое сопротивление выходной резонансной системы и сужается полоса усиливаемых частот. [3, 5, 6].
Известен взятый за прототип, мощный широкополосный клистрон [7], содержащий элементы конструкции, установленные на одной основной оси: катод, фокусирующий электрод; анод; пролетные трубы входного, промежуточных и выходного активных резонаторов; коллектор; причем все боковые пролетные трубы установлены в боковых крышках, разделяющих активные резонаторы и образующих плоские поверхности сплюснутых эллиптических цилиндров (или близких к ним по форме геометрических фигур), выполненных в едином корпусе резонансной системы, причем центральная ось этих цилиндров перпендикулярна основной оси, а основания цилиндров закрыты торцевыми крышками так, что пространство взаимодействия между торцевыми частями боковых пролетных труб в промежуточных резонаторах представляет собой одинарный высокочастотный зазор, а пространство взаимодействия во входном и выходном активных резонаторах, содержащих каждый центральную пролетную трубу, установленную в середине резонансной пластины со щелями, представляет собой двойной высокочастотный зазор; кроме того, эти резонаторы вместе с пассивными резонаторами во входной и выходной цепях образуют полосовые фильтровые системы. Для обеспечения заданных тепловых режимов работы прибора используется жидкостное охлаждение.
Этот прибор обеспечивает достижение полосы усиливаемых частот на уровне – 1 дБ порядка 80 МГц при уровне непрерывной мощности выходной 10-12 кВ. Дальнейшее увеличение ускоряющего напряжения, необходимое в таком приборе для достижения выходной мощности свыше 25 кВт, требует изготовления сложных по конструкции и громоздких источников питания. К тому же, максимальное значение ускоряющего напряжение в этом случае будет ограничено условием пробоя в СВЧ зазоре выходного резонатора. Кроме того, достижение больших уровней мощности невозможно из-за трудности теплоотвода от средних перемычек двухзазорных резонаторов, работающих на π-виде колебаний.
Технической проблемой изобретения является необходимость создания мощного широкополосного клистрона, позволяющего, по крайней мере, в два раза повысить уровень выходной непрерывной мощности при расширении полосы усиливаемых частот без существенного ухудшения параметров его электродинамической и электронно-оптической систем.
Техническим результатом является повышение надежности и качества радиосвязи при сохранении тепловой устойчивости резонаторного блока.
Поставленная проблема решается тем, что в мощном широкополосном клистроне, содержащем элементы конструкции электронно-оптической системы (ЭОС), установленные на одной основной оси, катод, фокусирующий электрод, анод, пролетные трубы входного, промежуточных и выходного активных резонаторов, коллектор. Все боковые пролетные трубы установлены в боковых крышках, разделяющих активные резонаторы и являющихся частью плоских поверхностей сплюснутых эллиптических цилиндров (или близких к ним по форме геометрических фигур), выполненных в едином корпусе резонансной системы. Центральная ось этих цилиндров перпендикулярна основной оси, а основания цилиндров закрыты торцевыми крышками так, что пространство взаимодействия между торцевыми частями боковых пролетных труб в промежуточных резонаторах представляет собой одинарный высокочастотный зазор, а пространство взаимодействия во входном и выходном активных резонаторах, содержащих каждый центральную пролетную трубу, установленную в середине резонансной пластины со щелями, представляет собой двойной высокочастотный зазор; кроме того, эти резонаторы вместе с пассивными резонаторами, выполненными во входной и выходной цепях, образуют полосовые фильтровые системы.
По одному из предложенному вариантов, конструкции клистрона, он выполнен двухствольным так, что дополнительные конструктивные элементы второго ствола повторяют по форме и по составу конструктивные элементы основного ствола и расположены на дополнительной оси, которая параллельна основной оси. При этом в активных однозазорных промежуточных резонаторах на равном расстоянии между основными и дополнительными пролетными трубами параллельно дополнительной оси установлен первый центральный стержень, электрически соединяющий между собой боковые крышки, а в активных двухзазорных резонаторах, которые выполнены с возможностью возбуждения синфазной (2π) моды колебаний введены, перпендикулярно дополнительной оси, второй центральный стержень, симметрично замыкающий на торцевые крышки один конец резонансных пластин основного ствола с примыкающим к нему концом дополнительной резонансной пластины дополнительного ствола, причем два других конца резонансных пластин остаются электрически замкнутыми на корпус резонатора.
Параметры ЭОС дополнительных стволов повторяют параметры ЭОС основного усилительного ствола, при этом углы пролета между центрами зазоров входного и выходного активных двухзазорных резонаторов выбраны из условия:
,
V
d
l
0
где  – постоянная продольного распространения электронного пучка,  – круговая частота (рад/с),  – скорость электронного потока (м/с),  – длина зазора между центральной и боковой пролетной трубой (м),  – длина центральной пролетной трубы (м).
По одному из вариантов, все боковые пролетные трубы мощного широкополосного клистрона установлены в плоской части геометрических фигур, близких по форме к сплюснутым эллиптическим цилиндрам, например, имеющей вид восьмигранной призмы с неравными гранями, большая из которых соответствует боковой крышке.
По другому варианту предложены оптимальные формы поперечного сечения стержней: прямоугольную формы первого центрального стержня в двухзазорных активных резонаторах и круглая форма для второго центрального стержня в однозазорных активных резонаторах.
Указанные существенные признаки отличают заявляемое решение от прототипа и обусловливают соответствие этого решения критерию «новизна».
Предлагаемое изобретение позволяет в два раза повысить уровень выходной непрерывной мощности, обеспечивая широкую полосу усиливаемых частот при сохранении параметров электродинамической и электронно-оптической систем и тепловой устойчивости резонаторного блока.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид предлагаемого устройства, на фиг.2 показан продольный разрез активного двухзазорного резонатора, на фиг.3 приведен поперечный разрез активного двухзазорного резонатора, на фиг.4 показан продольный разрез активного однозазорного промежуточного резонатора, на фиг.5 приведен поперечный разрез активного однозазорного промежуточного резонатора, на фиг.6 показано распределение электрического ВЧ поля активном однозазорном промежуточном резонаторе, на фиг.7 приведено распределение электрического ВЧ поля в активном двухзазорном резонаторе.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - основная ось ствола,
2 - катод,
3 - фокусирующий электрод,
4 - анод,
5 - входной активный двухзазорный резонатор,
6 - промежуточный активный однозазорный резонатор,
7 - выходной активный двухзазорный резонаторов;
8 - коллектор,
9 - боковые пролетные трубы,
10 - боковые крышки,
11 - сплюснутые эллиптические цилиндры,
12 - корпус резонансной системы,
13 - центральная ось сплюснутых эллиптических цилиндров,
14 - торцевые крышки,
15 - центральная пролетная труба,
16 - резонансная пластина,
17 - щель связи,
18 - пассивный резонатор,
19 - дополнительная ось,
20 - дополнительные пролетные трубы,
21 - первый центральный стержень,
22 - второй центральный стержень.
Мощный широкополосный клистрон (фиг.1) содержит основной усилительный ствол, включающий в себя элементы конструкции ЭОС, установленные на одной основной оси 1, катод 2, фокусирующий электрод 3, анод 4, пролетные трубы входного 5, промежуточных 6 и выходного 7 активных резонаторов, коллектор 8, причем все боковые пролетные трубы 9 установлены в боковых крышках 10, разделяющих активные резонаторы и образующих плоские поверхности сплюснутых эллиптических цилиндров (или близких к ним по форме геометрических фигур) 11, выполненных в едином корпусе резонансной системы 12, центральная ось этих цилиндров 13 перпендикулярна основной оси, а основания цилиндров закрыты торцевыми крышками 14 так, что пространство взаимодействия между торцевыми частями боковых пролетных труб в промежуточных резонаторах представляет собой одинарный высокочастотный зазор, а пространство взаимодействия во входном и выходном активных резонаторах, содержащих каждый центральную пролетную трубу 15, установленную в середине резонансной пластины 16 со щелями 17, представляет собой двойной высокочастотный зазор; кроме того, эти резонаторы вместе с пассивными резонаторами 18 во входной и выходной цепях образуют полосовые фильтровые системы. Дополнительные конструктивные элементы второго ствола повторяют по форме и по составу конструктивные элементы основного ствола (2-9, 10, 15, 17) и расположены на дополнительной оси 19, которая параллельна основной оси; причем в активных однозазорных промежуточных резонаторах на равном расстоянии между основными и дополнительными пролетными трубами 20 параллельно дополнительной оси установлен первый центральный стержень 21, электрически соединяющий между собой боковые крышки; а в активных двухзазорных резонаторах, которые выполнены с возможностью возбуждения синфазной (2π) моды колебаний, введены, перпендикулярно дополнительной оси, второй центральный стержень 22, симметрично замыкающий на торцевые крышки один конец резонансных пластины основного ствола с примыкающим к нему концом дополнительной резонансной пластины дополнительного ствола; причем два других конца резонансных пластин остаются электрически замкнутыми на корпус резонатора.
V
d
l
0
Прибор работает следующим образом. Два электронных потока в каждом из стволов испускаются электронными пушками, каждая из которых состоит из катода 2, фокусирующего электрода 3. Под действием ускоряющего потенциала анода 4 электронные пучки влетают в двойной зазор входного 5 активного двухзазорного резонатора, который вместе с пассивными резонаторами 18 во входной цепи образует полосовую фильтровую систему, возбуждаемую входным сигналом, поступающим в фильтровую систему со стороны ввода энергии. Так как углы пролета между центрами зазоров входного активного двухзазорного резонатора выбраны из условия оптимального взаимодействия на синфазном виде колебаний (, где  – постоянная продольного распространения электронного пучка,  – круговая частота (рад/с),  – скорость электронного потока (м/с),  – длина зазора между центральной и боковой пролетной трубой (м),  – длина центральной пролетной трубы (м)) то происходит эффективная модуляция электронов по скорости, которая в пролетной трубе входного 5 активного двухзазорного резонатора переходит в модуляцию по плотности. При дальнейшем движении электронных потоков через активные однозазорные промежуточные резонаторы 7 процессы группировки усиливаются, достигая максимума конвекционного тока первой гармоники в двойном зазоре выходного активного двухзазорного резонатора 8. В результате чего в выходную электродинамическую систему, содержащую выходной активный двухзазорный резонатор 7, поступают сгруппированные сгустки электронов, которые отдают ему свою энергию в тормозящие полупериоды СВЧ поля в двух ВЧ зазорах с синфазными напряжениями одновременно от двух стволов. Затем эта энергия передается по электромагнитной связи в пассивный резонатор 18 через выходной прямоугольный волновод и через вывод энергии уходит в нагрузку. После прохождения выходного активного двухзазорного резонатора электроны осаждаются одновременно на двух коллекторах 8, имеющих каждый систему принудительного водяного охлаждения.
Численное 3D моделирование резонаторов клистрона показало, что в предлагаемом двухствольном клистроне, несмотря на падение эффективного характеристического сопротивления 11% по сравнению с прототипом, удается обеспечить малую неоднородность ВЧ электрического поля в зазорах (как в двухзазорном – 2.7%, так и в однозазорном резонаторах – 0.5%), что позволило повысить электронный КПД на 15% и увеличить выходную мощность в 2,4 раза.
За счет работы выходного резонатора на синфазном виде колебаний и применения резонансной пластины с сохранением формы щелей, при которой ширина пластин увеличивается по мере приближения к точке короткого замыкания, а также наличие в корпусе резонатора отверстий для водяного охлаждения обеспечивает сохранение тепловой устойчивости выходного активного двухзазорного резонатора при повышенном (более чем в 2 раза) уровне выходной мощности.
Оценка полосы усиливаемых частот уровню –3 дБ, проведенная по известной из теории клистрона формуле, показала, что в новой конструкции прибора можно увеличить ширину полосы усиливаемых частот в 1,8 раза:
3/2
N
U
0
где  – относительная величина конвекционного тока;  – эффективное характеристическое сопротивление электронного потока, Ом;  – микропервеанс одного луча, мкА/В;  – количество стволов;  – ускоряющее напряжение, В;  – рабочая частота, МГц.
Сравнение основных параметров прототипа и предлагаемого изобретения приведено в таблице.
Таблица. Параметры прототипа и изобретения
Клистрон
Ускоряющеенапряжение, кВ
Микропервеансодного луча, мкА/В<sup>3/2</sup>
Эффективное характеристическое сопротивление, Ом
Выходнаямощность, кВт
ЭлектронныйКПД, %
Полоса частот, МГц
Прототип
16
1.24
56.8
11.6
31.6
90
Изобретение
16
1.24
50.3
27.4
37.2
159
Мощный широкополосный клистрон может быть использован в качестве усилителей мощности с уровнем свыше 25 кВт в радиопередатчиках систем дальней космической связи, обеспечивая повышение надежности и качества радиосвязи при сохранении тепловой устойчивости резонаторного блока.
Технической результатом является создание мощного широкополосного клистрона, позволяющего, по крайней мере, в два раза повысить уровень выходной непрерывной мощности при расширении полосы усиливаемых частот в 1.8 раз без существенного ухудшения параметров его электродинамической и электронно-оптической систем.
Настоящее изобретение создано в рамках гранта по конкурсу «УМНИК-17», номер договора 12717ГУ/2017 от 25.04.2018.
Список источников
1. Кацман, Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов: Учебник для вузов. Т.2. / Ю.А. Кацман // М.: Высшая школа, 1973. – 382 c.
2. Evaluation of the VA-876P Klystron for the 20-kW X-Band Uplink Transmitter: DSN progress Report: 42-54 / Jet Propulsion Laboratory: Radio Frequency and Microwave Subsystem Section, perf. Kolbly R. B. – 10 P. – References: P.42
3. Тув, А.А. Трехсантиметровый мощный широкополосный низковольтный многолучевой усилительный клистрон двухствольной конструкции / А.А.  Тув // Радиотехника. - 2000 г. - №2. - С.51-53.
4. Пугнин, В.И. Оценка предельной мощности многолучевых клистронов с резонаторами на основном виде колебаний для современных РЛС / В.И. Пугнин // Радиотехника. - 2000 г. - №2. - С.43-50.
5. Touv, A.A. X-Band high power broadband low-voltage multi-beam klystron amplifier with two-barrel design / A.A. Touv // Proceedings of the International University Conference "Electronics and Radiophysics of Ultra-High Frequencies". - St. Petersburg, May 1999. - P. 83-85.
6. Пат. №2244980 РФ, МПК6 H 01 J 25/10, H 01 J 23/18. Многолучевой прибор О-типа / Пугнин В.И., Юнаков А.Н., Бурдина Т.Н.; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПП» Исток» - № 2003125466/09; заявл. 18.08.2003; опубл. 20.01.2005, Бюл. № 2. - 10 с.: 3 ил.
7. Пат. № 2483386 РФ, МКП7 H 01 J 25/00. Мощный широкополосный клистрон / Царев В.А., Ширшин В.И., Муллин В.В., Семенов В.К., Пичугин П.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «НПП «Контакт». - № 2011136022/07; заявл. 29.08.2011; опубл. 27.05.2013, Бюл. 15 - 13 с.: ил.