ЭЛЕКТРОННЫЙ СВЧ-ПРИБОР О-ТИПА

Полезная модель относится к электронным СВЧ приборам O-типа, таким как клистроны и ЛБВ. Конструкция приведена на фиг.1.
При совместной эксплуатации электронных приборов СВЧ важную роль играет величина мощности, излучаемой на частоте второй и третьей гармоники основного сигнала. Среди известных конструкций приборов с пониженным уровнем побочных колебаний можно отметить патент СССР 1697556, являющийся аналогом и прототипом инновации в части снижения уровня паразитных колебаний на частоте второй гармоники. На фиг.2 приведен рисунок указанного прототипа. Сгруппированный электронный пучок отдает кинетическую энергию СВЧ полю выходного резонатора 1. Отверстие связи 3 возбуждает в выходном прямоугольном волноводе 2 бегущую волну, которая передает СВЧ энергию в нагрузку. Оптимальная передача энергии на рабочей частоте происходит при условии, что расстояние L от центра отверстия связи до стенки 4 короткого замыкания удовлетворяет соотношению:
B1
где k=0, 1, 2, λ длина волны основного типа колебаний в волноводе.
Условие минимальной передачи энергии на частоте второй гармоники имеет вид:
B2
где n=1, 2, 3; λ - длина волны второй гармоники в волноводе.
Дина волны в прямоугольном волноводе для любой гармоники определяется по формуле:
КР
где λ - длина волны гармоники в свободном пространстве, λ - критическая длина волны в волноводе для данной гармоники.
В патенте 1697556 было показано существование совместное решение уравнений (1) и (2), позволяющее снизить уровень второй гармоники прибора.
С учетом этих требований патента был изготовлен и испытан прибор. Было обнаружено, что помимо снижения уровня второй гармоники появляется существенное, на некоторых частотах до 6 дБ, возрастание уровня третьей гармоники. Это объясняется одновременным выполнением условий оптимальной связи на основной частоте и частоте третьей гармоники. Для приведения параметров прибора в соответствие с требованиями потребителей прибора было принято решение добиться минимальной связи резонатора и выходного волновода на частоте третьей гармоники, т.е. расстояние от окна связи до короткого замыкания на частоте третьей гармоники должно удовлетворять условию:
B3
где n=1, 2, 3; λ - длина волны третьей гармоники в волноводе.
С этой целью в конструкцию был введен отрезок волновода меньшего сечения, для которого третья гармоника является рабочим видом и являющегося запредельным для излучения основной частоты и второй гармоники. Внешний вид конструкции приведен на фиг.1. Аналогично прототипу сгруппированный электронный пучок отдает кинетическую энергию СВЧ полю выходного резонатора 1. Отверстие связи 3 возбуждает в выходном прямоугольном волноводе 2 бегущую волну, которая передает СВЧ энергию в нагрузку. Расстояние L от центра отверстия связи до стенки 4 короткого замыкания для основной частоты и частоты второй гармоники удовлетворяет соотношениям прототипа. Добавленный в конструкцию отрезок волновода размерами L1 и а1 обеспечивает дополнительный набег фазы в четверть длины волны на частоте третьей гармоники оставаясь при этом запредельным для излучения основной частоты второй гармоники.
При отработке конструкции было обнаружено, что размер L, указанный в прототипе, соответствует случаю малым поперечным размерам окна связи и его малой толщине. В частности, когда окно связи имело вид волновода переменного сечения суммарной длиной около 1/3 ширины волновода, как на фиг 3., размер L для достижения оптимального пришлось уменьшать. При дальнейшей отработки конструкции было обнаружено, что условие на размер L прототипа можно записать в виде:
КЗ
где L - расстояние от центра окна связи до замыкания волновода,
ОКНА
ОКНА
ОКНА
ОКНА
L - эквивалентное расстояние, зависящее от размеров окна связи и толщины стенки между резонатором и волноводом. В большинстве случаев узкополосных приборов L с высокой степенью точности равно нулю. Было обнаружено, что для оптимального согласования на частоте третьей гармоники отношение L2/L постоянно при определении L по формуле (5) для любых L. Поскольку L определить достаточно сложно, удобнее с практической точки зрения оказалось ввести L1=L-L2. Это позволяет после настройки оптимального варианта согласования на основной частоте и частоте второй гармоники вносить изменение с целью понижения уровня третьей гармоники. Расчеты по формулам 3 и 4 и эксперименты показали оптимальное значение а1=(0,395-0,405) лямбда, L1=(0,115-0,125) лямбда, где лямбда - рабочая длина волны.
Разработанная конструкция проверялись при серийном производстве приборов. Ниже приведены результаты испытаний трех приборов: №14 - первоначальный вариант прибора; №79 - прибор с закороткой в соответствии с патентом 1697556, №126 - прибор новой конструкции. Прибор работает в средней части сантиметрового диапазона длин волн. Рабочие точки прибора расположены с шагом 50 МГц (рабочий диапазон частот 500 МГц)
Зависимость относительного уровня второй гармоника сигнала от частоты.
№
Рабочая точка
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
14
-57
-55
-58
-59
-61
-61
-57
-55
-58
-57
-62
79
-59
-61
-69
-68
-73
-70
-65
-67
-70
-86
-77
126
-60
-61
-63
-62
-73
-74
-78
-67
-68
-65
-66
Зависимость относительного уровня третьей гармоники сигнала от частоты
№
Рабочая точка
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
14
-72
-63
-62
-65
-61
-53
-48
-49
-50
-53
-48
79
-64
-65
-70
-62
-54
-61
-55
-60
-51
-51
-47
126
-60
-61
-63
-62
-73
-74
-78
-67
-68
-65
-66
ЭКВ
ЭКВ
Повышение уровня второй гармоники сигнала в приборе 126 (точки 10, 11 рабочего диапазона частот) связано с тем, что сигнал на частоте второй гармоники частично приникает в волновод сечением а1, т.е. отражение происходит не от границы на расстоянии L, а от некоторой эквивалентной границы с расстоянием L>L. С ростом частоты L возрастает, что объясняет возрастание уровня гармоник в коротковолновой части диапазона. Поскольку параметры прибора соответствовали заданным требованиям, дальнейшее улучшение конструкции не проводилось.
Проведенные измерения и показали, что применение предложенной конструкции со ступенчатой закороткой позволяет снизить уровень второй и третьей гармоники клистрона работающего.в средней части сантиметрового диапазона длин волн.