СВЧ-ПРИБОР КЛИСТРОННОГО ТИПА (ВАРИАНТЫ)
MICROWAVE INSTRUMENT OF KLYSTRON TYPE (VERSIONS)

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электровакуумным СВЧ-приборам, предназначенным для получения СВЧ-мощности на двух кратных частотах, и может быть использовано, например, в радиолокации, радиопротиводействии и в других областях техники.
Известно, что в электровакуумных СВЧ-приборах O-типа, например в усилительных клистронах, при группировке электронного потока создаются сгустки электронного тока с частотой повторения, равной частоте ω входного СВЧ-сигнала, подаваемого на СВЧ-прибор, и длительностью около 0,1 периода повторения, причем сгустки электронного тока содержат широкий спектр гармоник тока. Сгруппированные электронные сгустки, выйдя из группирователя электронных сгустков клистрона, попадают в высокодобротный выходной резонатор, настроенный на рабочую частоту ω. В выходном резонаторе происходит отбор энергии от сгруппированного электронного потока, которая в виде выходного СВЧ-сигнала частоты ω передается через вывод СВЧ-энергии в нагрузку. Таким образом, на выходе обычного клистрона получают усиленную СВЧ-мощность на одной рабочей частоте ω.
Известен СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, входной, промежуточные и выходной однозазорные резонаторы, настроенные на рабочую частоту ω, и, по крайней мере, один дополнительный двухзазорный резонатор, расположенный в трубе дрейфа между резонаторами рабочей частоты, а также коллектор, ввод и вывод СВЧ-энергии [1]. В дополнительном двухзазорном резонаторе (который входит в состав группирователя электронных сгустков СВЧ-прибора) взаимодействие электронного потока с СВЧ-полями резонатора осуществляется последовательно в двух высокочастотных (ВЧ) зазорах, что повышает эффективность взаимодействия СВЧ-поля с электронным пучком по сравнению с однозазорным резонатором. Дополнительный двухзазорный резонатор настроен на кратные частоты ω и 2ω, соответствующие противофазному и синфазному видам колебаний. Вследствие этого на электронный поток в двухзазорном резонаторе воздействует СВЧ-напряжение, близкое к пилообразному, что приводит к более эффективной группировке электронного потока. В таком двухзазорном резонаторе рабочим видом колебаний является противофазный вид колебаний на рабочей частоте ω, а синфазный вид колебаний на частоте 2ω используется только для более эффективной группировки электронного потока. В выходном однозазорном резонаторе, настроенном на рабочую частоту ω, происходит отбор энергии от эффективно сгруппированного электронного потока, которая через вывод СВЧ-энергии передается в нагрузку. Таким образом, в известном СВЧ-приборе усиленная мощность передается в нагрузку только на рабочей частоте ω, что ограничивает область его применения. Для получения СВЧ-мощности двух кратных частот ω и 2ω необходимо использовать два СВЧ-прибора клистронного типа, один из которых работает на частоте ω, а второй - на частоте, равной 2ω. Кроме того, при использовании в аппаратуре двух СВЧ-приборов с разными рабочими частотами необходимо вводить в аппаратуру дополнительные устройства для фазировки выходных сигналов этих СВЧ-приборов.
Известен умножительный клистрон, содержащий электронную пушку, резонаторы с пролетными трубами, коллектор, а также устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии [2]. В таком клистроне сгруппированные электронные сгустки, выйдя из группирующего резонатора, настроенного на частоту ω, попадают в выходной резонатор, настроенный на частоту nω (где n=2, 3, …). В выходном резонаторе происходит отбор энергии от сгруппированного электронного потока, которая в виде выходного СВЧ-сигнала частоты ω передается через вывод СВЧ-энергии в нагрузку. Таким образом, на выходе умножительного клистрона получают СВЧ-мощность только на одной из частот, кратных ω.
Известен СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, цилиндрические резонаторы с пролетными трубами, коллектор, а также устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии [3]. Входной и промежуточные резонаторы рабочей частоты ω, образующие группирователь электронных сгустков СВЧ-прибора, выполнены однозазорными, а выходной резонатор выполнен двухзазорным. Двухзазорный выходной резонатор содержит расположенные соосно друг другу центральную пролетную трубу, прикрепленную к боковой стенке резонатора с помощью расположенной между его торцевыми стенками проводящей перегородки, в которой выполнена щель связи, и две крайние пролетные трубы, закрепленные в противоположных торцевых стенках цилиндрического двухзазорного выходного резонатора и отделенные от центральной пролетной трубы высокочастотными зазорами.
Устройство для вывода СВЧ-энергии содержит последовательно соединенные пассивный резонатор (в виде отрезка прямоугольного волновода) и выходной волновод, связанные друг с другом через окно связи в их общей стенке. Пассивный резонатор связан также с двухзазорным выходным резонатором СВЧ-прибора через окно связи в боковой стенке цилиндрического двухзазорного выходного резонатора, расположенное между проводящей перегородкой и торцевой стенкой этого резонатора, размещенной со стороны коллектора СВЧ-прибора. Использование в СВЧ-приборе пассивного резонатора, связанного с двухзазорным выходным резонатором, позволяет дополнительно расширить полосу СВЧ-прибора. Двухзазорный выходной резонатор СВЧ-прибора настроен на два основных вида колебаний (противофазный и синфазный) с близкими частотами. При подаче на вход СВЧ-прибора входного СВЧ-сигнала с частотой ω в двухзазорном выходном резонаторе СВЧ-прибора возбуждаются СВЧ-колебания на частоте входного СВЧ-сигнала, при этом усиленная мощность выводится из СВЧ-прибора также только на этой рабочей частоте ω.
Известен СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, многорезонаторный группирователь электронных сгустков, двухзазорный выходной резонатор, коллектор, устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии [4]. Выходной резонатор содержит расположенные соосно продольной оси СВЧ-прибора первую и вторую пролетную трубы, размещенные в выходном резонаторе 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, по крайней мере, одного проводящего держателя, расположенного перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора. При этом выходной резонатор выполнен в виде размещенного перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора коаксиального резонатора, внутренний проводник которого состоит из центральной пролетной трубы и, по крайней мере, одного проводящего держателя, а его внешний проводник выполнен в виде проводящей трубы прямоугольного или круглого поперечного сечения, снабженной на противоположных концах торцевыми стенками. Устройство для вывода СВЧ-энергии выполнено в виде отрезка коаксиальной линии передачи, расположенной перпендикулярно боковой стенке выходного резонатора. В одном варианте изобретения устройство для вывода СВЧ-энергии связано с выходным резонатором с помощью размещенных в этом резонаторе двух петель связи, расположенных относительно друг друга под заданным углом. В другом варианте изобретения устройство для вывода СВЧ-энергии связано с выходным резонатором с помощью одной петли связи, плоскость которой расположена под заданным углом относительно торцевой плоскости пролетной трубы выходного резонатора, и дополнительного проводника, соединенного противоположными концами с центральным проводником коаксиальной линии и держателем центральной пролетной трубы выходного резонатора. Выходной резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой 2ω. При подаче на СВЧ-прибор входного СВЧ-сигнала с частотой ω можно получить на его выходе СВЧ-колебания на двух кратных частотах ω и 2ω одновременно, что расширяет функциональные возможности СВЧ-прибора. При этом величина СВЧ-мощности на выходе СВЧ-прибора на частотах ω и 2ω существенно превышает величину СВЧ-мощности, поданной на вход СВЧ-прибора. Эти колебания выводятся одним коаксиальным устройством для вывода СВЧ-энергии и воздействуют на объект (нагрузку) одновременно. В системах, где требуется раздельное воздействие на объект каждого из этих колебаний, использование такого СВЧ-прибора проблематично или вообще невозможно.
Конструктивно наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом изобретения) является СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, последовательно и соосно расположенные вдоль продольной оси СВЧ-прибора цилиндрические резонаторы с пролетными трубами, коллектор, а также установленные с внешней стороны входного и выходного резонаторов устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии, выполненные в виде отрезков коаксиальных линий передачи [5]. Цилиндрические входной и промежуточные резонаторы, образующие многорезонаторный группирователь электронных сгустков СВЧ-прибора, а также цилиндрический выходной резонатор выполнены двухзазорными и настроены на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω. Цилиндрический двухзазорный выходной резонатор содержит расположенные соосно продольной оси СВЧ-прибора первую и вторую пролетные трубы, прикрепленные к установленным перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора торцевым стенкам двухзазорного выходного резонатора, расположенным со стороны группирователя электронных сгустков и со стороны коллектора соответственно, и установленную между первой и второй пролетными трубами и отделенную от них высокочастотными зазорами центральную пролетную трубу, прикрепленную к боковой стенке выходного резонатора с помощью расположенного перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора проводящего держателя сложной конфигурации. Проводящий держатель состоит из трех последовательно соединенных элементов: радиального стержня (соединенного с центральной пролетной трубой), промежуточного проводника (выполненного в виде разомкнутого кольца) и опорного электрода (соединенного с боковой стенкой выходного резонатора). Коаксиальная линия передачи устройства для вывода СВЧ-энергии установлена перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, при этом она продольно смещена от проводящего держателя в сторону коллектора. Внешний проводник этой коаксиальной линии передачи соединен с боковой стенкой выходного резонатора, а ее центральный проводник введен в выходной резонатор через отверстие в его боковой стенке, расположенное напротив ближайшего к коллектору высокочастотного зазора выходного резонатора. Коаксиальная линии передачи связана с выходным резонатором с помощью размещенного в этом резонаторе кондуктивного элемента связи, выполненного в виде Г-образного проводника, первый конец которого соединен с центральным проводником коаксиальной линии передачи, а второй конец соединен с проводящим держателем, при этом кондуктивный элемент связи расположен в плоскости, проходящей через продольную ось СВЧ-прибора.
В такой конструкции СВЧ-прибора вывод СВЧ-мощности из выходного резонатора в коаксиальную линию передачи на противофазном виде колебаний, то есть на частоте ω осуществляется эквивалентной петлей связи, образованной кондуктивным элементом связи, участком держателя, расположенным между кондуктивным элементом связи и боковой стенкой выходного резонатора, и участком боковой стенки выходного резонатора, расположенным между проводящим держателем и внешним проводником коаксиальной линии, причем плоскость эквивалентной петли связи лежит в плоскости, проходящей через продольную ось резонатора. Так как выходной резонатор СВЧ-прибора настроен только на один противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω, то при указанном положении эквивалентной петли связи силовые линии магнитного поля противофазного вида колебаний будут пересекать плоскость эквивалентной петли связи, что позволяет вывести СВЧ-мощность из выходного резонатора СВЧ-прибора в коаксиальную линию передачи на частоте ω. При этом за счет изменения площади эквивалентной петли связи можно получить требуемый уровень выходной СВЧ-мощности на частоте ω.
Таким образом, в известной конструкции СВЧ-прибора (в прототипе изобретения) при подаче на вход СВЧ-прибора входного СВЧ-сигнала с частотой ω в двухзазорном выходном резонаторе СВЧ-прибора возбуждаются СВЧ-колебания на частоте входного СВЧ-сигнала ω, при этом усиленная мощность выводится из СВЧ-прибора в коаксиальную линию передачи также только на этой рабочей частоте ω.
Задачей изобретения является создание СВЧ-прибора клистронного типа, обеспечивающего при подаче на вход СВЧ-прибора СВЧ-сигнала с частотой ω получение на его выходе СВЧ-колебаний одновременно на двух кратных частотах ω и 2ω, и осуществление вывода каждого из этих колебаний в отдельный канал.
В первом варианте изобретения предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, многорезонаторный группирователь электронных сгустков, двухзазорный выходной резонатор и коллектор, а также устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии, причем двухзазорный выходной резонатор содержит расположенные соосно продольной оси СВЧ-прибора первую и вторую пролетные трубы, прикрепленные к установленным перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора торцевым стенкам двухзазорного выходного резонатора, расположенным со стороны группирователя электронных сгустков и со стороны коллектора соответственно, и установленную между первой и второй пролетными трубами и отделенную от них высокочастотными зазорами центральную пролетную трубу, прикрепленную к боковой стенке двухзазорного выходного резонатора с помощью проводящего держателя, расположенного перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, а устройство для вывода СВЧ-энергии содержит первую коаксиальную линию передачи, которая установлена с внешней стороны двухзазорного выходного резонатора перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, внешний проводник первой коаксиальной линии передачи соединен с боковой стенкой двухзазорного выходного резонатора, а ее центральный проводник введен в двухзазорный выходной резонатор через первое отверстие в боковой стенке двухзазорного выходного резонатора, при этом первая коаксиальная линии передачи связана с двухзазорным выходным резонатором с помощью размещенного в двухзазорном выходном резонаторе кондуктивного элемента связи, выполненного в виде проводника, причем первый конец кондуктивного элемента связи соединен с центральным проводником первой коаксиальной линии передачи, при этом двухзазорный выходной резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой 2ω, при этом первая коаксиальная линия передачи расположена вблизи проводящего держателя, центральная пролетная труба двухзазорного выходного резонатора расположена равноудаленно от его торцевых стенок, второй конец кондуктивного элемента связи соединен с центральной пролетной трубой двухзазорного выходного резонатора, при этом кондуктивный элемент связи размещен в плоскости среднего поперечного сечения двухзазорного выходного резонатора, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, устройство для вывода СВЧ-энергии дополнительно содержит вторую коаксиальную линию передачи, которая установлена с внешней стороны двухзазорного выходного резонатора перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, внешний проводник второй коаксиальной линии передачи соединен с боковой стенкой двухзазорного выходного резонатора, а ее центральный проводник введен в двухзазорный выходной резонатор через второе отверстие в боковой стенке двухзазорного выходного резонатора, при этом вторая коаксиальная линии передачи связана с двухзазорным выходным резонатором с помощью размещенной в двухзазорном выходном резонаторе петли связи, выполненной в виде проводника, причем петля связи расположена напротив центральной пролетной трубы равноудаленно от торцевых стенок двухзазорного выходного резонатора, первый конец петли связи соединен с центральным проводником второй коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии, а второй конец петли связи соединен с боковой стенкой выходного резонатора, при этом угол α между плоскостью, в которой расположена петля связи, и плоскостью, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, выбирают из условия:
0°<α<180°,
а угол β между осями проводящего держателя и второй коаксиальной линии передачи, который отсчитывают от проводящего держателя в сторону первой коаксиальной линии передачи, выбирают из условия:
β=180°-240°
Во втором варианте изобретения предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, многорезонаторный группирователь электронных сгустков, двухзазорный выходной резонатор и коллектор, а также устройство для ввода СВЧ-энергии и устройство для вывода СВЧ-энергии, причем двухзазорный выходной резонатор содержит расположенные соосно продольной оси СВЧ-прибора первую и вторую пролетные трубы, прикрепленные к установленным перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора торцевым стенкам двухзазорного выходного резонатора, расположенным со стороны группирователя электронных сгустков и со стороны коллектора соответственно, и установленную между первой и второй пролетными трубами и отделенную от них высокочастотными зазорами центральную пролетную трубу, прикрепленную к боковой стенке двухзазорного выходного резонатора с помощью первого проводящего держателя, расположенного перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, а устройство для вывода СВЧ-энергии содержит первую коаксиальную линию передачи, которая установлена с внешней стороны двухзазорного выходного резонатора перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, внешний проводник первой коаксиальной линии передачи соединен с боковой стенкой двухзазорного выходного резонатора, а ее центральный проводник введен в двухзазорный выходной резонатор через первое отверстие в боковой стенке двухзазорного выходного резонатора, при этом первая коаксиальная линии передачи связана с двухзазорным выходным резонатором с помощью размещенного в двухзазорном выходном резонаторе кондуктивного элемента связи, выполненного в виде проводника, причем первый конец кондуктивного элемента связи соединен с центральным проводником первой коаксиальной линии передачи, при этом двухзазорный выходной резонатор настроен одновременно на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой 2ω, при этом первая коаксиальная линия передачи расположена вблизи первого проводящего держателя, центральная пролетная труба двухзазорного выходного резонатора расположена равноудаленно от его торцевых стенок, второй конец кондуктивного элемента связи соединен с центральной пролетной трубой двухзазорного выходного резонатора, при этом кондуктивный элемент связи размещен в плоскости среднего поперечного сечения двухзазорного выходного резонатора, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, устройство для вывода СВЧ-энергии дополнительно содержит вторую коаксиальную линию передачи, которая установлена с внешней стороны двухзазорного выходного резонатора перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, внешний проводник второй коаксиальной линии передачи соединен с боковой стенкой двухзазорного выходного резонатора, а ее центральный проводник введен в двухзазорный выходной резонатор через второе отверстие в боковой стенке двухзазорного выходного резонатора, при этом вторая коаксиальная линия передачи связана с двухзазорным выходным резонатором с помощью размещенной в двухзазорном выходном резонаторе петли связи, выполненной в виде проводника, причем петля связи расположена напротив центральной пролетной трубы равноудаленно от торцевых стенок двухзазорного выходного резонатора, первый конец петли связи соединен с центральным проводником второй коаксиальной линии вывода СВЧ-энергии, а второй конец петли связи соединен с боковой стенкой выходного резонатора, для крепления центральной пролетной трубы к боковой стенке двухзазорного выходного резонатора он дополнительно содержит второй проводящий держатель, расположенный напротив первого проводящего держателя и перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, при этом угол α между плоскостью, в которой расположена петля связи, и плоскостью, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, выбирают из условия:
0°<α<180°,
а угол γ между осями первого проводящего держателя и второй коаксиальной линии передачи, который отсчитывают от первого проводящего держателя в сторону первой коаксиальной линии передачи, выбирают из условия:
γ=240°-300°
В обоих вариантах предлагаемого изобретения двухзазорный выходной резонатор СВЧ-прибора настроен на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой 2ω. Таким образом, при подаче на вход СВЧ-прибора входного сигнала с частотой ω в двухзазорном выходном резонаторе одновременно возникают СВЧ-колебания двух основных видов колебаний при разнесении их частот на октаву. Вследствие этого в двухзазорном выходном резонаторе происходит взаимодействие сгруппированного электронного потока с СВЧ-полями двух основных видов колебаний этого резонатора одновременно, то есть отбор мощности от электронного потока происходит одновременно на двух видах колебаний (на двух кратных частотах ω и 2ω, а не на одной частоте ω, как в прототипе), что повышает эффективность отбора мощности от электронного потока. Настройка противофазного вида колебаний двухзазорного выходного резонатора на частоту ω, а синфазного вида колебаний - на частоту 2ω позволяет создать условия для оптимального взаимодействия электронного потока с СВЧ-полями этих видов колебаний двухзазорного выходного резонатора и, следовательно, для оптимального отбора СВЧ-мощности от электронного потока на этих двух видах колебаний одновременно. При этом величина СВЧ-мощности, полученной на выходе СВЧ-прибора на частотах ω и 2ω, существенно превышает величину СВЧ-мощности, поданной на вход СВЧ-прибора.
В предлагаемом изобретении двухзазорный выходной резонатор содержит расположенные соосно продольной оси СВЧ-прибора первую и вторую пролетные трубы и установленную между ними и отделенную от них высокочастотными зазорами центральную пролетную трубу, прикрепленную к боковой стенке двухзазорного выходного резонатора с помощью одного (в первом варианте изобретения) или двух (во втором варианте изобретения) проводящих держателей, каждый из которых расположен перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, при этом настройку двухзазорного выходного резонатора одновременно на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой 2ω осуществляют путем изменения размеров щели связи между двумя однозазорными резонаторами, образующими такой двухзазорный выходной резонатор.
Выполнение устройства для вывода СВЧ-энергии в виде двух коаксиальных линий передачи, первая из которых связана с выходным резонатором с помощью кондуктивного элемента связи, а вторая коаксиальная линия передачи связана с выходным резонатором через петлю связи, и заданное взаимное расположение этих коаксиальных линий передачи и элементов связи позволяют осуществить оптимальный вывод СВЧ-мощности из двухзазорного выходного резонатора СВЧ-прибора одновременно на двух кратных частотах ω и 2ω, причем СВЧ-мощность на частоте ω выводится в первую коаксиальную линию передачи, а СВЧ-мощность на частоте 2ω выводится во вторую коаксиальную линию передачи.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан СВЧ-прибор клистронного типа, выполненный согласно первому варианту изобретения.
На фиг.2-4 показан двухзазорный выходной резонатор с одним проводящим держателем для СВЧ-прибора по первому варианту изобретения, изображенному на фиг.1.
На фиг.5 показана аксонометрическая проекция двухзазорного выходного резонатора, изображенного на фиг.2-4.
На фиг.6 и 7 показано распределение электрического и магнитного полей, а также поверхностных СВЧ-токов в двухзазорном выходном резонаторе на синфазном и на противофазном видах колебаний соответственно.
На фиг.8 показан СВЧ-прибор клистронного типа, выполненный согласно второму варианту изобретения.
На фиг.9 и 10 показан двухзазорный выходной резонатор с двумя проводящими держателями для СВЧ-прибора по второму варианту изобретения, который изображен на фиг.8.
1
2
На фиг.11 приведены временные диаграммы распределения СВЧ-напряжений U и U соответственно в первом и втором ВЧ зазорах двухзазорного выходного резонатора для противофазного вида колебаний с частотой ω и для синфазного вида колебаний с частотой 2ω.
1
2
На фиг.12 приведены временные диаграммы распределения СВЧ-напряжений U и U соответственно в первом и втором ВЧ зазорах двухзазорного выходного резонатора для противофазного вида колебаний с частотой 2ω и для синфазного вида колебаний с частотой ω.
Согласно первому варианту изобретения СВЧ-прибор клистронного типа (изображенный на фиг.1) с двухзазорным выходным резонатором (изображенным на фиг.2-5) содержит электронную пушку 1, входной резонатор 2 и промежуточные резонаторы 3 (образующие в совокупности многорезонаторный группирователь электронных сгустков) с пролетными трубами 4, а также цилиндрический двухзазорный выходной резонатор 5, содержащий первую 6 и вторую 7 пролетные трубы, прикрепленные соответственно к торцевым стенкам 8 и 9 выходного резонатора 5 и центральную пролетную трубу 10, расположенную между пролетными трубами 6, 7, отделенную от них высокочастотными зазорами 11, 12 и прикрепленную к боковой стенке 13 выходного резонатора 5 с помощью проводящего держателя 14, при этом центральная пролетная труба 10 расположена равноудаленно от торцевых стенок 8, 9 выходного резонатора 5. СВЧ-прибор содержит также коллектор 15, устройство для ввода СВЧ-энергии, выполненное в виде установленной с внешней стороны входного резонатора 2 коаксиальной линии передачи 16, и устройство для вывода СВЧ-энергии, содержащее первую 17 и вторую 18 коаксиальные линии передачи.
Первая коаксиальная линия 17 устройства для вывода СВЧ-энергии установлена с внешней стороны выходного резонатора 5 перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора и расположена вблизи проводящего держателя 14. Внешний проводник 19 первой коаксиальной линии 17 соединен с боковой стенкой 13 выходного резонатора 5, а центральный проводник 20 первой коаксиальной линии 17 введен в выходной резонатор 5 через первое отверстие 21 в его боковой стенке 13. Первая коаксиальная линия 17 связана с выходным резонатором 5 с помощью размещенного в выходном резонаторе 5 кондуктивного элемента связи 22, выполненного в виде проводника, который размещен в плоскости среднего поперечного сечения выходного резонатора 5. Первый конец кондуктивного элемента связи 22 соединен с центральным проводником 20 первой коаксиальной линии 17, а второй конец кондуктивного элемента связи 22 соединен с центральной пролетной трубой 10.
Вторая коаксиальная линия 18 устройства для вывода СВЧ-энергии установлена с внешней стороны выходного резонатора 5 перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора. Внешний проводник 23 второй коаксиальной линии 18 соединен с боковой стенкой 13 выходного резонатора 5, а центральный проводник 24 второй коаксиальной линии 18 введен в выходной резонатор 5 через второе отверстие 25 в его боковой стенке 13. Вторая коаксиальная линия 18 связана с выходным резонатором 5 с помощью размещенной в выходном резонаторе 5 петли связи 26, выполненной в виде проводника и расположенной напротив центральной пролетной трубы 10 равноудаленно от торцевых стенок 8 и 9 выходного резонатора 5. Первый конец петли связи 26 соединен с центральным проводником 24 второй коаксиальной линии 18, а второй конец петли связи 26 соединен с боковой стенкой 13 выходного резонатора 5.
Угол α между плоскостью, в которой расположена петля связи 26, и плоскостью, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора (например, плоскостью, совпадающей с торцевой поверхностью пролетной трубы) выбирают из условия 0°<α<180°, а угол β между осями проводящего держателя 14 и второй коаксиальной линии 18 (который отсчитывают от проводящего держателя 14 в сторону первой коаксиальной линии 17) выбирают из условия β=180°-240°. В конструкции, показанной на фиг.1, угол α=90°, а угол β=180°.
Приведенное на фиг.6 распределение электрического (Е) и магнитного (Н) полей, а также поверхностных СВЧ-токов (I) в двухзазорном выходном резонаторе 5 на синфазном виде колебаний показывает следующее:
- электрические поля выходного резонатора 5 сосредоточены в двух высокочастотных зазорах 11, 12 и имеют одинаковые направления;
- магнитное поле выходного резонатора 5 сосредоточено в основном в области между центральной пролетной трубой 10 и боковой стенкой 13 выходного резонатора 5 и имеет максимальное значение в плоскости, проходящей через центр выходного резонатора 5 и перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора;
- поверхностные СВЧ-токи текут по стенкам 8, 9, 13 выходного резонатора 5 и проводящему держателю 14, при этом СВЧ-токи, текущие по двум сторонам проводящего держателя 14, имеют противоположные направления, поэтому магнитное поле вокруг проводящего держателя 14 отсутствует.
Приведенное на фиг.7 распределение электрического (Е) и магнитного (Н) полей, а также поверхностных СВЧ-токов (I) в двухзазорном выходном резонаторе 5 на противофазном виде колебаний показывает следующее:
- электрические поля выходного резонатора 5 сосредоточены в двух высокочастотных зазорах 11, 12 и имеют противоположные направления;
- магнитные поля резонатора сосредоточены в основном в областях выходного резонатора 5, расположенных напротив высокочастотных зазоров 11, 12, и имеют противоположные направления, причем эти магнитные поля имеет наибольшие значения в плоскостях, расположенных параллельно торцевым стенкам 8, 9 выходного резонатора 5 и проходящих через середины высокочастотных зазоров 11, 12;
- поверхностные СВЧ-токи, текущие по двум сторонам проводящего держателя 14, имеют одинаковые направления и создают дополнительное магнитное поле вокруг проводящего держателя 14.
Вывод СВЧ-мощности из двухзазорного выходного резонатора 5 СВЧ-прибора в первую коаксиальную линию передачи 17 на противофазном виде колебаний, то есть на частоте ω, осуществляется эквивалентной петлей связи, образованной кондуктивным элементом связи 22, участком центральной пролетной трубы 10 между кондуктивным элементом связи 22 и проводящим держателем 14, самим проводящим держателем 14 и участком резонатора 5, расположенным между проводящим держателем 14 и внешним проводником 19 первой коаксиальной линии 17, причем плоскость эквивалентной петли связи лежит в плоскости среднего поперечного сечения двухзазорного выходного резонатора 5, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора. При таком положении плоскости эквивалентной петли связи силовые линии магнитного поля противофазного вида колебаний, которое сосредоточено в основном вокруг проводящего держателя 14, будут пересекать плоскость эквивалентной петли связи, что обеспечивает вывод СВЧ-мощности в первую коаксиальную линию 17 на частоте ω, при этом магнитное поле синфазного вида колебаний в области расположения эквивалентной петли практически отсутствуют, вследствие чего СВЧ-мощность не будет выводиться в первую коаксиальную линию 17 на частоте 2ω. Расположение первой коаксиальной линии 17, а следовательно, и соединенного с ней кондуктивного элемента связи 22 вблизи проводящего держателя 14, позволяет эффективно регулировать величину добротности выходного резонатора 5 на противофазном виде колебаний для получения требуемого уровня выходной СВЧ-мощности на частоте ω за счет изменения площади эквивалентной петлей связи. При удалении первой коаксиальной линии 17 и кондуктивного элемента связи 22 от проводящего держателя 14 (в область выходного резонатора 5, где магнитное поле противофазного вида колебаний ослаблено) эффективность регулировки величины добротности выходного резонатора 5 снижается.
Вывод СВЧ-мощности из выходного резонатора 5 СВЧ-прибора во вторую коаксиальную линию передачи 18 на синфазном виде колебаний, то есть на частоте 2ω, осуществляется петлей связи 26, выполненной в виде проводника и расположенной напротив центральной пролетной трубы 10. Первый конец петли связи 26 соединен с центральным проводником 24 второй коаксиальной линии 18, а второй ее конец соединен с боковой стенкой 13 выходного резонатора 5. В этом случае угол α между плоскостью, в которой расположена петля связи 26, и плоскостью, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора, выбирается в интервале значений 0°<α<180°, так как только при таком положении плоскости петли связи 26 силовые линии магнитного поля синфазного вида колебаний в выходном резонаторе 5 будут пересекать плоскость петли связи 26, что обеспечивает вывод СВЧ-мощности во вторую коаксиальную линию 18 начастоте 2ω. При этом уровень выводимой из выходного резонатора 5 мощности будет увеличиваться при приближении значения угла α к 90° (при α=90° уровень выводимой СВЧ-мощности будет максимальным) и будет уменьшаться при приближении значения угла α к 0° или к 180°. Таким образом, выбирая угол α в указанном интервале значений 0°<α<180°, можно регулировать уровень выводимой из выходного резонатора 5 во вторую коаксиальную линию 18 СВЧ-мощности на частоте ω. При углах α=0° и α=180° силовые линии магнитного поля синфазного вида колебаний не будут пересекать плоскость петли связи 26 и СВЧ мощность не будет выводиться во вторую коаксиальную линию 18 на частоте 2ω. Уровень выводимой из выходного резонатора 5 СВЧ-мощности можно также регулировать, изменяя площадь петли связи 26.
При этом СВЧ мощность противофазного вида колебаний на частоте ω не будет выводиться во вторую коаксиальную линию 18. Это объясняется следующим. В случае если продольный размер петли связи 26 (то есть ее размер вдоль продольной оси СВЧ-прибора) существенно меньше длины центральной пролетной трубы 1, магнитное поле противофазного вида колебаний в области расположения петли связи 26 близко к нулевому значению. В случае если продольный размер петли связи 26 сравним с длиной центральной пролетной трубы 10 или превышает эту длину, то петлю связи 26 пронизывают силовые линии магнитного поля противофазного вида колебаний, при этом половину петли связи 26 пронизывают силовые линии магнитного поля одного направления, а другую половину петли связи 26 пронизывают силовые линии магнитного поля противоположного направления, в результате чего (при выполнении условия, что петля связи 26 расположена равноудаленно от торцевых стенок 8, 9 двухзазорного выходного резонатора 5), через петлю связи 26 СВЧ-мощность противофазного вида колебаний во вторую коаксиальную линию 18 не передается.
Выбор угла β между осями проводящего держателя 14 и второй коаксиальной линии передачи 18 в пределах от 180° до 240° обусловлен необходимостью максимального снижения взаимного влияния магнитных полей синфазного и противофазного видов колебаний. Это влияние будет незначительным, если вторая коаксиальная линия 18 будет достаточно удалена от проводящего держателя 14 и от расположенной вблизи него первой коаксиальной линии 17, что обеспечивается при выполнении условия β=180°÷240°. При углах β меньше 180° вторая коаксиальная линия 18 приближается к первой коаксиальной линии 17, а при углах β больше 240° вторая коаксиальная линия 18, хотя и удаляется от первой коаксиальной линии 17, но приближается к проводящему держателю 14, что приводит к увеличению взаимного влияния магнитных полей синфазного и противофазного видов колебаний и не обеспечивает прохождения СВЧ-мощности только на одном виде колебаний в каждую из коаксиальных линий передачи 17, 18 устройства для вывода СВЧ-энергии.
Согласно второму варианту изобретения СВЧ-прибор клистронного типа (изображенный на фиг.8) с двухзазорным выходным резонатором (изображенным на фиг.9 и 10) содержит электронную пушку 1, входной резонатор 2 и промежуточные резонаторы 3 (образующие в совокупности многорезонаторный группирователь электронных сгустков) с пролетными трубами 4, цилиндрический двухзазорный выходной резонатор 5 с первой 6, второй 7 пролетными трубами и расположенной между ними и отделенной от них высокочастотными зазорами 11 и 12 центральной пролетной трубой 10, а также коллектор 15, устройство для ввода СВЧ-энергии в виде установленной с внешней стороны входного резонатора 2 коаксиальной линии передачи 16 и устройство для вывода СВЧ-энергии, содержащее первую 17 и вторую 18 коаксиальные линии передачи, установленные с внешней стороны выходного резонатора 5 перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора.
В двухзазорном выходном резонаторе 5 первая 6 и вторая 7 пролетные трубы прикреплены соответственно к торцевым стенкам 8 и 9 этого резонатора, а центральная пролетная труба 10 расположена между пролетными трубами 6, 7 и равноудаленно от торцевых стенок 8 и 9.
Первая коаксиальная линия передачи 17 предназначена для вывода из выходного резонатора 5 СВЧ-мощности противофазного вида колебаний на частоте ω. Она расположена вблизи первого проводящего держателя 14. Внешний проводник 19 первой коаксиальной линии 17 соединен с боковой стенкой 13 выходного резонатора 5, а центральный проводник 20 первой коаксиальной линии 17 введен в выходной резонатор 5 через первое отверстие 21 в его боковой стенке 13. Первая коаксиальная линия 17 связана с выходным резонатором 5 с помощью размещенного в выходном резонаторе 5 кондуктивного элемента связи 22, выполненного в виде проводника, который размещен в плоскости среднего поперечного сечения выходного резонатора 5. Первый конец кондуктивного элемента связи 22 соединен с центральным проводником 20 первой коаксиальной линии 17, а второй конец кондуктивного элемента связи 22 соединен с центральной пролетной трубой 10.
Вторая коаксиальная линия 18 предназначена для вывода из выходного резонатора 5 СВЧ-мощности синфазного вида колебаний на частоте 2ω. Внешний проводник 23 второй коаксиальной линии 18 соединен с боковой стенкой 13 выходного резонатора 5, а центральный проводник 24 второй коаксиальной линии 18 введен в выходной резонатор 5 через второе отверстие 25 в его боковой стенке 13. Вторая коаксиальная линия 18 связана с выходным резонатором 5 с помощью размещенной в выходном резонаторе 5 петли связи 26, выполненной в виде проводника и расположенной напротив центральной пролетной трубы 10 равноудаленно от торцевых стенок 8 и 9 выходного резонатора 5. Первый конец петли связи 26 соединен с центральным проводником 24 второй коаксиальной линии 18, а второй конец петли связи 26 соединен с боковой стенкой 13 выходного резонатора 5.
Угол α между плоскостью, в которой расположена петля связи 26, и плоскостью, расположенной перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора (например, плоскостью, совпадающей с торцевой поверхностью пролетной трубы), выбирают так же, как в первом варианте изобретения, из условия: 0°<α<180° (в показанном на фиг.8 примере выполнения предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа угол α составляет 90°). Как и в первом варианте изобретения, выбор угла α в указанных предела обеспечивает вывод СВЧ-мощности из выходного резонатора 5 СВЧ-прибора во вторую коаксиальную линию передачи 18 на синфазном виде колебаний, то есть на частоте 2ω.
В отличие от первого варианта изобретения во втором варианте изобретения центральная пролетная труба 10 прикреплена к боковой стенке 13 выходного резонатора 5 с помощью расположенных напротив друг друга первого 14 и второго 27 проводящих держателей. Кроме того, угол γ между осями первого проводящего держателя 14 (вблизи которого расположена первая коаксиальная линия передачи) и второй коаксиальной линии 18, который отсчитывают от первого проводящего держателя в сторону первой коаксиальной линии передачи, выбирают из условия γ=240°-300° (в показанном на фиг.8 примере выполнения предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа угол γ составляет 270°).
Во втором варианте изобретения распределение электрического и магнитного полей, а также поверхностных СВЧ-токов в двухзазорном выходном резонаторе 5 на синфазном виде колебаний имеет такой же характер, как и в первом варианте изобретения. При этом во втором варианте изобретения по обеим сторонам второго проводящего держателя 27 также текут поверхностные СВЧ-токи, которые имеют противоположные направления для синфазного вида колебаний и одинаковое направление для противофазного вида колебаний. Поэтому вокруг второго проводящего держателя 27 (так же, как вокруг первого проводящего держателя 14) магнитное поле отсутствует для синфазного вида колебаний и создается дополнительное магнитное поле для противофазного вида колебаний.
Выбор угла γ между осями первого проводящего держателя 14 и второй коаксиальной линии передачи 18 в заданном интервале значений обусловлен необходимостью максимального снижения взаимного влияния магнитных полей синфазного и противофазного видов колебаний. Это влияние будет незначительным, если вторая коаксиальная линия 18 достаточно удалена как от первого проводящего держателя 14 (и от расположенной вблизи него первой коаксиальной линии 17), так и от второго проводящего держателя 27, что обеспечивается при выполнении условия γ=240°-300°. В этом случае вторая коаксиальная линия 18 расположена между двумя проводящими держателями 14, 27 в той части двухзазорного выходного резонатора 5, где первая коаксиальная линия 17 отсутствует.
При углах γ меньше 240° вторая коаксиальная линия 18 приближается ко второму проводящему держателю 27, а при углах γ больше 300° вторая коаксиальная линия 18 приближается к первому проводящему держателю 14, что приводит к увеличению взаимного влияния магнитных полей синфазного и противофазного видов колебаний и не обеспечивает прохождения СВЧ-мощности только на одном виде колебаний в каждую из коаксиальных линий передачи 17, 18 устройства для вывода СВЧ-энергии.
Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа по первому варианту изобретения, конструкция которого показана на фиг.1, работает следующим образом.
Электронный поток, сформированный электронной пушкой 1, проходя входной резонатор 2 СВЧ-прибора, модулируется по скорости с частотой входного СВЧ-сигнала ω, подаваемого на коаксиальную линию передачи 16 устройства для ввода СВЧ-энергии, в результате чего осуществляется группировка электронного потока по плотности. При прохождении электронного потока через последующие резонаторы 3 группирователя электронных сгустков происходит дальнейшая группировка электронов, в результате чего образуются сильно сгруппированные электронные сгустки с частотой повторения ω. Далее электронные сгустки поступают в двухзазорный выходной резонатор 5. В первом ВЧ зазоре 11 двухзазорного выходного резонатора 5 каждый электронный сгусток попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле, то есть в отрицательные фазы СВЧ-напряжения, противофазного и синфазного видов колебаний. Подбором параметров двухзазорного выходного резонатора 5 обеспечивают настройку его противофазного вида колебаний на частоту ω, а синфазного вида колебаний - на частоту 2ω. При этом расстояние между первым 11 и вторым 12 ВЧ зазорами двухзазорного выходного резонатора 5 выбирают таким образом, чтобы каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре 12 двухзазорного выходного резонатора 5 попал в тормозящее электрическое СВЧ-поле противофазного вида колебаний. При указанной настройке двухзазорного выходного резонатора 5 каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре 12 автоматически попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебаний. Таким образом, в первом 11 и втором 12 ВЧ зазорах двухзазорного выходного резонатора 5 электронные сгустки всегда попадают в тормозящую фазу электрических СВЧ-полей противофазного и синфазного видов колебаний, что приводит к эффективному отбору энергии от электронного потока СВЧ-полями противофазного и синфазного видов колебаний одновременно.
пр.ф.1
пр.ф.2
c.ф.1
с.ф.2
Эти результаты поясняются диаграммами, приведенными на фиг.11, на которых показано распределение в двухзазорном выходном-резонаторе 5 СВЧ-напряжений противофазного вида колебаний U и U с частотой ω и синфазного вида колебаний U и U с частотой 2ω соответственно в первом 11 и втором 12 ВЧ зазорах в зависимости от времени t, а также показано положение электронного сгустка 28. Из указанных временных диаграмм видно, что в обоих ВЧ зазорах электронные сгустки всегда попадают в тормозящую фазу электрического СВЧ-поля.
пр.ф.1
пр.ф.2
с.ф.1
с.ф.2
При обратной настройке, когда противофазный вид колебаний двухзазорного выходного резонатора 5 настроен на частоту 2ω, а синфазный вид колебаний - на частоту ω, каждый электронный сгусток 28 попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебание в первом 11 и во втором 12 ВЧ зазорах двухзазорного выходного резонатора 5, то есть электронный сгусток отдает энергию СВЧ-полю в этих ВЧ зазорах. Для противофазного вида колебаний двухзазорного выходного резонатора 5 электронный сгусток в первом ВЧ зазоре 11 двухзазорного выходного резонатора 5 попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле, то есть также отдает энергию СВЧ-полю этого ВЧ зазора. При этом во втором ВЧ зазоре 12 электронный сгусток попадает в ускоряющее электрическое СВЧ-поле, то есть отбирает энергию от СВЧ-поля двухзазорного выходного резонатора 5, что снижает эффективность работы СВЧ-прибора. Эти результаты поясняются приведенными на фиг.12 временными диаграммами распределения в двухзазорном выходном резонаторе 5 СВЧ-напряжений противофазного вида колебаний U и U с частотой 2ω и синфазного вида колебаний U и U с частотой ω соответственно в первом и втором ВЧ зазорах.
Таким образом (как видно из фиг.11 и 12), эффективный отбор энергии от электронного сгустка происходит только тогда, когда противофазный вид колебаний двухзазорного выходного резонатора настроен на частоту ω (частоту повторения электронных сгустков), а синфазный вид колебаний настроен на частоту 2ω.
Из двухзазорного выходного резонатора 5 СВЧ-энергия на частоте ω поступает в первую коаксиальную линию передачи 17 устройства для вывода СВЧ-энергии, а затем в нагрузку. СВЧ-энергия на частоте 2ω поступает во вторую коаксиальную линию передачи 18 устройства для вывода СВЧ-энергии, а затем в нагрузку. При этом к первой коаксиальной линии передачи 17 подсоединен кондуктивный элемент связи 22, обеспечивающий связь коаксиальной линии 17 с двухзазорным выходным резонатором 5. Ко второй коаксиальной линии передачи 18 подсоединена петля связи 26, обеспечивающая связь второй коаксиальной линии 18 с двухзазорным выходным резонатором 5. Заданное расположение кондуктивного элемента связи 22 и петли связи 26 в выходном резонаторе 5 обеспечивают одновременный вывод СВЧ-мощности из выходного резонатора 5 на противофазном виде колебаний (посредством кондуктивного элемента связи 22) в первую коаксиальную линию передачи 17 и на синфазном виде колебаний (посредством петли связи 26) во вторую коаксиальную линию передачи 18.
Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа по второму варианту изобретения, конструкция которого показана на фиг.8, работает аналогичным образом.
Таким образом, предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа (по первому и второму вариантам изобретения), обеспечивает при подаче на вход СВЧ-прибора СВЧ-сигнала с частотой ω получение на его выходе СВЧ-колебаний одновременно на двух кратных частотах ω и 2ω и осуществление вывода каждого из этих колебаний в отдельный канал, что расширяет функциональные возможности СВЧ-прибора. При этом величина СВЧ-мощности, полученной на выходе СВЧ-прибора на частотах ω и 2ω, существенно превышает величину СВЧ-мощности, поданной на вход СВЧ-прибора.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1658771, МПК: H01J 25/10, опубл. 15.06.1992 г.
2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 2. М.: Высшая школа, 1972, с.152-152.
3. Патент США №4284922, МПК: H01J 25/10, опубл, 18.08.1981 г.
4. Патент РФ №2390870, МПК: H01J 25/02, опубл, 27.05.2010 г.
5. Патент РФ №2194330, МПК: H01J 25/10, опубл, 10.12.1992 г.