МИНИАТЮРНЫЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ КЛИСТРОН
MINIATURE MULTI-BEAM KLYSTRON

Изобретение относится к миниатюрным многолучевым клистронам, используемым в качестве усилителей мощности электромагнитных волн коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн в передатчиках радиолокационных станций, системах связи и в источниках СВЧ-мощности, а также в другой радиотехнической аппаратуре, работающей в импульсном или в квазиимпульсном режимах.
Основной проблемой при создании многолучевых клистронных СВЧ-усилителей является получение максимально широкой полосы усиления при заданном уровне выходной мощности, низких питающих напряжениях и минимальной массе и габаритах.
Расширение полосы усиливаемых частот обычно достигается использованием в выходной цепи клистронов пассивных резонаторов [Авторское свидетельство SU 880158 А1, опубл. 07.03.1992], образующих единую фильтровую систему с выходным активным однозазорным или двухзазорным резонатором [Патент США 3484861 А, опубл. 16.12.1969], [Патент США 3299312 А, опубл. 17.01.1967].
Например, переход к двухконтурной фильтровой системе увеличивает относительную полосу частот на уровне 1 дБ в 2,4 раза, а к трехконтурной - в 2,8 раза [Пасманник В.И. Системы связанных контуров. М.: Физматлит., 2005]. Однако конструктивная и технологическая сложность при изготовлении такой системы в многолучевом клистроне значительно возрастают.
2
0
Известен однолучевой клистрон [Патент США 3375397, опубл. 26.03.1968 г.], в резонаторную систему которого, состоящую из набора однозазорных резонаторов, с целью увеличения полосы усиления и КПД при сохранении габаритов и массы введена прямая электромагнитная связь между предвыходным и выходным активными резонаторами с помощью аксиально-симметричного элемента связи, выполненного в общей для обоих резонаторов стенке. За счет такого элемента электромагнитной связи в полосе пропускания резонансной системы возбуждаются две близко расположенные моды, соответствующие синфазному и противофазному видам колебаний высокочастотного электрического поля в двойном зазоре. Причем для взаимодействия с электронным потоком, как правило, используется синфазный (2π) вид колебаний. Выбор оптимального угла пролета между центрами зазоров осуществляется из условий достижения максимального значения эффективного характеристического сопротивления ρМ (где ρ=R/Q - характеристическое сопротивление на основном виде колебаний, М - коэффициент эффективности взаимодействия) и отсутствия паразитного самовозбуждения на неосновном виде колебаний. Для выполнения последнего условия возникает необходимость принудительного снижения добротности резонанса на π-виде колебаний, так как связь нерабочего вида с выходным трактом становится малой и его нагруженная добротность стремится к собственной. Снизить добротность можно, например, путем размещения поглощающей керамики в области резонатора. Однако это вызывает значительные конструктивные и технологические проблемы при создании многолучевого прибора, предназначенного для работы на крайне высоких частотах.
Известна также конструкция мощного однолучевого клистрона S-диапазона, в которой два связанных активных однозазорных резонатора (выходной и предвыходной) использовались как элементы фильтровой системы [Z. Zhang, В. Shen, X. Yu, F. Zhu, Y. Han, Y. Huang, F. Zhang Development of an S-band 22-kW-averadge-power-klystron with 7.14% relative bandwidth. //IEEE Transaction on Electron Devices. 2011. Vol. 58, No. 8, pp. 2789]. Для получения симметричной амплитудно-частотной характеристики предвыходной резонатор настраивался на более высокую частоту, чем выходной резонатор.
Однако в этой конструкции так же, как и в предыдущем аналоге, возникает необходимость подавления паразитного самовозбуждения путем принудительного снижения добротности нерабочей моды колебаний, не используемой для взаимодействия с электронами.
Известна конструкция многолучевого миниатюрного низковольтного клистрона 2-х сантиметрового диапазона длин волн, в которой использован традиционный для клистронов способ расширения полосы усиливаемых частот, основанный на использовании в выходной цепи клистронов пассивного резонатора, образующего единую фильтровую систему с выходным активным двухзазорным резонатором [Востров М.С. Широкополосный миниатюрный многолучевой клистрон 2-см диапазона длин волн с полосой рабочих частот не менее 300 МГц и неравномерностью выходной мощности не более 1,5 дБ //Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2018: материалы 13-й междунар. науч.-техн. конф., г. Саратов, 27-28 сент. 2018 г. - Т. 1. С. 232-237].
С целью обеспечения полосы пропускания выходной резонансной системы не менее 300 МГц в качестве активного выходного резонатора в клистроне применен двухзазорный резонатор, работающий на первой пространственной гармонике синфазного вида колебаний. Он имеет высоту 3,4 мм и угол пролета между зазорами 5,6 радиан.
2
Однако возможности дальнейшего повышения рабочей частоты до 35-40 ГГц при сохранении выходной импульсной мощности, полосы усиливаемых частот, малых габаритов и массы прибора практически исчерпаны. Это связано с тем, что с ростом частоты из-за уменьшения размеров резонаторов резко падает эффективное характеристическое сопротивление выходного двухзазорного резонатора ρМ и уменьшается его устойчивость к тепловым нагрузкам. Кроме того, для сохранения полосы усиления на уровне 300 МГц необходимо увеличивать число пассивных резонаторов. При этом ухудшаются массогабаритные характеристики клистрона, а технологические трудности изготовления такой резонансной системы, резко возрастающие при переходе в миллиметровый диапазон, обуславливают низкий процент выхода годных приборов и их высокую стоимость. Также в сложной системе последовательно связанных одного активного и нескольких пассивных резонаторов фильтровой системы трудно обеспечить минимальный перепад коэффициента передачи СВЧ-мощности из активного выходного резонатора в выходной тракт в широкой полосе частот.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция широкополосного многолучевого клистрона с многозвенной фильтровой системой [Патент РФ №2645298, опубл. 20.02.2018].
Клистрон предназначен для работы в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. Он содержит электронную пушку, коллектор и расположенную между ними электродинамическую систему, включающую промежуточные резонаторы, входной и выходной активные резонаторы с узлами ввода и вывода СВЧ-энергии, в состав которых входят: вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, состоящие из круглых диэлектрических стержней и диафрагм, в которых выполнены щели связи пассивных резонаторов с выходным и входным активными резонаторами; отрезки входного и выходного прямоугольных волноводов с пассивными резонаторами в виде настроечных штырей, выполненных с возможностью изменения их длины, а также с настроечными волноводными диафрагмами, по крайней мере одна из которых расположена между первым настроечным штырем, находящимся в непосредственной близости от торцевой части диэлектрического стержня, и последующими настроечными штырями.
2
Изменение длины первого настроечного штыря позволяет настроить прямоугольный волновод с диэлектрической неоднородностью на резонансную частоту активного выходного резонатора или с заданной отстройкой от этой частоты. Однако в таком приборе трудно обеспечить без применения дополнительных пассивных резонаторов минимальный перепад коэффициента передачи СВЧ-мощности из входного тракта во входной активный резонатор и из выходного активного резонатора в выходной тракт в широкой полосе частот клистрона. Кроме того, достижение в Ku-диапазоне полосы усиливаемых частот более 1,5% при уровне выходной импульсной мощности более 500 Вт затруднено из-за малого эффективного характеристического сопротивления ρМ выходного активного однозазорного резонатора (порядка 15-20 Ом).
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение полосы усиления низковольтного многолучевого широкополосного клистрона без увеличения габаритов и массы его входной и выходной резонаторных систем при сохранении уровня выходной мощности, повышение надежности и качества радиосвязи при сохранении тепловой устойчивости резонаторного блока.
max
Технический результат достигается тем, что в миниатюрном многолучевом клистроне, предназначенном для работы в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, содержащем электронную пушку, коллектор и расположенную между ними электродинамическую систему, включающую промежуточные резонаторы, входной и выходной активные резонаторы с узлами ввода и вывода СВЧ-энергии, в состав которых входят вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, состоящие из круглых диэлектрических стержней и выходной диафрагмы с щелями связи. При этом миниатюрный многолучевой клистрон также содержит отрезки входного и выходного прямоугольных волноводов с пассивными резонаторами в виде настроечных штырей, выполненных с возможностью изменения их длины, а также с настроечными волноводными диафрагмами, по крайней мере одна из которых расположена между первым настроечным штырем, находящимся в непосредственной близости от торцевой части диэлектрического стержня, и последующими настроечными штырями, настроечные волноводные диафрагмы выполнены в виде пластин, изогнутых в средней их части в сторону диэлектрических стержней под углом 45÷50 градусов, а щель связи, по крайней мере в выводе СВЧ энергии, выполнена так, что поперечные размеры этой щели выбраны из условия обеспечения дополнительной электромагнитной связи между выходным активным резонатором и предвыходным промежуточным резонатором, причем расстояние между центрами зазоров этих резонаторов S и максимальный продольный размер щели L в диафрагме выбраны из следующих соотношений:
е
0
0
0
0
где R - радиус диэлектрического стержня, м; d - длина зазора, м;  - длина пролетной трубы, м; β=2πƒ/ν - постоянная распространения электронного потока, ƒ - центральная частота полосы усиления, Гц; ν - скорость электронного потока, м/с.
Другим отличием от прототипа является то, что ширина щели связи имеет разную форму на различных расстояниях от центра выходного резонатора, так что в области, примыкающей к центру зазора предвыходного резонатора, она имеет форму эллипса, большая ось которого ориентирована в перпендикулярном направлении по отношению к линии, проходящей через центры зазоров, а в области, примыкающей к центру зазора выходного резонатора, щель имеет форму прямоугольника, вертикальная сторона которого равна расстоянию между фокусами эллипса; причем размеры эллипса выбраны из следующих соотношений:
a
где b - большая полуось эллипса,  - малая полуось, с - половина фокусного расстояния.
5
6
н
c
Следующим отличием от прототипа является то, что резонансная частота предвыходного промежуточного резонатора f выбрана выше на 3-4% по частоте, чем частота выходного активного резонатора f; резонансная частота настроечной волноводной диафрагмы соответствует частоте fнижнего края полосы пропускания, а резонансная частота диэлектрического стержня f находится на склоне левой ветви амплитудно-частотной характеристики.
Указанные существенные признаки отличают заявляемое решение от прототипа и обусловливают соответствие этого решения критерию «новизна».
Предлагаемое изобретение позволяет при работе в Ku- диапазоне примерно в два раза расширить широкую полосу усиливаемых частот без увеличения габаритов и массы его входной и выходной резонаторных систем при сохранении уровня выходной мощности и тепловой устойчивости резонаторного блока.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид многолучевого клистрона. На фиг. 2а изображено поперечное сечение выходной части клистрона с новой конфигурацией настроечной волноводной диафрагмы. На фиг. 2б показан внешний вид вакуумно-плотных диэлектрических СВЧ-окон с отрезками входного и выходного прямоугольных волноводов. На фиг. 3а показан внешний вид выходной диафрагмы, а на фиг. 3б изображена форма поперечного сечения щелей связи в этой диафрагме и ее характерные размеры. Зависимости коэффициента взаимодействия М и относительной электронной проводимости Ge/Go от угла пролета между центрами зазоров выходного и предвыходного резонаторов приведены на фиг. 4. На этом рисунке показаны оптимальные области выбора углов пролета соответственно для I и II (рабочая область) пространственных гармоник.
c
c
На фиг. 5 приведена экспериментально полученная на этапе «холодных» измерений амплитудно-частотная характеристика выходной резонансной системы, подтверждающая расширение полосы усиления. На фиг. 6 показаны экспериментально измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) прибора: 1 - АЧХ прибора без цепочки пассивных резонаторов в случае отсутствия электромагнитной связи между выходным активным и предвыходным промежуточным резонаторами; 2 - АЧХ прибора с многозвенной фильтровой системой на выходе прибора при наличии электромагнитной связи между выходным активным и предвыходным промежуточным резонаторами (резонансная частота диэлектрического стержня f находится на склоне левой ветви амплитудно-частотной характеристики); 3 - АЧХ прибора с многозвенной фильтровой системой на выходе прибора при наличии электромагнитной связи между выходным активным и предвыходным промежуточным резонаторами (резонансная частота диэлектрического стержня f находится в центре амплитудно-частотной характеристики).
Позициями на фиг. 1, фиг. 2 а-б, фиг. 3 а-б, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 обозначены:
1 - электронная пушка;
2 - коллектор;
3 - промежуточные резонаторы;
4 - входной активный резонатор;
5 - выходной активный резонатор;
6 - узел ввода СВЧ энергии;
7 - узел вывода СВЧ энергии;
8 - круглый диэлектрический стержень;
9 - выходная диафрагма;
10 - щель связи входного активного резонатора;
11 - щель связи выходного активного резонатора;
12 - входной прямоугольный волновод;
13 - выходной прямоугольный волновод;
14 - пассивные резонаторы в виде настроечных штырей;
15 - настроечные волноводные диафрагмы;
16 - первый настроечный штырь.
Работа миниатюрного многолучевого клистрона осуществляется следующим образом. С помощью электронной пушки (1) под воздействием ускоряющего напряжения формируется многолучевой электронный поток, который пропускается через каналы для пролета электронных лучей, выполненные во входном (4), промежуточных (3) и выходном (4) активных резонаторах. После прохождения резонаторов электронные лучи рассеиваются на коллекторе (2).
10
c
Входной СВЧ-сигнал подается в отрезок прямоугольного волновода (12), входящего в состав узла ввода энергии (6), и возбуждает в нем электромагнитное поле волны типа Н, которое, в свою очередь, возбуждает многозвенную широкополосную фильтровую систему, состоящую из пассивных резонаторов в виде настроечной волноводной диафрагмы 15 и первого настроечного штыря 16, образующего вместе с круглым диэлектрическим стержнем 8 перестраиваемый металло-диэлектрический резонатор, резонансная частота которого f настраивается на склон левой ветви амплитудно-частотной характеристики.
Возбуждение активного входного резонатора происходит через щель связи 10, обеспечивающую дополнительную электромагнитную связь между входным активным резонатором и вторым промежуточным резонатором. Ширина щели связи имеет разную форму на различных расстояниях от центра входного резонатора. В области второго резонатора она расширяется. При этом нагруженная добротность второго резонатора уменьшается и становится примерно равной добротности входного активного резонатора, связанного с нагрузкой.
Расстояние между центрами зазоров этих резонаторов выбирают из условия отсутствия самовозбуждения, что соответствует положительным значениям относительной электронной проводимости Ge/Go (фиг. 4).
При реализации указанных условий входная резонансная система обеспечивает возбуждение во входном двойном ВЧ-зазоре продольного электрического СВЧ-поля примерно одинаковой напряженности на всех частотах рабочего диапазона клистрона. Формирование плотных электронных сгустков происходит при последовательном прохождении электронными лучами промежуточных резонаторов (3), где осуществляется дополнительная модуляция электронов по скорости, и труб дрейфа, в которых происходит модуляция электронов по плотности.
Для создания примерно одинаковой амплитуды первой гармоники наведенного тока в выходной колебательной системе клистрона на всех частотах рабочего диапазона с помощью механизмов настройки частот производят соответствующую настройку резонансных частот промежуточных резонаторов (3). Пролетая через зазор выходного активного резонатора (5), сгустки электронов попадают в тормозящую фазу СВЧ-поля двойного ВЧ-зазора, образованного между выходным и предвыходным резонаторами.
Вследствие сильного торможения сгустков высокочастотным полем скорость электронов в этой области взаимодействия уменьшается примерно в 1,2-1,3 раза по сравнению с областью входного резонатора. Это приводит к увеличению угла пролета. Поэтому в выходной области расстояние между центрами зазоров этих резонаторов выбирают из условия отсутствия самовозбуждения, соответствующего отрицательным значениям относительной электронной проводимости Ge/Go (фиг. 4).
5
6
н
c
Оптимальным для реализации широкополосного усиления режимом работы является выбор резонансной частоты предвыходного промежуточного резонатора f на 3-4% выше по частоте, чем частота выходного активного резонатора f. При этом резонансная частота настроечной волноводной диафрагмы соответствует частоте f нижнего края полосы пропускания, а резонансная частота диэлектрического стержня f может с помощью первого настроечного штыря 16, настраиваться на склон левой ветви амплитудно-частотной характеристики (см. фиг. 5). В этом случае реализуется однополосный режим усиления с широкой полосой усиливаемых частот более 2%.
c
Возможен также режим настройки выходной фильтровой системы, при которой резонансная частота диэлектрического стержня f может с помощью первого настроечного штыря 16 механически (или электрически) настраиваться на любую рабочую частоту, находящуюся в полосе усиления. В этом случае возможен режим работы клистрона в двух близко расположенных полосах усиления (фиг. 6).
Так как конструкция выходной фильтровой системы многолучевого широкополосного клистрона полностью идентична входной, то в ней благодаря оптимальной форме щели связи 11 происходит передача электромагнитных волн из выходного активного резонатора через узел вывода энергии 7 в выходной прямоугольный волновод 13, связанный нагрузкой с заданным коэффициентом передачи во всем рабочем диапазоне клистрона.
Переход к многозвенной фильтровой системе, состоящей из предвыходного промежуточного 3, выходного активного резонатора 4 и пассивных резонаторов 14, 16 и настроечных волноводных диафрагм 15, расположенных в узле вывода энергии приводит к расширению полосы усиления этого прибора (примерно в 2,8-3 раза) без увеличения его габаритов и массы.
Вследствие того, что предложенный низковольтный клистрон работает на второй пространственной гармонике (зона II на фиг. 4) высоты предвыходного промежуточного и выходного активного резонаторов, а также толщина перегородки между ними могут быть увеличены примерно в 1,5 раза. Это позволяет увеличить в коротковолновой части сантиметрового и миллиметровом диапазонах длин волн, где размеры резонаторов малы, величину эффективного характеристического сопротивления этих резонаторов. В конечном счете это способствует достижению широкой полосы, без увеличения габаритов и массы прибора, при сохранении уровня его выходной мощности порядка 300-500 Вт.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 880158 А1, опубл. 07.03.1992.
2. Патент США 3484861 А, опубл. 16.12.1969.
3. Патент США 3299312 А, опубл. 17.01.1967.
4. Пасманник В.И. Системы связанных контуров. М.: Физматлит., 2005.
5. Патент США 3375397 А, опубл. 26.03.1968.А
6. Z. Zhang, В. Shen, X. Yu, F. Zhu, Y. Han, Y. Huang, F. Zhang Development of an S-band 22-kW-averadge-power-klystron with 7.14% relative bandwidth. //IEEE Transaction on Electron Devices. 2011. Vol. 58, No. 8, pp. 2789.
7. Востров М.С. Широкополосный миниатюрный многолучевой клистрон 2-см диапазона длин волн с полосой рабочих частот не менее 300 МГц и неравномерностью выходной мощности не более 1,5 дБ //Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2018: материалы 13-й междунар. науч.-техн. конф., г. Саратов, 27-28 сент. 2018 г. - Т. 1. -. С. 232-237.
8. Патент РФ №2645298, опубл. 20.02.2018.