ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЙ МИКРОВОЛНОВЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР КЛИСТРОННОГО ТИПА
KLYSTRON TYPE ELECTROVACUUM MICROWAVE MASTER OSCILLATOR

Изобретение относится к устройствам генерирования электрических колебаний с использованием изменения времени пролета электронов, а именно к автогенераторным электровакуумным микроволновым приборам клистронного типа, применяемым в качестве источников электромагнитных колебаний в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн. Работа автогенераторных микроволновых приборов клистронного типа (как усилителей, так и генераторов) основана на принципе скоростной модуляции (то-есть, - изменении времени пролета электронов), которая происходит в зазорах резонаторов под действием продольного ВЧ-поля с частотой, соответствующей частоте входного сигнала.
Дальнейшее движение модулированного по скорости электронного пучка в трубах дрейфа приводит к группировке электронов в сгустки и появлению и росту переменной составляющей конвекционного тока. Для передачи энергии от модулированного по плотности электронного потока электромагнитному полю выходного резонатора сгустки электронов должны проходить зазор этого резонатора в максимуме тормозящего полупериода ВЧ напряжения Наличие цепи положительной обратной связи создает возможность для возбуждения устойчивых колебаний без воздействия внешнего сигнала.
Выходной сигнал, проходя через цепь положительной обратной связи, сдвигается по фазе на угол ϕ. Проходя через клистронный усилитель, этот сигнал сдвигается на тот же угол и возвращается на выход этого усилителя в той же фазе, в какой начинался цикл прохождения сигнала по петле ПОС. Это условие называют балансом фаз. Кроме того, сигнал, проходя по цепи ПОС, ослабляется с помощью аттенюатора в К раз, а проходя через усилитель, увеличивается в К раз, и приходит на выход усилителя с той же самой амплитудой. Это условие называют балансом амплитуд.
Конструктивно клистронный автогенератор (КАГ) обычно содержит однолучевую электронно-оптическую систему (ЭОС), двухрезонаторную резонансную структуру, высокочастотные зазоры в которой образованы между торцевыми частями пролетных труб, укрепленных на боковых крышках резонаторов, а также цепь положительной обратной связи, состоящую из ввода и вывода энергии, соединенных передающими трактами с аттенюатором и фазовращателем. Пучок электронов в клистронных генераторах, построенных по классической кольцевой схеме, формируется с помощью термоэмиссионных катодов. (Ю.А. Кацман. Приборы сверхвысоких частот. М. - Высшая школа. - 1973 [1], И.В. Лебедев. Техника и приборы сверхвысоких частот. М. - Высшая школа. - 1972 [2]).
Известен, например, многорезонаторный клистронный автогенератор с цепью положительной обратной связью, содержащей последовательно включенные аттенюатор и фазовращатель, соединенные коаксиальными линиями передачи с вводом и выводом энергии клистрона (Б.С. Дмитриев, Ю.Д. Жарков, Д.В. Клокотов, Н.М. Рыскин. Экспериментальное исследование сложной динамики в многорезонаторном клистронном автогенераторе с запаздывающей обратной связью. ЖТФ. - 2003. - Том 73. - Вып. 7. - Стр. 105-110). В этом приборе, наблюдаются режимы стационарной одночастотной генерации в случае, когда ток пучка превышает порог самовозбуждения. Недостатком такой схемы КАГ является большая величина стартового тока.
Известен также двухкаскадный клистронный автогенератор, состоящей из двух последовательно соединенных многорезонаторных клистронов, когда выход каждого парциального клистрона соединен через цепь обратной связи с входом другого, т.е. соединение клистронов в каскад последовательное [Б.С. Дмитриев, Ю.Д. Жарков, В.Н. Скороходов, П.Ю. Семеновых, А.А. Бирюков / Каскадный клистронный автогенератор с запаздыванием // ЖТФ. 2005. Т. 75. Вып. 12. С. 94-97]. В этом устройстве удается реализовать значительно меньший пусковой ток и больший уровень выходной мощности.
Однако такой каскадный клистронный автогенератор, из-за большого числа резонаторов, имеет большие габариты и массу. Кроме того, его конструкцию сложно реализовать в коротковолновой части микроволнового диапазона.
Можно упростить конструкцию прибора, используя схему двухрезонаторного клистрона. Однако это требует значительного увеличения тока электронного потока, что может быть достигнуто путем использования в таких КАГ электронно-оптических систем (ЭОС) с пространственно-развитыми электронными потоками (например, полыми или многолучевыми).
020
Известен, например, электровакуумный микроволновый автогенератор клистронного типа, содержащий два однозазорных тороидальных резонатора, в которых возбуждается E вид колебаний (патент №2000-0039545 Ким, Hyung - Сек),. Резонаторы выполнены с возможностью пропускания через них однонаправленного электронного потока кольцевого сечения и электромагнитно соединены между собой с помощью разомкнутого отрезка коаксиальной линии, установленного по центру этих резонаторов. Отрезок коаксиального кабеля выполняет функцию внешней цепи обратной связи, обеспечивающей выполнение амплитудного и фазового условий самовозбуждения клистрона.
020
010
Применение полого пучка позволяет уменьшить его сопротивление по постоянному току и, тем самым, уменьшить величину стартового тока, а также увеличить уровень выходной мощности. Конструктивное размещение цепи обратной связи внутри резонансной системы упрощает конструкцию прибора. В таком устройстве использованы однозазорные тороидальные полые резонаторы, работающие на виде E. Однако они имеют более низкое характеристическое сопротивление, чем обычные однозазорные резонаторы, работающие на виде E. Так что рост КПД и уровня выходной мощности при их использовании в конструкции КАГ невелик. Кроме того, источником электронов в КАГ являются громоздкие термоэмиссионные катоды, не позволяющие получить большую плотность тока в пучке из-за ограниченных размеров площади эмиссионной поверхности катодов.
В связи с появлением матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК), появляется возможность создания миниатюрных КАГ с резонаторами, изготавливаемыми в едином технологическом цикле с МАЭК [Analysis of the possibility of performing microminiature low-voltage electronic devices for vacuum millimeter-wavelength integral circuits / Yu.V. Gulyaev et al. // - Proc. from the Int. Conf. on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications. - San-Diego, Calif., USA. - 1994. - pp. 159-165.].
Известен, например, микроволновый электровакуумный генератор с отражением электронного потока (В.А. Царев, Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко. Патент №2485618. РФ, МПК7 H01J 25/20. Заявл. 23.12.2011; опубл. 20.06.2013). Этот автогенератор содержит автоэмиссионный источник первичных электронов в виде отдельных матриц, управляющую сетку с функцией умножителя-концентратора электронов, первую и вторую мелкоструктурную сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора. Для создания внутренней положительной обратной связи в этом генераторе используется интенсивный отраженный электронный поток, формирование которого производится с помощью отражателя, содержащего на его поверхности источник вторичных электронов в виде тонкой пленки материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии.
Однако такой генератор, несмотря на свою простоту, не позволяет получить КПД более 2%.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухкаскадный электровакуумный микроволновый автогенератор (MILLIMETER/SUBMILLIMETER WAVE GENERATOR, патент KR №100656090000), который состоит из, по крайней мере, двух пролетных двухрезонаторных клистронов, охваченных цепью положительной внешней обратной связи, реализуемой за счет того, что вывод энергии выходного однозазорного резонатора первого клистрона соединен с вводом энергии входного однозазорного резонатора второго клистрона, а вывод энергии второго клистрона соединен с вводом энергии первого клистрона, причем электронно-оптические системы, содержащие каждая источник электронов, торцевые пролетные трубы, укрепленные на боковых крышках резонаторов, анод и коллектор, которые подключены к источнику ускоряющего напряжения и выполнены с возможностью пропускания через парциальные клистроны электронных пучков в противоположных направлениях. Возможны также варианты конструкции этого устройства, когда множество подобных по конструкции генераторов симметрично расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения встречных электронных потоков, обеспечивая суммарное сложение мощностей. Это устройство было выбрано в качестве прототипа для настоящего изобретения.
Однако в таком устройстве при реализации генераторного режима работы необходимо обеспечить передачу части генерируемой в выходном резонаторе мощности в соответствующий входной резонатор с помощью отверстий связи в стенках соседних резонаторов. Наличие этих элементов в цепи положительной обратной связи вносит дополнительные потери, которые увеличиваются с ростом частоты и с увеличением уровня передаваемой мощности. Выходная мощность генерируемого сигнала в таких устройствах ограничена использованием в их резонансной системе однозазорных резонаторов, электродинамические параметры которых (собственная добротность, характеристическое сопротивление, контурный КПД) резко ухудшаются в миллиметровом диапазоне длин волн (А.Д. Григорьев «Многозазорные резонаторы для мощных усилительных клистронов миллиметрового диапазона длин волн»). Кроме того, из-за малых размеров резонаторов, возникают большие технологические трудности их изготовления обычными методами механической обработки материалов.
Техническая задача состоит в совершенствовании конструкции электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа для существенного повышения уровня генерируемой им выходной высокочастотной мощности и улучшения массо-габаритных характеристик.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение электронного КПД и мощности генерируемого излучения электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного при его работе в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного клистронного генератора, который состоит из, по крайней мере, двух пролетных клистронов с резонансной структурой, помещенной в экранированный корпус, имеющей цепь положительной обратной связи, и электронно-оптическими системами, выполненными с возможностью пропускания через них электронных пучков в противоположных направлениях и содержащими каждая источник электронов, анод, торцевые пролетные трубы, укрепленные на боковых крышках резонаторов и коллектор, подключенные к источнику ускоряющего напряжения.
Клистроны выполнены в едином вакуумном объеме, резонансная структура выполнена общей для всех клистронов и состоит, по крайней мере, из двух, помещенных в общем металлизированном корпусе и встречно включенных высокодобротных полосковых резонансных линий, размещенных каждая на подвешенной керамической подложке, установленной перпендикулярно направлению движения электронных пучков, причем внутренние проводники каждой полосковой линии соединены соответственно с двумя центральными пролетными трубами, установленными на одной оси с торцевыми пролетными трубами так, что одна из центральных пролетных труб находится вблизи разомкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии, а другая - расположена вблизи короткозамкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии, причем между концевыми частями центральных пролетных труб и торцевых пролетных труб образованы N (где, N>2) высокочастотных зазоров, а параметры резонаторов, источника электронов, анода и коллектора согласованы с параметрами источника ускоряющего напряжения и выбраны таким образом, что функцию цепи положительной обратной связи выполняют встречно направленные электронные пучки. Число зазоров может варьироваться от 3 до 5, Причем большее число зазоров выбирается для субмиллиметрового диапазона длин волн.
Для образования внутренней положительной обратной связи параметры резонансной структуры выбраны из следующих оптимальных соотношений:
a
6
-4
≈7,45⋅10/ƒ+10,
a
d/=1.4;
a
L/=5;
γ(d+L)=K⋅(0.107⋅N+11.76),
a
e
1/2
e
0
2
2
где d - длины высокочастотных зазоров, м;  - радиус пролетных труб, м; L - длины центральных пролетных труб, м, γ=(β-k) - радиальное волновое число, β=ω/V - электронная постоянная распространения; k=ω/c - волновое число; ω=2πƒ - угловая частота; ƒ - собственная частота;  - скорость электронов, м/с; N - число высокочастотных зазоров, К - поправочный коэффициент, зависящий от вида колебаний, возбуждаемых в резонансной структуре.
Одним из оптимальных вариантов реализации внутренней положительной обратной связи резонансной структуры, при ее работе на противофазном виде колебаний, является выбор ее параметров из следующего соотношения:
K=0.73÷0.75.
Другим оптимальным вариантом реализации внутренней положительной обратной связи резонансной структуры, при ее работе на синфазном виде колебаний, является выбор ее параметров из следующего соотношения:
K=0.98÷1.0.
В предлагаемом устройстве, как и в прототипе, возможен вариант использования в миллиметровом диапазоне длин волн источника электронов в виде термонакального катода.
Однако в субмиллиметровом диапазоне в предлагаемом устройстве в качестве оптимального варианта предлагается использование в качестве источника электронов матричных автоэмиссионных катодов, не требующих накала и позволяющих получать высокие плотности тока в пучках.
Для повышения уровня выходной мощности предлагается также выполнение предлагаемого электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа таким, что множество подобных по конструкции генераторов симметрично расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения встречных электронных потоков и включены по схеме сложения мощностей.
Увеличение числа высокочастотных зазоров, по сравнению с прототипом, позволяет повысить характеристическое сопротивление резонатора пропорционально числу зазоров.
Возросшие электродинамические параметры многозазорной резонансной структуры позволяют за счет оптимального выбора геометрии и размеров катода, анода, резонаторов и труб дрейфа резонансной структуры и согласования их с уровнем питающего напряжения обеспечить реализацию положительной обратной связи непосредственно через электронные пучки. Последнее обстоятельство снимает необходимость в организации искусственной внешней цепи ОС и существенно упрощает конструкцию автогенератора клистронного типа.
e
0
0
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа, на фиг. 2 - форма резонансного полоскового элемента, размещенного на подвешенной керамической подложке; на фиг. 3 - зависимости коэффициента взаимодействия высокочастотного поля с электронным потоком M и относительной электронной проводимости G/G для противофазного и синфазного видов колебаний при разном числе высокочастотных зазоров, где G - проводимость электронного потока по постоянному току.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - источник электронов, 2 - анод, 3 - торцевая пролетная труба, 4 - боковые крышки резонансной структуры, 5 - коллектор, 6 - источник высокого напряжения, 7 - внутренний проводник полосковой резонансной линии, 8 - общий диэлектрический корпус, 9 - металлизированное покрытие, 10 - подвешенная керамическая подложка, 11 - центральные пролетные трубы, 12 - высокочастотные зазоры.
Электровакуумный микроволновый автогенератор клистронного типа состоит из, по крайней мере, двух пролетных клистронов с резонансной структурой, электронно-оптической системой и цепью положительной обратной связи, каждый из которых содержит источник электронов 1, анод 2, торцевые пролетные трубы 3, которые закреплены на боковых крышках 4 резонансной структуры и коллектор 5, подключенные к источнику высокого напряжения 6.
Согласно изобретению, пролетные клистроны конструктивно выполнены в едином вакуумном объеме, а резонансная структура является общей для всех клистронов. Резонансная структура состоит, по крайней мере, из двух, встречно включенных высокодобротных полосковых резонансных линий 7, помещенных в общем диэлектрическом корпусе 8 с металлизированным покрытием 9 и, размещенных каждая на подвешенной керамической подложке 10, установленной перпендикулярно направлению движения электронных пучков. Внутренние проводники каждой полосковой резонансной линии 7 соединены соответственно с двумя центральными пролетными трубами 11, установленными на одной оси с торцевыми пролетными трубами 3 так, что одна из центральных пролетных труб 11 находится вблизи разомкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии, а другая - расположена вблизи короткозамкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии. Это обеспечивает одинаковые условия взаимодействия на противофазном виде колебаний для пучков, движущихся во встречных направлениях. Выполнение резонансной структуры с внутренними проводниками в виде высокодобротных полосковых резонансных линий, размещенных на подвешенных керамических подложках, позволяет миниатюризировать устройство и упростить технологию его изготовления, например с помощью фотолитографического процесса.
Между концевыми частями центральных пролетных труб 11 и торцевых пролетных труб 3 образованы N высокочастотных зазоров 12 (где N>2). Параметры источника электронов 1, анода 2 и коллектора 5 согласованы с параметрами источника высокого напряжения 6 и выбраны таким образом, что функцию цепи положительной обратной связи выполняют встречно направленные электронные пучки, а параметры резонансной структуры выбраны из следующих соотношений:
a
e
e
0
2
2
1/2
где d - длины высокочастотных зазоров, м;  - радиус пролетных труб, м; L - длины центральных пролетных труб, м, γ=(β-k) - радиальное волновое число, β=ω/V - электронная постоянная распространения; k=ω/c - волновое число; ω=2πƒ - угловая частота; ƒ - собственная частота;  - скорость электронов, м/с; N - число высокочастотных зазоров, К - поправочный коэффициент, зависящий от вида колебаний, возбуждаемых в резонансной структуре. При выборе поправочного коэффициента К для противофазного типа колебаний в диапазоне 0,73-0,75 оптимальный угол пролета лежит в диапазоне 8,81-9,14 rad (Фиг. 3). При этом достигается максимум отрицательной электронной проводимости и оптимальное значение коэффициента взаимодействия M для противофазного вида колебаний. При выборе поправочного коэффициента К для синфазного вида колебаний в диапазоне 0,98-1, оптимальный угол пролета лежит в диапазоне 11,83-12,08 rad (Фиг. 3). При этом достигается максимум отрицательной электронной проводимости и оптимальное значение коэффициента взаимодействия M для синфазного вида колебаний.
Устройство работает следующим образом.
Под действием ускоряющего напряжения, приложенного между источником электронов 1 и анодом 2, подключенных к источнику высокого напряжения 6 происходит электронная эмиссия электронов, формирование и дальнейшее движение электронных пучков в противоположных направлениях.
Первоначально модуляция электронов по скорости и по плотности в пучках отсутствует. Электронный поток, проходя через высокочастотные зазоры резонансной структуры начинает взаимодействовать с продольной составляющей высокочастотного электрического поля, появляющегося в резонансной структуре за счет наличия в электронном потоке шумовых колебаний. В результате происходит процесс скоростной модуляции, который приводит к модуляции электронов по плотности, то есть к появлению сгустков электронов, которые при выполнении условия баланса фаз, определяемого выше упомянутыми условиями, поступают в выходной высокочастотный зазор с частотой, соответствующей частоте входного сигнала в ускоряющую фазу высокочастотного поля. В результате образуется внутренняя положительная обратная связь, в результате которой электроны отдают свою энергию высокочастотному полю резонаторной структуры. Индикатором этого процесса является уменьшение коэффициента эффективности взаимодействия M и появление отрицательной электронной проводимости Ge, которая при условии выполнения баланса амплитуд, компенсирует резистивные потери в резонансной структуре, что приводит к появлению автоколебаний в общей колебательной системе.
Наличие цепи внутренней положительной обратной связи создает возможность для возбуждения устойчивых автоколебаний без воздействия внешнего сигнала.
В предлагаемой резонансной структуре, в которой между концевыми частями центральных пролетных труб 11 и торцевых пролетных труб 3 образованы N высокочастотных зазоров, возможно возбуждение разных резонансных мод. Но наилучшие условия для самовозбуждения реализуются только для двух видов: основного (противофазного вида колебаний электрического поля в высокочастотных зазорах) и одного из высших видов (синфазный вид). Так как эти виды колебаний имеют наиболее высокие значения характеристического сопротивления. Противофазный режим работы может быть рекомендован для работы в миллиметровом диапазоне длин волн, а более высоковольтный - синфазный - для работы в субмиллиметровом диапазоне.
Режим генерации поясняется на фиг. 3, где приведены зависимости коэффициента взаимодействия и относительной электронной проводимости для противофазного и синфазного видов колебаний.
За счет использования в приборе многозазорной резонансной структуры с высокими электродинамическими параметрами выходная мощность и кпд электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа увеличиваются, а массогабаритные характеристики уменьшаются при его работе в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн.
Приведем параметры оптимальной конструкции прибора, рассчитанной для получения устойчивой генерации (Фиг. 3).
Пусть частота генерации f=95 ГГц. Число зазоров 3. Вид колебаний - противофазный (К=0,73-0,75).
Рассчитаем радиус пролетного канала по эмпирической формуле (4), которая позволяет выбрать этот параметр, исходя из возможности технической реализации прибора при заданной частоте генерации
a
6
9
-4
-4
≈7,45⋅10/(95⋅10)+10=1.78⋅10, м
Рассчитаем длину высокочастотных зазоров по оптимальному соотношению (2), при котором распределение ВЧ поля в бессеточном зазоре наиболее равномерно.
-4
-4
d=1.4а=1.4*1.78*10=2.5*10 м.
Определим длины центральных пролетных труб L по соотношению (3), при котором ВЧ поля в смежных зазорах не перекрывают друг друга, то есть осуществляется наиболее эффективная скоростная модуляция
-4
-4
L=5*a=5*1.78*10=9*10 м.
Определим оптимальный угол пролета
γ(d+L)=K⋅(0.107⋅N+11.76)
0.73*(0.107*3+11.76)=8.81 rad
0.75*(0.107*3+11.76)=9.14 rad
Обращаясь к фиг. 3 видим, что это соответствует области, при которой относительная электронная проводимость отрицательна, а коэффициент взаимодействия находится в области приемлемых для миллиметрового диапазона длин волн значений.
Аналогичные расчеты можно провести и для синфазного вида колебаний.