СВЧ-ПРИБОР КЛИСТРОННОГО ТИПА
KLYSTRON TYPE SUPERHIGH FREQUENCY DEVICE

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 ускорительной технике, 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 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 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 nω 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 (прототип), 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 выполнены однозазорными, а выходной резонатор выполнен двухзазорным. Выходной двухзазорный 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 выходного двухзазорного 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 выходным двухзазорным резонатором СВЧ-прибора через окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора, расположенное между проводящей перегородкой и торцевой стенкой резонатора, расположенной со стороны коллектора СВЧ-прибора. Использование в СВЧ-приборе пассивного резонатора, связанного с выходным двухзазорным резонатором, позволяет дополнительно расширить полосу СВЧ-прибора. Выходной двухзазорный 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 выходном двухзазорном 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.
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.
1
2
Предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий электронную пушку, резонаторы с пролетными трубами, коллектор, устройство для ввода СВЧ-энергии и волноводное устройство для вывода СВЧ-энергии, причем выполненный в виде полого цилиндра выходной двухзазорный резонатор содержит центральную пролетную трубу, соосно расположенную между закрепленными в торцевых стенках этого резонатора двумя пролетными трубами и отделенную от них высокочастотными зазорами, центральная пролетная труба прикреплена к боковой стенке выходного двухзазорного резонатора с помощью расположенной между его торцевыми стенками и параллельно им проводящей перегородки, в которой выполнена, по крайней мере, одна щель связи, при этом выходной двухзазорный резонатор настроен на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой 2ω, волноводное устройство для вывода СВЧ-энергии содержит установленные с внешней стороны выходного двухзазорного резонатора первый и второй прямоугольные волноводы, продольные оси которых расположены перпендикулярно продольной оси выходного двухзазорного резонатора, первый и второй прямоугольные волноводы связаны с выходным двухзазорным резонатором через первое и второе окна связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора, расположенные соосно соответствующим прямоугольным волноводам, причем первое окно связи размещено со стороны щели связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора и расположено между торцевыми стенками выходного двухзазорного резонатора равноудаленно от них, второе окно связи размещено со стороны сплошного участка проводящей перегородки и расположено между проводящей перегородкой и одной из торцевых стенок выходного двухзазорного резонатора напротив соответствующего высокочастотного зазора, широкие стенки первого и второго прямоугольных волноводов расположены параллельно торцевым стенкам выходного двухзазорного резонатора, при этом размеры широких стенок первого и второго прямоугольных волноводов a и а выбирают из условий
1
λ/4<a<λ/2,
2
λ/2<а<λ,
λ=с/ω,
1
где a - размер широкой стенки первого волновода,
2
а - размер широкой стенки второго волновода,
λ - рабочая длина волны противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
ω - рабочая частота противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
с - скорость света.
д1
1
В предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа может быть введен режекторный фильтр, выполненный в виде закороченного на торце отрезка дополнительного прямоугольного волновода, расположенного с внешней стороны второго прямоугольного волновода перпендикулярно его широкой стенке, в которой выполнена щель связи этих волноводов, расположенная перпендикулярно узкой стенке второго прямоугольного волновода и параллельно широкой стенке дополнительного прямоугольного волновода, причем размер широкой стенки дополнительного прямоугольного волновода а и расстояние от внешней плоскости широкой стенки второго прямоугольного волновода до внутренней плоскости закороченного торца дополнительного прямоугольного волновода L выбирают из условий:
д1
1
а=a,
.
Предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, в котором в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора выполнены две щели связи, расположенные симметрично относительно продольной оси выходного двухзазорного резонатора и отделенные друг от друга сплошными участками проводящей перегородки, при этом первое окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора размещено со стороны одной из щелей связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора, а второе окно связи размещено со стороны одного из сплошных участков проводящей перегородки.
3
Предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, в котором в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора выполнены две щели связи, расположенные симметрично относительно продольной оси выходного двухзазорного резонатора и отделенные друг от друга сплошными участками проводящей перегородки, волноводное устройство для вывода СВЧ-энергии дополнительно содержит установленный с внешней стороны выходного двухзазорного резонатора перпендикулярно его продольной оси третий прямоугольный волновод, связанный с выходным двухзазорным резонатором через расположенное соосно третьему прямоугольному волноводу третье окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора, при этом первое окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора размещено со стороны первой щели связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора, второе окно связи размещено со стороны одного из сплошных участков проводящей перегородки, а третье окно связи размещено со стороны второй щели связи в этой перегородке и расположено между торцевыми стенками выходного двухзазорного резонатора равноудаленно от них, широкие стенки третьего прямоугольного волновода расположены параллельно торцевым стенкам выходного двухзазорного резонатора, при этом размер широкой стенки третьего прямоугольного волновод а выбирают из условий
3
λ/4<а<λ/2,
λ=с/ω,
3
где а - размер широкой стенки третьего волновода,
λ - рабочая длина волны противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
ω - рабочая частота противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
с - скорость света.
Предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, в котором в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора выполнены две щели связи, расположенные симметрично относительно продольной оси выходного двухзазорного резонатора и отделенные друг от друга сплошными участками проводящей перегородки, волноводное устройство для вывода СВЧ-энергии дополнительно содержит установленный с внешней стороны выходного двухзазорного резонатора перпендикулярно его продольной оси четвертый прямоугольный волновод, связанный с выходным двухзазорным резонатором через расположенное соосно четвертому прямоугольному волноводу четвертое окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора, при этом первое окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора размещено со стороны одной из щелей связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора, второе и четвертое окна связи расположены между проводящей перегородкой и установленной со стороны предвыходного резонатора первой торцевой стенкой выходного двухзазорного резонатора напротив первого высокочастотного зазора или между проводящей перегородкой и установленной со стороны коллектора второй торцевой стенкой выходного двухзазорного резонатора напротив второго высокочастотного зазора, при этом второе окно связи размещено со стороны одного из сплошных участков проводящей перегородки выходного двухзазорного резонатора, а четвертое окно связи размещено со стороны другого сплошного участка проводящей перегородки выходного двухзазорного резонатора, широкие стенки четвертого прямоугольного волновода расположены параллельно торцевым стенкам выходного двухзазорного резонатора, при этом размер широкой стенки четвертого прямоугольного волновода
4
а выбирают из условий
4
λ/2<a<λ,
λ=с/ω,
4
где а - размер широкой стенки четвертого волновода,
λ - рабочая длина волны противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
ω - рабочая частота противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
с - скорость света.
4
Предлагается СВЧ-прибор клистронного типа, в котором в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора выполнены две щели связи, расположенные симметрично относительно продольной оси выходного двухзазорного резонатора и отделенные друг от друга сплошными участками проводящей перегородки, волноводное устройство для вывода СВЧ-энергии дополнительно содержит установленный с внешней стороны выходного двухзазорного резонатора перпендикулярно его продольной оси четвертый прямоугольный волновод, связанный с выходным двухзазорным резонатором через расположенное соосно четвертому прямоугольному волноводу четвертое окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора, при этом первое окно связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора размещено со стороны одной из щелей связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора, второе окно связи расположено между проводящей перегородкой и установленной со стороны предвыходного резонатора первой торцевой стенкой выходного двухзазорного резонатора напротив первого высокочастотного зазора, четвертое окно связи расположено между проводящей перегородкой и установленной со стороны коллектора второй торцевой стенкой выходного двухзазорного резонатора напротив второго высокочастотного зазора, при этом второе и четвертое окна связи размещены со стороны одного из сплошных участков проводящей перегородки выходного двухзазорного резонатора или второе окно связи размещено со стороны одного из сплошных участков проводящей перегородки, а четвертое окно связи размещено со стороны другого сплошного участка проводящей перегородки выходного двухзазорного резонатора, широкие стенки четвертого прямоугольного волновода расположены параллельно торцевым стенкам выходного двухзазорного резонатора, при этом размер широкой стенки четвертого прямоугольного волновода а выбирают из условий
4
λ/2<a<λ,
λ=c/ω,
4
где а - размер широкой стенки четвертого волновода,
λ - рабочая длина волны противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
ω - рабочая частота противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора,
с - скорость света.
д2
2
В предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа может быть введен второй режекторный фильтр, выполненный в виде закороченного на торце отрезка второго дополнительного прямоугольного волновода, расположенного с внешней стороны четвертого прямоугольного волновода перпендикулярно его широкой стенке, в которой выполнена щель связи этих волноводов, расположенная перпендикулярно узкой стенке четвертого прямоугольного волновода и параллельно широкой стенке второго дополнительного прямоугольного волновода, причем размер широкой стенки второго дополнительного прямоугольного волновода а и расстояние от внешней плоскости широкой стенки четвертого прямоугольного волновода до внутренней плоскости закороченного торца второго дополнительного прямоугольного волновода L выбирают из условий:
д2
1
а=a,
.
В предлагаемом изобретении выходной двухзазорный 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 выходном двухзазорном резонаторе одновременно возникают СВЧ-колебания двух основных видов колебаний при разнесении их частот на октаву. Вследствие этого в выходном двухзазорном 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 известных конструкциях СВЧ-приборов), что повышает эффективность отбора мощности от электронного потока. При этом настройка противофазного вида колебаний выходного двухзазорного 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 выходного двухзазорного 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, что позволяет повысить КПД СВЧ-прибора.
Выполнение волноводного устройства для вывода СВЧ-энергии в виде прямоугольных волноводов, связанных с выходным двухзазорным резонатором через окна связи в боковой стенке резонатора, а также заданное взаимное расположение волноводов, окон связи и выходного двухзазорного резонатора позволяют осуществить оптимальный вывод мощности из выходного двухзазорного резонатора СВЧ-прибора в нагрузку на двух кратных частотах ω и 2ω одновременно.
Так расположение первого окна связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора равноудалено от его торцевых стенок и размещение этого окна связи со стороны щели связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора создает условия для возникновения токов смещения в первом окне связи при протекании СВЧ-токов синфазного вида колебаний по внутренней поверхности боковой стенки выходного двухзазорного резонатора, что обеспечивает оптимальный вывод мощности из выходного двухзазорного резонатора на частоте 2ω, соответствующей синфазному виду колебаний двухзазорного резонатора. При этом мощность на частоте ω, соответствующая противофазному виду колебаний выходного двухзазорного резонатора, не будет выводиться из этого резонатора в первый прямоугольный волновод, так как текущие по внутренней поверхности боковой стенке резонатора СВЧ-токи противофазного вида колебаний не наводят токов смещения в первом окне связи.
1
1
10
1
10
20
1
1
Выбор размера широкой стенки первого волновода a в заданных пределах (λ/4<a<λ/2) обеспечивает распространение в первом волноводе только волны Н на частоте 2ω, соответствующей синфазному виду колебаний. Если размер широкой стенки первого волновода a будет больше, чем λ/2, то в волноводе будут распространяться два типа волн Н и Н. Если размер a будет меньше, чем λ/4, то волновод становится запредельным для всех типов волн на частоте 2ω. Кроме того, выбор размера широкой стенки первого прямоугольного волновода a согласно приведенному заданному условию делает первый прямоугольный волновод запредельным для СВЧ-колебаний с частотой ω, соответствующей противофазному виду колебаний.
Расположение второго окна связи в боковой стенке выходного двухзазорного резонатора между проводящей перегородкой и одной из торцевых стенок этого резонатора напротив соответствующего высокочастотного зазора и со стороны сплошного участка проводящей перегородки выходного двухзазорного резонатора создает условия для возникновения токов смещения во втором окне связи при протекании СВЧ-токов противофазного вида колебаний по внутренней поверхности боковой стенки этого резонатора, что обеспечивает оптимальный вывод мощности из выходного двухзазорного резонатора на частоте ω, соответствующей противофазному виду колебаний выходного двухзазорного резонатора. При этом во втором окне связи будут наводиться токи смещения синфазного вида колебаний, то есть через второе окно связи будет выводится во второй волновод частично и мощность на частоте 2ω, соответствующей синфазному виду колебаний выходного двухзазорного резонатора.
2
2
10
2
10
20
2
2
Выбор размера широкой стенки второго волновода а в заданных пределах (λ/2<a<λ) обеспечивает распространение в этом волноводе волны Н на частоте ω, соответствующей противофазному виду колебаний. Если размер широкой стенки второго волновода а будет больше, чем λ, то во втором волноводе будут распространяться два типа волн Н и Н. Если размер а будет меньше, чем λ/2, то волновод становится запредельным для всех типов волн на частоте ω. Кроме того, при выбранном в указанных пределах размере широкой стенки второго прямоугольного волновода а в этом волноводе будут распространяться СВЧ-колебания с частотой 2ω, соответствующей синфазному виду колебаний.
При необходимости вывода мощности из выходного двухзазорного резонатора через второе окно связи и второй прямоугольный волновод только на частоте ω, соответствующей противофазному виду колебаний выходного двухзазорного резонатора, в конструкцию СВЧ-прибора дополнительно вводят режекторный фильтр в виде закороченного на торце и выполненного с заданными размерами широкой стенки и длины отрезка дополнительного прямоугольного волновода, установленного с внешней стороны второго прямоугольного волновода перпендикулярно его широкой стенке, при этом дополнительный прямоугольный волновод и второй прямоугольный волновод связанны друг с другом через щель связи в этой широкой стенке второго волновода. Введение режекторного фильтра обеспечивает отсечку мощности на частоте 2ω, вследствие чего на частоте 2ω выходная мощность не распространяется во втором прямоугольном волноводе и не попадает в нагрузку.
Таким образом, на выходе предлагаемого СВЧ-прибора можно обеспечить:
- либо получение во втором прямоугольном волноводе мощности на частотах ω и 2ω (то есть получение на выходе СВЧ-прибора СВЧ-колебаний одновременно на двух кратных частотах ω и 2ω одном общем выходном канале) и одновременно получение в первом прямоугольном волноводе мощности на частоте 2ω, что невозможно реализовать ни на одном из известных СВЧ-приборах клистронного типа,
- либо получение во втором прямоугольном волноводе мощности на частоте ω и одновременно получение в первом прямоугольном волноводе мощности на частоте 2ω (то есть получение на выходе СВЧ-прибора СВЧ-колебаний одновременно на двух кратных частотах ω и 2ω, но в двух разных выходных каналах СВЧ-прибора), в результате чего предлагаемый СВЧ-прибор может заменить два известных СВЧ-прибора клистронного типа, один из которых обеспечивает получение СВЧ-мощности на частоте ω, а другой - получение СВЧ-мощности на частоте 2ω, при этом в предлагаемом СВЧ-приборе не требуется применение дополнительных устройств для фазировки выходных СВЧ-колебаний на частотах ω и 2ω, так как в предлагаемом СВЧ-приборе осуществляется автоматическая фазировка этих СВЧ-колебаний.
Это позволяет расширить функциональные возможности СВЧ-прибора клистронного типа (как низкого, так и высокого уровня мощности) и обеспечить использование такого прибора во многих областях техники, например конструкция СВЧ-прибора без режекторного фильтра может найти применение, например, в системах радиопротиводействия, а конструкция СВЧ-прибора с режектороным фильтром может найти применение, например, в ускорительной технике и радиолокации.
Кроме того, если в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора предлагаемого СВЧ-прибора выполнено более одной щели связи, то количество выходных каналов СВЧ-прибора (то есть количество связанных с выходным двухзазорным резонатором прямоугольных волноводов) может быть увеличено, что позволяет снизить уровень мощности в каждом из выходных каналов и, вследствие этого, повысить электрическую прочность и надежность СВЧ-прибора, а также дополнительно расширить его функциональные возможности.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показаны продольное и поперечное А-А сечения предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа, содержащего выходной двухзазорный резонатор с одной щелью связи в проводящей перегородке и связанные с выходным двухзазорным резонатором первый и второй прямоугольные волноводы устройства для вывода СВЧ-энергии.
На фиг.2 показаны продольное и поперечное А-А сечения предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа, содержащего выходной двухзазорный резонатор с двумя щелями связи в проводящей перегородке и связанные с выходным двухзазорным резонатором первый и второй прямоугольные волноводы устройства для вывода СВЧ-энергии.
На фиг.3 показано поперечное сечение предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа, содержащего выходной двухзазорный резонатор с двумя щелями связи в проводящей перегородке и связанные с выходным двухзазорным резонатором первый, второй и третий прямоугольные волноводы устройства для вывода СВЧ-энергии.
На фиг.4 показано поперечное сечение предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа, содержащего выходной двухзазорный резонатор с двумя щелями связи в проводящей перегородке и связанные с выходным двухзазорным резонатором первый, второй и четвертый прямоугольные волноводы устройства для вывода СВЧ-энергии.
1
2
На фиг.5 приведены временные диаграммы распределения СВЧ-напряжений U и U соответственно в первом и втором ВЧ зазорах выходного двухзазорного резонатора для противофазного вида колебаний с частотой ω и для синфазного вида колебаний с частотой 2ω.
1
2
На фиг.6 приведены временные диаграммы распределения СВЧ-напряжений U и U соответственно в первом и втором ВЧ зазорах выходного двухзазорного резонатора для противофазного вида колебаний с частотой 2ω и для синфазного вида колебаний с частотой ω.
Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, одна из возможных конструкций которого показана на фиг.1, содержит электронную пушку 1, входной резонатор 2, промежуточные резонаторы 3, образующие в совокупности с резонатором 2 группирователь электронных сгустков, выходной двухзазорный резонатор 4 и коллектор 5, а также устройство для ввода СВЧ-энергии в виде коаксиальной линии передачи 6 и устройство для вывода СВЧ-энергии, содержащее установленные с внешней стороны выходного двухзазорного резонатора 4 первый 7 и второй 8 прямоугольные волноводы. Первый 7 и второй 8 прямоугольные волноводы связанны с выходным двухзазорным резонатором 4 соответственно через первое 9 и второе 10 окна связи, выполненные в боковой стенке 11 резонатора 4. Каждый из резонаторов 2-4 выполнен в виде полого цилиндра, который содержит установленные соосно и закрепленные в торцевых стенках резонатора пролетные трубы 12, в которых выполнены пролетные каналы 13. Выходной двухзазорный резонатор 4 дополнительно содержит соосно расположенную центральную пролетную трубу 14, в которой также выполнены пролетные каналы 13. Центральная пролетная труба 14 прикреплена к боковой стенке 11 выходного двухзазорного резонатора 4 с помощью расположенной между первой 15 и второй 16 торцевыми стенками резонатора 4 и параллельно им проводящей перегородки 17, в периферийной части которой выполнена щель связи 18, примыкающая к боковой стенке 11 резонатора 4. Центральная пролетная труба 14 отделена от расположенных по разные стороны от нее и закрепленных в торцевых стенках 15 и 16 резонатора 4 двух крайних пролетных труб 12 соответственно первым 19 и вторым 20 ВЧ зазорами. Первый ВЧ зазор 19 расположен со стороны предвыходного резонатора, то есть со стороны последнего промежуточного резонатора 3, а второй ВЧ зазор 20 расположен со стороны коллектора 5. Продольные оси первого 7 и второго 8 прямоугольных волноводов расположены параллельно друг другу и перпендикулярно продольной оси выходного двухзазорного резонатора 4. Первое окно связи 9 в боковой стенке 11 размещено со стороны щели связи 18 в проводящей перегородке 17 (напротив этой щели связи), при этом оно расположено на одинаковом расстоянии от торцевых стенок 15 и 16 резонатора 4. Второе окно связи 10 размещено со стороны сплошного (то есть не содержащего щели связи) участка 21 проводящей перегородки 17, при этом оно расположено между проводящей перегородкой 17 и расположенной со стороны коллектора 5 второй торцевой стенкой 16 резонатора 4 напротив второго ВЧ зазора 20.
СВЧ-прибор, показанный на фиг.1, содержит также режекторный фильтр, выполненный в виде закороченного на торце отрезка дополнительного прямоугольного волновода 22, установленного вблизи боковой стенки 11 резонатора 4 с внешней стороны второго волновода 8 перпендикулярно его широкой стенке, в которой выполнена щель связи 23 этих волноводов. Щель связи 23 расположена перпендикулярно узкой стенке второго волновода 8 и параллельно широкой стенке дополнительного волновода 22.
д1
1
1
Размер широкой стенки дополнительного прямоугольного волновода a выбирается равным размеру широкой стенки первого волновода a, что обеспечивает поступление в дополнительный прямоугольный волновод СВЧ-энергии только на частоте 2ω (для частоты ω этот волновод является запредельным). Длина дополнительного волновода L выбирается равной половине длины волны в этом волноводе на частоте 2ω, что соответствует условию
.
При соблюдении этих условий отрезок дополнительного прямоугольного волновода 22 представляет собой резонатор с резонансной частотой 2ω. В этом случае в плоскости поперечного сечения второго прямоугольного волновода 8 (в области щели связи 23 второго прямоугольного волновода 8 и дополнительного прямоугольного волновода 22) возникает режим короткого замыкания на частоте 2ω, то есть СВЧ-мощность, передаваемая по второму прямоугольному волноводу 8 на частоте 2ω, отражается и не проходит далее в нагрузку, а мощность на частоте ω беспрепятственно проходит по этому волноводу в нагрузку.
В показанной на фиг.2 конструкции предлагаемого СВЧ-прибора клистронного типа устройство для вывода СВЧ-энергии содержит установленные с внешней стороны выходного двухзазорного резонатора 4 первый 7 и второй 8 прямоугольные волноводы. В периферийной части проводящей перегородки 17 выходного двухзазорного резонатора 4 выполнены (в отличие от конструкции, показанной на фиг.1) две диаметрально расположенные симметричные щели связи 18, примыкающие к боковой стенке 11 резонатора 4. Щели связи 18 отделены друг от друга двумя сплошными участками 21 проводящей перегородки 17. Продольные оси первого 7 и второго 8 прямоугольных волноводов расположены перпендикулярно друг другу и продольной оси выходного двухзазорного резонатора 4. Первый 7 и второй 8 прямоугольные волноводы связанны с выходным двухзазорным резонатором 4 соответственно через первое 9 и второе 10 окна связи, выполненные в боковой стенке 11 резонатора 4. Первое окно связи 9 размещено со стороны одной из щелей связи 18 в проводящей перегородке 17 (напротив этой щели связи), при этом первое окно связи 9 расположено равноудаленно от торцевых стенок 15 и 16 резонатора 4. Второе окно связи 10 размещено со стороны одного из двух сплошных участков 21 проводящей перегородки 17, при этом второе окно связи 10 расположено между проводящей перегородкой 17 и второй торцевой стенкой 16 резонатора 4 напротив второго ВЧ зазора 20 резонатора 4. Со стороны широкой стенки второго прямоугольного волновода 8 также установлен режекторный фильтр в виде закороченного на торце отрезка дополнительного волновода 22, связанного со вторым волноводом 8 через щель связи 23.
3
1
На фиг.3 изображен второй вариант выполнения конструкции СВЧ-прибора с двумя симметрично расположенными щелями связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора. В отличие от конструкции, показанной на фиг.2, устройство для вывода СВЧ-энергии помимо первого 7 и второго 8 прямоугольных волноводов дополнительно содержит третий прямоугольный волновод 24, установленный соосно первому прямоугольному волноводу 7 с противоположной стороны выходного двухзазорного резонатора 4. Третий прямоугольный волновод 24 связан с выходным двухзазорным резонатором 4 через расположенное соосно волноводу 24 третье окно связи 25 в боковой стенке 11 резонатора 4. Третье окно связи 25 размещено между первой 25 и второй 16 торцевым стенками резонатора 4 на равном расстоянии от них, при этом соосно расположенные первое 9 и третье 25 окна связи размещены соответственно со стороны первой и второй из двух щелей связи 18 в проводящей перегородке 17 выходного двухзазорного резонатора 4. Размер широкой стенки а третьего прямоугольного волновода 24 выбирают из тех же условий, что и размер широкой стенки a первого прямоугольного волновода 7.
4
2
На фиг.4 изображен третий вариант выполнения конструкции СВЧ-прибора с двумя симметрично расположенными щелями связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора. В отличие от конструкции, показанной на фиг.2, устройство для вывода СВЧ-энергии помимо первого 7 и второго 8 прямоугольных волноводов дополнительно содержит четвертый прямоугольный волновод 26, установленный соосно второму прямоугольному волноводу 8 с противоположной стороны выходного двухзазорного резонатора 4. Второй прямоугольный волновод 8 связан с выходным двухзазорным резонатором 4 через расположенное соосно волноводу 8 второе окно связи 10 в боковой стенке 11 резонатора 4. Второе окно связи 10, размещенное со стороны первого из двух сплошных участков 21 проводящей перегородки 17, расположено между проводящей перегородкой 17 и второй торцевой стенкой 16 резонатора 4 напротив второго ВЧ зазора 20 резонатора 4. Четвертый прямоугольный волновод 26 связан с выходным двухзазорным резонатором 4 через расположенное соосно волноводу 26 четвертое окно связи 27 в боковой стенке резонатора 4. Четвертое окно связи 27, размещенное со стороны второго из двух сплошных участков 21 проводящей перегородки 17, также расположено между проводящей перегородкой 17 и второй торцевой стенкой 16 резонатора 4 напротив второго ВЧ зазора 20 резонатора 4. Размер широкой стенки aчетвертого прямоугольного волновода 26 выбирает из тех же условий, что и размер широкой стенки а второго прямоугольного волновода 8.
СВЧ-прибор, показанный на фиг.4, содержит второй режекторный фильтр, выполненный в виде закороченного на торце отрезка второго дополнительного прямоугольного волновода 28, установленного вблизи боковой стенки 11 резонатора 4 с внешней стороны четвертого волновода 26 перпендикулярно его широкой стенке, в которой выполнена щель связи 29 этих волноводов. Щель связи 29 расположена перпендикулярно узкой стенке четвертого волновода 26 и параллельно широкой стенке второго дополнительного волновода 28.
д2
д1
1
Размер широкой стенки a второго дополнительного прямоугольного волновода 28 выбирает из тех же условий, что и размер широкой стенки aпервого дополнительного прямоугольного волновода 22, то есть выбирается равным размеру широкой стенки первого волновода a, что обеспечивает поступление во второй дополнительный прямоугольный волновод 28 СВЧ-энергии только на частоте 2ω (для частоты ω этот волновод является запредельным).
2
Длина второго дополнительного волновода L выбирается равной половине длины волны в этом волноводе на частоте 2ω, что соответствует условию
.
Возможен четвертый вариант выполнения СВЧ-прибора с двумя симметрично расположенными щелями связи в проводящей перегородке, в котором к выходному двухзазорному резонатору 4 подсоединены первый 7, второй 8 и четвертый 26 прямоугольные волноводы, но в отличие от конструкции, приведенной на фиг.4, четвертый прямоугольный волновод 26 расположен параллельно второму прямоугольному волноводу 8 (не показан на чертеже). В этом случае четвертое окно связи 27 будет расположено между проводящей перегородкой 17 и первой торцевой стенкой 15 резонатора 4 напротив первого ВЧ зазора 19 резонатора 4, причем оно может быть размещено со стороны первого или со стороны второго сплошного участка 21 проводящей перегородки 17.
Возможен также пятый вариант выполнения СВЧ-прибора с двумя симметрично расположенными щелями связи в проводящей перегородке, в котором к резонатору 4 подсоединены первый 7, второй 8, третий 24 и четвертый 26 прямоугольные волноводы, причем первый 7, второй 8 и третий 24 прямоугольные волноводы расположены так, как показано на фиг.3, а четвертый прямоугольный волновод 26 размещен либо как в третьем варианте (фиг.4), либо как в четвертом варианте (не показан на чертеже). Использование такой конструкции СВЧ-прибора позволяет СВЧ-мощность, выводимую из выходного двухзазорного резонатора на частотах ω и 2ω, направить в соответствующие четыре прямоугольных волновода, что существенно понижает нагрузку на окна устройства для вывода СВЧ-энергии и обеспечивает более надежную работу СВЧ-прибора.
В общем случае предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа может содержать и большее число выходных каналов. При этом возможное количество выходных каналов СВЧ-прибора (то есть количество связанных с выходным двухзазорным резонатором прямоугольных волноводов) определяется количеством щелей связи в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора. Если в проводящей перегородке выходного двухзазорного резонатора выполнено N щелей связи, то к такому резонатору может быть подсоединено М (где М=1, …, N) прямоугольных волноводов, размер широкой стенки каждого из которых должен быть больше λ/4 и меньше λ/2, и К (где К=1, …, 2N) прямоугольных волноводов, размер широкой стенки каждого из которых должен быть больше λ/2 и меньше λ, причем λ=с/ω, где λ - рабочая длина волны противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора, ω - рабочая частота противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора, с - скорость света.
Возможность направлять СВЧ-мощность двух кратных частот в несколько выходных каналов без использования дополнительных фазирующих устройств позволяет расширить области использования СВЧ-прибора и расширить функциональные возможности устройств, содержащих такой СВЧ-прибор. Например, СВЧ-мощность можно направить в несколько антенн, каждая из которых выполняет свои функции. Использование СВЧ-прибора с несколькими выходными каналами в многосекционных ускорителях позволяет уменьшить нагрузку на ускоряющие секции, что способствует повышению их пробивной прочности и повышению надежности работы ускорителя.
Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, конструкции которого показаны на фиг.1 или фиг.2, 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 устройство для ввода СВЧ-энергии 6, 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 выходной двухзазорный резонатор 4. В первом ВЧ зазоре 19 выходного двухзазорного резонатора 4 каждый электронный сгусток попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле, то есть в отрицательные фазы СВЧ-напряжения, противофазного и синфазного видов колебаний. Подбором параметров выходного двухзазорного резонатора 4 обеспечивают настройку его противофазного вида колебаний на частоту ω, а синфазного вида колебаний - на частоту 2ω. При этом расстояние между первым 19 и вторым 20 ВЧ зазорами выходного двухзазорного резонатора 4 выбирают таким образом, чтобы каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре резонатора попал в тормозящее электрическое СВЧ-поле противофазного вида колебаний. При указанной настройке выходного двухзазорного резонатора каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре автоматически попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебаний. Таким образом, в первом и втором ВЧ зазорах выходного двухзазорного резонатора 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
с.ф.1
с.ф.2
Эти результаты поясняются диаграммами, приведенными на фиг.5, на которых показано распределение в выходном двухзазорном резонаторе СВЧ-напряжений противофазного вида колебаний U и U с частотой ω и синфазного вида колебаний U и U с частотой 2ω соответственно в первом 19 и втором 20 ВЧ зазорах в зависимости от времени t, а также показано положение электронного сгустка 30. Из указанных временных диаграмм видно, что в обоих ВЧ зазорах 19, 20 электронные сгустки всегда попадают в тормозящую фазу электрического СВЧ-поля.
пр.ф.1
пр.ф.2
c.ф.1
c.ф.2
При обратной настройке, когда противофазный вид колебаний выходного двухзазорного резонатора настроен на частоту 2ω, а синфазный вид колебаний - на частоту ω, каждый электронный сгусток 30 попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебание в первом 19 и во втором 20 ВЧ зазорах двухзазорного резонатора 4, то есть электронный сгусток отдает энергию СВЧ-полю в этих ВЧ зазорах. Для противофазного вида колебаний выходного двухзазорного резонатора электронный сгусток в первом ВЧ зазоре резонатора попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле, то есть также отдает энергию СВЧ-полю этого ВЧ зазора. При этом во втором ВЧ зазоре электронный сгусток попадает в ускоряющее электрическое СВЧ-поле, то есть отбирает энергию от СВЧ-поля резонатора, что снижает эффективность работы СВЧ-прибора. Эти результаты поясняются приведенными на фиг.6 временными диаграммами распределения в выходном двухзазорном резонаторе 4 СВЧ-напряжений противофазного вида колебаний U и U с частотой 2ω и синфазного вида колебаний U и U с частотой ω соответственно в первом 19 и втором 20 ВЧ зазорах.
Таким образом (как видно из фиг.5 и фиг.6), эффективный отбор энергии от электронного сгустка происходит только тогда, когда противофазный вид колебаний выходного двухзазорного резонатора настроен на частоту ω (частоту повторения электронных сгустков), а синфазный вид колебаний настроен на частоту 2ω.
Из выходного двухзазорного резонатора 4 СВЧ-энергия поступает в первый 7 и второй 8 прямоугольные волноводы волноводного устройства для вывода СВЧ-энергии, а затем в нагрузку. При этом в случае отсутствия в конструкции СВЧ-прибора режекторного фильтра (не показано на чертеже) в первый волновод 7 СВЧ-прибора передается СВЧ-энергия на частоте 2ω, а во второй волновод 8 передается СВЧ-энергия на частотах ω и 2ω. При наличии в конструкции СВЧ-прибора режекторного фильтра (как показано на фиг.1 и фиг.2) в первый волновод 7 СВЧ-прибора передается СВЧ-энергия на частоте 2ω, а во второй волновод 8 передается СВЧ-энергия на частоте ω.
Предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа, варианты конструкции которого показаны на фиг.3 или фиг.4, работает аналогичным образом. При этом из выходного двухзазорного резонатора 4 СВЧ-энергия поступает в первый 7 и второй 8 прямоугольные волноводы, а также в третий прямоугольный волновод 24 (фиг.3) или в четвертый прямоугольный волновод 26 (фиг.4) волноводного устройства для вывода СВЧ-энергии, а затем в нагрузку. В третий волновод 24 передается СВЧ-энергия на частоте 2ω. В четвертый прямоугольный волновод 26 передается СВЧ-энергия на частотах ω и 2ω (в случае отсутствия в конструкции СВЧ-прибора режекторного фильтра, подсоединенного к четвертому прямоугольному волноводу 26) или на частоте ω (при наличии в конструкции СВЧ-прибора режекторного фильтра в виде второго дополнительного прямоугольного волновода 28, подсоединенного к четвертому прямоугольному волноводу 26).
Таким образом, предлагаемый СВЧ-прибор клистронного типа позволяет при подаче на его вход СВЧ-сигнала с частотой ω получать на выходе СВЧ-колебания на двух кратных частотах ω и 2ω одновременно, 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, что позволяет повысить КПД 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.