ДВУХЗАЗОРНЫЙ ВЫХОДНОЙ КЛИСТРОННЫЙ РЕЗОНАТОР

Полезная модель относится к области радиоэлектроники, а именно, к резонаторам электровакуумных СВЧ-приборов клистронного типа, преимущественно к двухзазорным резонаторам многолучевых усилительных и генераторных клистронов и клистродов, предназначенным для получения СВЧ-мощности одновременно на двух кратных частотах, соответствующих противофазному и синфазному видам колебаний.
Известен двухзазорный клистронный резонатор (А.с. SU №393787, МПК: H01P 1/20), в цилиндрическом корпусе которого перпендикулярно оси резонатора установлена промежуточная металлическая стенка с пролетным отверстием и щелями связи на периферии. Область взаимодействия электронного потока с двухзазорным резонатором одновременно на двух кратных частотах, из которых низшая соответствует противофазному виду колебаний, а высшая синфазному виду, определяется оптимальным выбором длин зазоров и длин центральной пролетной трубы. Для обеспечения возможности настройки резонатора на две кратные частоты промежуточная стенка в области щелей связи выполнена утолщенной, причем резонансная частота противофазного вида колебаний, в значительной мере, определяется размерами поддерживающих центральную пролетную трубу проводящих элементов, зависящих, в свою очередь, от конфигурации и угла раскрыва щелей связи.
Однако, при наличии в зазорах резонатора модулированного электронного потока, за счет влияния реактивной составляющей шунтирующей электронной проводимости, происходит «электронное» смещение резонансных частот относительно их значений, полученных в результате «холодных» измерений. Тем самым нарушается, необходимая для повышения КПД, кратность частот. Это снижает эффективность процесса несинусоидальной скоростной модуляции.
Известен также объемный резонатор (Патент RU №2005321, МПК: H01J 25/10), содержащий в цилиндрическом корпусе пролетную трубу с двумя совмещенными модулирующими зазорами для кратных низшей и высшей резонансных частот, дополнительную колебательную систему, которая выполнена в виде металлического стержня, размещенного на стойке, соединяющей корпус резонатора с пролетной трубой, а также два элемента настройки сильфонного типа, один из которых имеет элемент настройки на основную частоту в виде сектора цилиндра, а другой - элемент настройки на высшую частоту в виде цилиндра с глухим отверстием.
Недостатком данного устройства является то, что из-за отсутствия в таком резонаторе устройств вывода энергии одновременно на двух кратных частотах, он, также как и предыдущий аналог, может быть использован только в качестве промежуточного резонатора для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции электронного потока в однолучевом клистроне.
Кроме того, известен двухзазорный резонатор для несинусоидального сигнала (Патент RU №2037903, МПК: H01J 23/00), выполненный с возможностью одновременного возбуждения кратных по частоте противофазного и синфазного видов колебаний, содержащий корпус и размещенную в нем втулку, которая укреплена на стержне и образует вместе с торцевыми крышками двойной бессеточный зазор. Для независимой подстройки резонатора на две кратные частоты в корпус резонатора введены с возможностью радиального перемещения два плоских ребра, которые взаимно перпендикулярны, при этом плоскость ребра, предназначенного для перестройки частоты противофазного вида колебаний, расположена параллельно торцевым крышкам, а плоскость ребра для перестройки синфазного вида колебаний - перпендикулярно торцевым крышкам. Из-за отсутствия в таком резонаторе устройств вывода энергии одновременно на двух кратных частотах он, также как и предыдущий аналог, может быть использован только в качестве промежуточного резонатора для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции электронного потока.
Общим недостатком всех описанных выше устройств является то, что они могут быть использованы только в однолучевых клистронах, так как выполнены на основе отрезка короткозамкнутой на конце четвертьволновой передающей линии, нагруженной на сравнительно малую емкость зазора. Так как в резонаторах многолучевых приборов эта емкость может быть весьма существенной, то приходится сильно уменьшать длину индуктивного элемента (стержня). При этом уменьшается радиус резонатора, а величина характеристического сопротивления резко падает. В этих условиях введение в объем резонатора дополнительных подстроечных элементов затруднено.
Известен многолучевой СВЧ-прибор клистронного типа (Патент RU №2390870, МПК: H01J 25/02), выходной двухзазорный резонатор которого настроен одновременно на две кратные частоты ω и 2ω. Данный резонатор содержит расположенные соосно продольной оси СВЧ-прибора первую и вторую пролетные трубы, и отделенную от них двумя высокочастотными зазорами центральную пролетную трубу, закрепленную в выходном резонаторе с помощью, по крайней мере, одного проводящего держателя, расположенного перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора. Точную настройку выходного резонатора на частоту ω противофазного вида колебаний можно осуществить путем изменения длины проводящего держателя (а, следовательно, и длины выходного резонатора). Настройка на частоту 2ω синфазного вида колебаний достигается путем изменения поперечных размеров этого резонатора. Для вывода СВЧ-энергии одновременно на двух кратных частотах ω и 2 ω  резонатор снабжен одним выводом энергии, который выполнен в виде отрезка коаксиальной линии передачи, которая связана с выходным резонатором с помощью первой петли связи, один конец которой соединен с центральным проводником коаксиальной линии передачи, а второй конец первой петли связи соединен с боковой стенкой выходного резонатора. При этом максимальное значение мощности, поступающей в вывод СВЧ-энергии, будет достигаться только при условии, когда мощность на частоте ω отводится петлей связи, плоскость которой перпендикулярна оси СВЧ-прибора, а мощность на частоте 2ω отводится петлей связи, плоскость которой параллельна оси СВЧ-прибора (α=90°).
Однако из-за сложности конструкции вывода энергии трудно добиться хорошего согласования резонатора с нагрузкой одновременно на двух кратных рабочих частотах. Кроме того, механизмы независимой настройки на кратные частоты в таком резонаторе также отсутствуют, что затрудняет практическую реализацию данного устройства.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является двухзазорный выходной резонатор, описанный в патенте на изобретение RU №2474003, МПК: H01J 25/00, содержащий два раздельных коаксиальных устройства вывода СВЧ энергии, первое из которых предназначено для вывода СВЧ энергии противофазного вида колебаний с рабочей частотой ω, который осуществляется с помощью кондуктивного элемента связи, выполненного в виде проводника, один конец которого соединен с центральным проводником первого отрезка коаксиальной линии передачи, а второе, предназначенное для вывода СВЧ энергии синфазного вида колебаний с рабочей частотой 2ω, выполнено в виде петли связи, один конец которой соединен с центральным проводником второго отрезка коаксиальной линии передачи, а второй конец петли связи соединен с боковой стенкой корпуса выходного резонатора. При этом ВЧ зазоры образованы между торцами первой и второй пролетных труб, прикрепленных к торцевым стенкам двухзазорного выходного резонатора, и торцами центральной пролетной трубы, прикрепленной к боковой стенке этого 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. 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 двухзазорный выходной резонатор. За счет подбора оптимального соотношения геометрических размеров зазоров, корпуса резонатора и проводящих держателей, двухзазорный выходной резонатор может быть настроен на «холодных» измерениях одновременно на противофазный вид колебаний с рабочей частотой ω и на синфазный вид колебаний с рабочей частотой 2ω.
Недостатком данного устройства является сложность процедуры подбора оптимального соотношения геометрических размеров зазоров, корпуса резонатора и проводящих держателей из-за чрезвычайно сложной взаимосвязи влияющих параметров. Настройка резонатора на кратные частоты получается только за счет строгого соблюдения заданной геометрии этих элементов. При этом любые отклонения от заданных размеров при изготовлении резонаторов не позволяют получить требуемое соотношение резонансных частот даже при настройке резонатора при «холодных» измерениях (без электронного потока). Кроме того, невозможно компенсировать уходы частот синфазного и противофазного видов колебаний в динамическом режиме работы прибора (при наличии электронного потока), так как отсутствуют механизмы, позволяющие осуществлять одновременную независимую перестройку обеих частот резонатора при наличии электронного потока.
Задачей полезной модели является создание двухзазорного выходного клистронного резонатора, позволяющего осуществлять независимую его настройку на две кратные частоты за счет оперативного подбора длины проводящих держателей при «холодных измерениях», а также путем компенсации ухода этих частот в динамическом режиме при наличии электронного потока.
Техническим результатом является упрощение операций настройки резонатора на кратные резонансные частоты, как в процессе изготовления многолучевого прибора, так и в динамическом режиме его работы.
Поставленная задача решается тем, что в двухзазорном выходном клистронном резонаторе, содержащем корпус с отверстиями, в которые введены устройство вывода СВЧ энергии противофазного вида колебаний с рабочей частотой ω, выполненное в виде первого отрезка коаксиальной линии передачи с кондуктивным элементом связи, и устройство вывода СВЧ энергии синфазного вида колебаний с рабочей частотой 2ω, выполненное в виде второго отрезка коаксиальной линии передачи с элементом связи в виде петли связи; первую, вторую пролетную трубы, и установленную между ними центральную пролетную трубу, прикрепленную к боковой стенке корпуса резонатора с помощью проводящих держателей, согласно предлагаемому техническому решению, каждый из проводящих держателей выполнен составным, состоящим из концевой части, примыкающей к корпусу резонатора, начальной части, примыкающей к центральной пролетной трубе, и срединной части, представляющей собой дополнительный проводящий элемент, выполненный в виде сектора кольца с внутренним пазом; при этом начальная часть проводящего держателя установлена внутри этого паза с возможностью углового перемещения в пределах угла α; в боковой стенке корпуса выполнены дополнительные отверстия, в которые введены сильфонный механизм настройки частоты синфазного вида колебаний с емкостным элементом настройки, расположенным внутри корпуса напротив места соединения начальной и срединной частей одного из проводящих элементов на одной линии с кондуктивным элементом связи, а также сильфонный механизм настройки частоты противофазного вида колебаний с емкостным элементом, расположенным внутри корпуса на одной линии с петлей связи.
Указанные существенные признаки отличают заявляемое решение от прототипа и обусловливают соответствие этого решения критерию «новизна».
Предлагаемая полезная модель позволяет создать новые многофункциональные многолучевые усилительные и генераторные клистроны и клистроды, позволяющие получить вывод СВЧ-мощности в нагрузку одновременно на двух кратных частотах, соответствующих противофазному и синфазному видам колебаний. При изготовлении таких устройств удается оперативно на «холодных» измерениях получить требуемый комплекс электрических и массогабаритных характеристик выходного резонатора, так как геометрические размеры пространства взаимодействия выбираются из условия получения наибольших значений электронного КПД одновременно на двух рабочих частотах. Внутренний радиус корпуса резонатора выбирается из условий настройки резонатора на рабочую частоту 2ω, соответствующую синфазному виду колебаний, а частота противофазного вида колебаний ω независимо регулируется изменением длины срединной части, путем изменения углового размера α.
Достижение условий кратности частотам ω и 2ω в работающем СВЧ приборе клистронного типа легко можно осуществить независимой регулировкой соответствующих сильфонных механизмов настройки резонатора. Это позволяет расширить функциональные возможности СВЧ-прибора клистронного типа (как низкого, так и высокого уровня мощности) и обеспечить усиление СВЧ колебаний и вывод энергии СВЧ колебаний одновременно на двух рабочих частотах, что расширяет область применения такого прибора во многих областях техники.
2
1
1
2
2
1
2
z
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен поперечный разрез двухзазорного выходного клистронного резонатора (вид сверху), на фиг. 2 - продольное сечение резонатора в плоскости А-А, на фиг. 3 - продольное сечение резонатора в плоскости Б-Б, на фиг. 4 представлены графики зависимостей частот противофазного f1 и синфазного f видов колебаний резонатора от длины перемещения L емкостного элемента механизма настройки частоты противофазного вида колебаний, на фиг. 5 представлены графики зависимостей частот противофазного f и синфазного f видов колебаний резонатора от длины перемещения L емкостного элемента механизма настройки частоты синфазного вида колебаний, на фиг. 6 - представлены графики зависимостей противофазного f и синфазного f видов колебаний резонатора от угла α, от которого зависит длина срединной части проводящих держателей, на фиг. 7 представлены картины распределения продольной составляющей ВЧ электрического поля E в двойном зазоре: а) - для противофазного вида колебания и б) - для синфазного вида колебания. Позициями на чертежах обозначены:
1 - корпус резонатора,
2 - отверстия в боковой стенке корпуса,
3 - боковая стенка корпуса,
4 - устройство вывода СВЧ энергии противофазного вида колебаний,
5 - первый отрезок коаксиальной линии передачи,
6 - кондуктивный элемент связи,
7 - устройство вывода СВЧ энергии синфазного вида колебаний,
8 - второй отрезок коаксиальной линии передачи,
9 - элемент связи в виде петли связи,
10 - первая пролетная труба,
11 - вторая пролетная труба,
12 - центральная пролетная труба,
13 - концевая часть проводящих держателей,
14 - начальная часть проводящих держателей,
15 - срединная часть проводящих держателей,
16 - внутренний паз,
17 - дополнительные отверстия в боковой стенке корпуса,
18 - сильфонный механизм настройки частоты синфазного вида колебаний,
19 - емкостной элемент настройки частоты синфазного вида колебаний,
20 - сильфонный механизм настройки частоты противофазного вида колебаний,
21 - емкостной элемент настройки частоты противофазного вида колебаний.
Двухзазорный выходной клистронный резонатор содержит корпус 1 с отверстиями 2 в его боковой стенке 3, в которые введены устройство вывода СВЧ энергии противофазного вида колебаний 4 с рабочей частотой ω, выполненное в виде первого отрезка коаксиальной линии передачи 5 с кондуктивным элементом связи 6, и устройство вывода СВЧ энергии синфазного вида колебаний 7 с рабочей частотой 2ω, выполненное в виде второго отрезка коаксиальной линии передачи 8 с элементом связи в виде петли связи 9. Двойной высокочастотный зазор в резонаторе образован промежутками между торцами первой 10 и второй 11 пролетных труб и установленной между ними центральной пролетной трубы 12.
Центральная пролетная труба 12 прикреплена к боковой стенке 3 корпуса 1 резонатора с помощью двух проводящих держателей, каждый из которых выполнен составным, состоящим из концевой части 13, начальной части 14, примыкающей к центральной пролетной трубе, и срединной части 15, представляющей собой дополнительный проводящий элемент, выполненный в виде сектора кольца с внутренним пазом 16. Для осуществления возможности изменения частоты противофазного вида колебаний в процессе настройки резонатора на «холодных» измерениях начальная часть 14 каждого проводящего держателя установлена внутри соответствующего внутреннего паза 16 с возможностью углового перемещения (вдоль окружности кольца) в пределах угла α, который выбирается в пределах 50±10° (фиг. 6). После настройки на кратные частоты все части проводящих держателей, изготовленных из меди, соединяют друг с другом, а также с корпусом 1 резонатора и центральной пролетной трубой 12 с помощью пайки. В боковой стенке 3 корпуса 1 выполнены два дополнительных отверстия 17, в одно из которых введен сильфонный механизм настройки частоты синфазного вида колебаний 18 с емкостным элементом настройки 19, расположенным внутри корпуса 1 напротив места соединения начальной 14 и срединной 15 частей одного из проводящих элементов на одной линии с кондуктивным элементом связи 6, а в другое - сильфонный механизм настройки частоты противофазного вида колебаний 20 с емкостным элементом 21, расположенным внутри корпуса на одной линии с индуктивной петлей связи 9. Концевые части держателей 13 расположены перпендикулярно продольной оси резонатора и могут быть выполнены любой формы, например, в виде прямоугольника, одна из боковых частей которого для упрощения ее изготовления путем фрезерования выполнена сферической. Главное требование для концевой части держателей - чтобы они были массивными и обеспечивали устойчивость резонатора к механическим и тепловым нагрузкам.
1
2
Устройство работает следующим образом. Подбором на «холодных» измерениях внутреннего диаметра корпуса двухзазорного выходного клистронного резонатора обеспечивают настройку его синфазного вида колебаний на частоту 2ω. Далее, как показано на фиг. 6, осуществляют настройку на кратную ей частоту противофазного вида колебаний, которую осуществляют за счет перемещения (в пределах угла α=50±10°) начальных частей проводящих держателей 14, установленных внутри внутренних пазов 16, выполненных в срединной части проводящих держателей 15. Затем начальную и срединную части держателей 14, 15 соединяют с помощью пайки. При этом электрическую длину пространства взаимодействия, определяемую длинами ВЧ зазоров и длиной центральной пролетной трубы, а также величиной ускоряющего напряжения СВЧ прибора, на выходе которого установлен такой резонатор, выбирают таким образом, чтобы каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре (по ходу движения электронов от первого ВЧ зазора ко второму) двухзазорного выходного резонатора попал в тормозящее электрическое СВЧ-поле противофазного вида колебаний. При указанной настройке двухзазорного выходного резонатора каждый электронный сгусток во втором ВЧ зазоре автоматически попадает в тормозящее электрическое СВЧ-поле синфазного вида колебаний. Возникающая в процессе взаимодействия реактивная нагрузка резонатора модулированным электронным потоком приводит к уходу частот синфазного и противофазного видов колебаний работы и нарушению их кратности. С помощью сильфонного механизма настройки частоты 18 с емкостным элементом 19 осуществляют точную настройку синфазного вида колебаний в динамическом режиме за счет изменения длины перемещения L емкостного элемента 19 вдоль линии, лежащей в плоскости А-А (фиг. 5). Независимую настройку частоты противофазного вида колебаний в этом режиме осуществляют с помощью сильфонного механизма настройки частоты противофазного вида колебаний 20 за счет изменения длины перемещения Lемкостного элемента 21 вдоль линии, лежащей в плоскости Б-Б. При указанных выше условиях настройки резонатора на кратные частоты противофазного и синфазного видов колебаний электронные сгустки всегда попадают в первом и втором ВЧ зазорах двухзазорного выходного клистронного резонатора в тормозящую фазу электрических СВЧ-полей противофазного (фиг. 7а) и синфазного (фиг. 7б) видов колебаний, что приводит к эффективному отбору энергии от электронного потока СВЧ-полями этих видов колебаний одновременно. В такой конструкции выходного клистронного резонатора вывод СВЧ-мощности на частоте ω в первый отрезок коаксиальной линии передачи 5, входящий в состав устройства вывода СВЧ энергии противофазного вида колебаний 4, осуществляется с помощью кондуктивного элемента связи 6, образующего вместе со срединной 15 и концевой частью 13 одного из проводящих элементов эквивалентную петлю связи, которая расположена в плоскости поперечного сечения резонатора, то есть перпендикулярно продольной оси СВЧ-прибора. При таком положении плоскости эквивалентной петли связи силовые линии магнитного поля противофазного вида колебаний, которое сосредоточено в основном вокруг срединных 15 и концевых 13 частей проводящих держателей, будут максимально пересекать плоскость эквивалентной петли связи, что обеспечивает эффективный вывод СВЧ-мощности на частоте ω в устройство вывода СВЧ энергии противофазного вида колебаний 4. При этом магнитное поле синфазного вида колебаний в области расположения эквивалентной петли практически отсутствует, вследствие чего СВЧ-мощность на частоте 2ω не будет выводиться в первый отрезок коаксиальной линии передачи 5.
С помощью петли связи 9 осуществляется передача энергии из резонатора во второй отрезок коаксиальной линии передачи 8 на рабочей частоте 2ω. Угол между плоскостью, в которой расположена петля связи 9, и плоскостью, расположенной перпендикулярно продольной оси выходного резонатора СВЧ-прибора, выбирается близким к 90°, так как только при таком положении плоскости петли связи 9 силовые линии магнитного поля синфазного вида колебаний в выходном резонаторе будут пересекать плоскость петли связи 9 и уровень СВЧ-мощности выводимой через устройство вывода СВЧ энергии на синфазном виде колебаний на частоте 2ω будет максимальным.
Выбор расстояний L1 и L2 определяется условиями совместной настройки резонатора на кратные частоты.
Обеспечение высокой эффективности взаимодействия одновременно на двух рабочих частотах и реализация возможности хорошего согласования с нагрузками на каждой рабочей частоте расширяет функциональные возможности многолучевого СВЧ-прибора клистронного типа, в котором используется предлагаемое устройство. Такой прибор может найти применение, например, в радиолокации, в системах радиопротиводействия и в других областях техники.