ДВУХЗАЗОРНЫЙ РЕЗОНАТОР

Изобретение относится к области электронных приборов СВЧ, преимущественно к усилительным клистронам.
Широкое применение, особенно в клистронах дециметрового диапазона, находят двухзазорные резонаторы с π-взаимодействием с электронным потоком, т.к. они позволяют получить в этом диапазоне при заданной рабочей полосе максимально возможное усиление на единицу длины прибора. Конструктивно такие резонаторы выполняются в виде цилиндрического корпуса, ограниченного по длине торцевыми крышками, имеющими пролетные отверстия на их оси или систему пролетных отверстий в случае использования многолучевого электронного потока. Пролетная труба с отверстиями соосными отверстиям в торцевых крышках находится внутри корпуса на его оси и образует между своими торцами и крышками резонатора два зазора взаимодействия. В этом положении пролетная труба за свою центральную часть фиксируется одним или несколькими стержнями, соединенными с цилиндрической стенкой резонатора. В частности, фиксирующие стержни могут являться внутренними проводниками короткозамкнутых отрезков коаксиальных линий, через которые пролетная труба соединяется с цилиндрической стенкой резонатора (Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы СВЧ. М.: Радио и связь, 1984).
Недостатком известных двухзазорных резонаторов является повышенная склонность к самовозбуждению при пропускании через них электронного потока, обусловленная двухкратным взаимодействием электронного потока с его полями, что приводит к нарушению работы клистрона. Общее условие самовозбуждения такого рода - превышение по модулю величины отрицательной электронной проводимости над резонансной проводимостью резонатора на каком-либо виде колебаний. В мощных широкополосных клистронах, для которых характерны высокопервеансные электронные потоки, условие самовозбуждения может выполняться в частотных диапазонах, простирающихся до 5÷7 гармоник рабочего сигнала.
paб
paб
раб
При конструировании резонаторов подбираются в первую очередь их параметры на рабочем виде колебаний (частота f, добротность Q, характеристическое сопротивление ρ), необходимые для обеспечения работы клистрона. При этом и на нерабочих видах
н.раб
н.раб
н.раб
н.раб.
колебаний аналогичные параметры (f, Q, ρ) приобретают определенные значения. Единственная возможность подавить эти колебания заключается в нарушении условий их самовозбуждения за счет увеличения резонансной проводимости резонатора на нерабочем виде колебаний путем снижения добротности Q.
Практическое применение нашли два подхода к конструированию средств подавления. Для первого подхода характерно использование нагрузок различной конфигурации, размещенных чаще всего вне электродинамического объема резонатора.
Например, в SU №319974 от 1972 г. нагрузка выполнена в виде беличьего колеса, покрытого слоем поглощающего СВЧ энергию материала типа «альсифер» (Ирюшкина Л.Ф., Воробьева Н.И. Материалы для внутривакуумных поглотителей СВЧ энергии. Обзоры по электронной технике. Серия 6, Материалы. Вып.9 (1415) М.: ЦНИИ «Электроника», 1988), и размещена в кольцевой полости в цилиндрической стенке резонатора. Эта полость связана с полостью собственно резонатора через кольцевую щель в стенке резонатора напротив середины пролетной трубы. Полость с поглотителем подавляет нерабочие колебания, но только те, для которых существуют токи, прерываемые кольцевой щелью. Для нерабочих колебаний, у которых ток в области щели связи отсутствует или направлен вдоль нее (а такие колебания, как показывают исследования, присутствуют в спектре нерабочих колебаний) эта конструкция неэффективна.
Таким образом, если решать задачу подавления всей совокупности самовозбуждающихся нерабочих видов колебаний в обозначенном выше диапазоне частот, имеющих сложную и, главное, изменяющуюся от резонанса к резонансу структуру полей, то необходимо устанавливать на резонаторе несколько поглощающих нагрузок, размещая их в соответствии с распределением полей подавляемых колебаний, и настраивая нагрузки так, чтобы обеспечить максимальное поглощение на частотах этих видов колебаний. Практически это трудно реализуемо.
Другой, более простой в конструктивном и технологическом отношении путь решения поставленной задачи предложен в US №3,381,163. от 1968 г. В этом патенте для подавления самовозбуждения нерабочих видов колебаний наносится пленка из поглощающего СВЧ энергию материала типа Kanthal практически на все токонесущие поверхности рассматриваемого там резонатора. Пленка имеет толщину не менее глубины проникновения в него высокочастотного тока, хорошую адгезию к материалу стенок резонатора в вакууме и вносит потери на всех видах колебаний резонатора. Привлекательность такого подхода для мощных широкополосных клистронов обусловлена еще и тем, что для них добротность резонаторов на рабочем виде колебаний также является низкой - до (20-30)
единиц - за исключением выходного резонатора, в котором, для получения достаточного контурного коэффициента полезного действия собственная добротность не должна быть ниже (200-300) единиц.
Ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели является двухзазорный резонатор, состоящий из цилиндрического корпуса, торцевых крышек с одним или несколькими пролетными отверстиями в них, цилиндрической пролетной трубы, которая расположена внутри корпуса и соосна с ним, имеет пролетные отверстия соосные отверстиям в торцевых крышках и за свою середину прикреплена одним или несколькими радиальными стержнями к цилиндрическому корпусу непосредственно или через промежуточное поддерживающее средство, например коаксиальную линию (SU №277116 от 1970 г.) Двухзазорный резонатор в этом патенте является фрагментом резонатора с распределенным взаимодействием, в котором пролетная труба зафиксирована внутри корпуса с помощью радиальных стержней, отходящих от ее середины и соединенных с корпусом через коаксиальную линию. Токонесущие поверхности этой линии покрыты поглощающей СВЧ энергию пастой. Через резонатор пропускают однолучевой или многолучевой электронный поток (в зависимости от системы пролетных отверстий в торцевых крышках в пролетной трубе) в клистронном усилителе.
Необходимая для работы клистрона сравнительно низкая добротность рабочего вида колебания достигается подбором площади поглощающего покрытия коаксиальной части линии, поддерживающей пролетную трубу. Одновременно это обеспечивает снижение добротности нерабочих колебаний.
Для увеличения числа подавляемых нерабочих колебаний и степени их подавления в прототипе введено в соответствии с US №3.381.163. поглощающее СВЧ энергию покрытие на внутренней цилиндрической стенке корпуса и внешней боковой поверхности цилиндрической пролетной трубы.
При этом наибольший вклад в подавление нерабочих видов колебаний вносит покрытие на пролетной трубе. Это связано с тем, что соотношение постоянных затухания за счет потерь на проводниках коаксиала, образованного пролетной трубой и корпусом, обратно отношению их диаметров. Особенно эффективно покрытие на пролетной трубе для подавления колебаний с полями, обеспечивающими синфазное (2π-взаимодействие), так как для этих видов колебаний характерны интенсивные токи вдоль пролетной трубы. В то же время, влияние поглощающих покрытий на корпусе и на пролетной трубе на рабочий π-вид невелико, так как пространственно эти покрытия совпадают с областью минимальных токов рабочего вида колебаний. Поэтому поглощающее покрытие корпуса и
пролетной трубы можно применять для подавления нерабочих видов и в выходном резонаторе, где необходима относительно высокая собственная добротность рабочего вида для обеспечения высокого контурного кпд.
Поглощающие покрытия, работающие в вакууме, как правило, выполняются на основе ферромагнитных материалов. Размещение таких материалов внутри резонатора может влиять на фокусирующее магнитное поле в области пролета электронного потока.
Как показали расчеты и измерения магнитных полей, нанесение тонкослойных толщиной 0,2÷0,3 мм покрытий на внутреннюю поверхность корпуса рассматриваемого резонатора, а также на поддерживающие пролетную трубу проводники коаксиальной линии при размерах резонатора, характерных для дециметрового диапазона, практически не влияет на магнитное поле в области пролета электронного потока. Однако такое же покрытие на внешней цилиндрической поверхности пролетной трубы приводит к заметному уменьшению фокусирующей продольной составляющей магнитного поля и соответственно появлению радиальной составляющей поля, которая для пролетных каналов, отстоящих от оси пролетной трубы, является поперечной, и отклоняет электронный поток от оси канала. Такие изменения магнитного поля приводят к расфокусировке электронного потока, увеличению токооседания в пролетных каналах и в результате к уменьшению токопрохождения.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является улучшение токопрохождения через пролетные трубы с нанесенным на их поверхность поглощающим СВЧ-энергию ферромагнитным материалом.
Технический результат от использования полезной модели заключается в уменьшении влияния ферромагнитного покрытия пролетной трубы на магнитное поле в области пролетных каналов путем существенного уменьшения радиальной составляющей фокусирующего магнитного поля.
Дополнительный результат заключается в увеличении подавления нерабочих видов колебаний.
Сущность полезной модели заключается в том, что в двухзазорном резонаторе, состоящем из цилиндрического корпуса, торцевых крышек с одним или несколькими пролетными отверстиями в них, цилиндрической пролетной трубы, которая расположена внутри корпуса и соосна с ним, имеет пролетные отверстия соосные отверстиям в торцевых крышках и за свою середину прикреплена одним или несколькими радиальными стержнями к цилиндрическому корпусу непосредственно или через промежуточное поддерживающее средство, например коаксиальную линию, на цилиндрической поверхности
пролетной трубы введены соосные с ней кольцевые выступы и на поверхностях этих выступов, преимущественно перпендикулярных оси пролетной трубы, нанесен поглощающий СВЧ энергию материал.
Кроме того, на внутренние поверхности корпуса и промежуточного поддерживающего средства нанесен поглощающий материал.
Предложенная полезная модель поясняется чертежом. Резонатор содержит пролетную трубу 1, зафиксированную соосно внутри цилиндрического корпуса 2 с помощью двух радиальных стержней 3, являющихся внутренними проводниками двух коротко-замкнутых коаксиальных линий, которые закреплены на цилиндрической стенке 4 корпуса 2. На частичных разрезах трубы 1 и торцевых крышек 5 корпуса 2 показана система пролетных каналов для прохождения электронных лучей. Внешняя цилиндрическая поверхность трубы 1 имеет кольцевые выступы 6 (в данном случае 4 выступа) оси которых совпадают с осью резонатора.
Место нанесения покрытия, предназначенного для подавления нерабочих колебаний обозначено штрихпунктирной линией.
Двухзазорный резонатор работает следующим образом. При прохождении через резонатор электронного луча в резонаторе возбуждаются СВЧ колебания, которые на рабочем виде колебаний обычно имеют вид однополуволнового резонанса в короткозамкнутой линии, поддерживающей пролетную трубу 1. Поля этого резонанса в зазорах взаимодействия противофазны (π-вид колебаний). ВЧ токи рабочего вида колебаний минимальны вблизи оси резонатора и максимальны на его периферии. В то же время нерабочие виды колебаний имеют максимумы ВЧ токов в области оси резонатора. Поэтому размещение выступов 6, покрытых поглощающим материалом, на пролетной трубе 1 наиболее предпочтительно для подавления нерабочих видов колебаний.
При этом воздействие на осевое фокусирующее магнитное поле В оказывают лишь торцы слоев покрытия длиной σ=0,2-0,3 мм, соответствующей толщине покрытия. В остальной части поглощающего слоя магнитное поле перпендикулярно покрытию и в соответствии с граничными условиями проникает через слой покрытия без изменения направления.
При одинаковой площади покрытия на цилиндрической поверхности пролетной трубы и на кольцах (это обеспечивает равную степень подавления нерабочих колебаний) поперечная составляющая магнитного поля, обусловленная покрытием на пролетной трубе, будет больше в L/2δN раз, чем при использовании колец. В этой формуле: L - длина покрытия на пролетной трубе, Т - число колец с покрытием, δ - толщина покрытая,
N-. Например, допустив уменьшение на 10% характеристического сопротивления, обусловленное введением колец получим, что в дециметровом диапазоне частот при числе колец 4-5 отношение L/2δN составляет 15÷20.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет при сохранении степени подавления нерабочих колебаний уменьшить влияние ферромагнитного покрытия пролетной трубы на магнитное поле в области пролетных каналов (как минимум на порядок снизить радиальную составляющую фокусирующего магнитного поля) и улучшить токопрохождение.
Введение поглощающего покрытия на внутренние поверхности корпуса и промежуточного поддерживающего средства позволяет дополнительно увеличить подавление нерабочих видов колебаний.