МНОГОЛУЧЕВОЙ СВЧ ПРИБОР О-ТИПА
MULTIBEAM MICROWAVE DEVICE OF O-TYPE

Изобретение относится к электронной СВЧ технике, а именно к мощным многолучевым СВЧ приборам O-типа, например к многолучевым клистронам (МЛК), предназначенным для работы преимущественно в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн.
Важнейшими требованиями, которые предъявляются при создании современных конструкций усилительных клистронов, являются: увеличение средней и импульсной выходной мощности, расширение полосы рабочих частот, а также увеличение КПД клистрона. При этом должны обеспечиваться высокие эксплуатационные характеристики приборов, такие как низкие питающие напряжения и малые массогабаритные характеристики.
Также одним из основных требований к клистрону с управлением по специальному электроду электронной пушки (управляющей сетке), является необходимость обеспечения его высокой электрической прочности (минимального числа пробоев в пушке). Следует отметить, что с увеличением рабочей частоты МЛК, а следовательно, уменьшением длины волны, обеспечение баланса внутри комплекса вышеуказанных параметров значительно усложняется за счет уменьшения физических размеров резонаторов электродинамической системы.
Известны мощные многолучевые клистроны с электродинамической системой, содержащей резонаторы на основном виде колебаний [1]. В таких клистронах электронные лучи проходят через отдельные пролетные каналы в общей пролетной трубе, размещенной в тороидальном резонаторе. Низкопервеансные с малым током электронные лучи легче фокусируются, группируются и с большой эффективностью передают свою энергию высокочастотному полю. Выходная мощность образуется в результате суммирования мощностей, отдаваемых полю многими слаботочными лучами. В результате удается существенно уменьшить рабочее напряжение и в ряде случаев уменьшить габариты и массу клистрона и его источников питания. Кроме того, с увеличением суммарного первеанса может быть существенно увеличена полоса усиления такого клистрона.
Однако при создании клистронов с уровнем средней мощности более 10 кВт в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн, использование многолучевой конструкции с резонаторами на основном виде колебаний наталкивается на трудности, связанные с необходимостью решения противоречивых задач. Для обеспечения широкой полосы усиления необходимо уменьшать диаметр пролетной трубы, а для обеспечения большого уровня мощности, хорошего теплорассеяния, низкой плотности тока с катода и высокой электропрочности прибора, необходимо увеличивать число лучей, а, следовательно, увеличивается и диаметр пролетной трубы.
При использовании традиционных резонаторов тороидального типа максимальные размеры диаметра пролётной трубы составляют примерно половину рабочей длины волны. При этом парциальные лучи расположены по одной или более окружностям. Использование пролётной трубы большого диаметра приводит к изменению амплитуды электрического поля по радиусу. Это приводит к снижению эффективности взаимодействия электронного потока и к неоднородности модуляции электронных лучей во внешних и во внутренних рядах пролётных каналов, а, следовательно, к падению КПД.
При уменьшении рабочей длины волны клистрона допустимый диаметр пролетной трубы соответственно уменьшается. Соответственно уменьшается достижимая величина импульсной и средней мощности при сохранении требуемой электропрочности.
Электропрочность определяется рядом факторов: величиной напряжённости электрического поля в межэлектродных промежутках электронной пушки, качеством поверхности электродов, уровнем вакуума в приборе и т.д. Величина напряжённости электрического поля, зависит от первеанса одного луча и величины ускоряющего напряжения, которые при известном числе лучей полностью определяют выходную мощность клистрона.
Известна конструкция клистрона средней мощности имеющего в общей вакуумной оболочке два парциальных МЛК [2]. Входные и выходные резонаторы парциальных МЛК попарно связаны между собой, образуя входной и выходной активные резонаторы клистрона (двухтрубные резонаторы), а промежуточные резонаторы (однотрубные резонаторы) парциальных МЛК не связаны с соседними резонаторами. Все резонаторы являются двухзазорными коаксиальными (работающими на противофазном виде). Такая конструкция позволяет иметь более широкую полосу частот по сравнению с однозазорными резонаторами. Однако диаметр пролетной трубы в таком типе резонаторов может быть не более четверти длины волны, что ограничивает уровень выходной мощности каждого парциального МЛК. Обеспечение большого уровня выходной мощности так же невозможно из-за трудности теплоотвода от средних перемычек двухзазорных резонаторов.
Данная конструкция имеет уровень выходной импульсной мощности порядка 15 кВт в полосе 500 МГц и КПД прибора ~15%.
Используемые в такой конструкции клистрона двухтрубные входные и выходные резонаторы имеют повышенную чувствительность распределения электрического поля к неоднородностям, возникающим при нагрузке входного и выходного резонаторов, что снижает КПД клистрона.
201
Известна конструкция клистрона большой импульсной и средней мощности, содержащего электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую входной и выходной активные резонаторы, в каждом из которых размещены по две многолучевые пролетные трубы, промежуточные активные резонаторы и первый выходной пассивный резонатор, электромагнитно связанный с выходным активным резонатором, при этом входной, выходной и промежуточные активные резонаторы, в каждом из которых размещены по две многолучевые пролетные трубы, выполнены в виде отрезков волноводов с рабочим видом колебаний H а диаметр D каждой многолучевой пролетной трубы выбран из условия D=(0,4÷0,45)λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.
Данная конструкция позволяет обеспечить высокий уровень выходной мощности (импульсной и средней) в достаточно широкой полосе частот в средней части сантиметрового диапазона.
Однако, при переходе в коротковолновую часть сантиметрового диапазона диаметр пролётной трубы, зависящий от длины волны, физически уменьшается. В таком резонаторе в коротковолновой части сантиметрового диапазона становится невозможно разместить большое число лучей, что приводит к уменьшению выходной мощности, ухудшению электропрочности и уменьшению срока службы клистрона. Используемые в такой конструкции клистрона двухтрубные входные и выходные резонаторы имеют повышенную чувствительность распределения электрического поля к неоднородностям, возникающим при нагрузке входного и выходного резонаторов, что снижает КПД клистрона.
Задачей изобретения является создание многолучевого импульсного многорезонаторного СВЧ прибора O-типа (например, клистрона) работающего в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн, обладающего высокими уровнями импульсной и средней выходной мощности в широкой полосе частот при достаточной электропрочности, а также высоким КПД.
В предлагаемом изобретении увеличение выходной мощности прибора достигается путём выбора вида колебаний активных резонаторов и заданной величины диаметра многолучевого электронного пучка, обеспечивающегося определенным размещением индивидуальных пролетных трубок для пропускания электронных лучей в активных резонаторах. При этом предлагаемая конструкция обеспечивает высокий КПД в заданной полосе частот.
301
Предлагается многолучевой СВЧ прибор O-типа, содержащий электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую входной, выходной и промежуточные активные резонаторы, первый выходной пассивный резонатор, электромагнитно связанный с выходным активным резонатором, при этом входной, выходной и промежуточные активные резонаторы выполнены в виде отрезков волноводов с рабочим видом колебаний H, в каждом входном, выходном и промежуточном активном резонаторе для пропускания электронных лучей размещены по три группы индивидуальных пролетных трубок, при этом пролетные трубки каждой из групп имеют аксиально-симметричное размещение в виде, по крайней мере, одного кольцевого ряда, а диаметр окружности D, ограничивающей внешний кольцевой ряд пролетных трубок каждой из групп выбран из условия
D=(0.32÷0.42)λ,
где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.
В предлагаемом изобретении входной активный резонатор может быть электромагнитно связан с входным волноводом через щель связи, выполненную в их общей стенке, расположенной перпендикулярно плоскости проходящей через оси трех групп пролётных трубок входного активного резонатора.
В предлагаемом изобретении входной активный резонатор электромагнитно связан с входным пассивным резонатором через щель связи, выполненную в их общей стенке, расположенной перпендикулярно плоскости, проходящей через оси трех групп пролётных трубок входного активного резонатора.
В предлагаемом изобретении входной активный резонатор может быть электромагнитно связан с входным пассивным резонатором через щель связи, выполненную в их общей стенке, расположенной перпендикулярно плоскости, проходящей через оси трех групп пролётных трубок входного активного резонатора.
301
В предлагаемом изобретении входной активный резонатор может быть электромагнитно связан с входным пассивным резонатором, выполненным в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н, через три щели связи, которые выполнены напротив центров групп пролётных трубок выходного активного резонатора, в их общей стенке, размещённой параллельно плоскости, проходящей через оси трех групп пролётных трубок входного активного резонатора.
В последних двух случаях входной пассивный резонатор электромагнитно связан с входным волноводом через щель связи в их общей стенке.
301
В предлагаемом изобретении первый выходной пассивный резонатор может быть выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н при этом первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходным активным резонатором через три щели связи, которые выполнены напротив центров групп пролётных трубок выходного активного резонатора, в их общей стенке, расположенной параллельно плоскости, проходящей через оси трех групп пролётных трубок выходного активного резонатора, а выходной волновод электромагнитно связан с первым выходным пассивным резонатором через щель связи в их общей стенке.
201
В предлагаемом изобретении первый выходной пассивный резонатор может быть выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н, при этом первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходной активным резонатором через две щели связи, выполненные напротив центров двух соседних групп пролётных трубок выходного активного резонатора, в их общей стенке, расположенной параллельно плоскости, проходящей через оси трех групп пролётных трубок выходного активного резонатора, а выходной волновод электромагнитно связан с первым выходным пассивным резонатором через щель связи в их общей стенке, при этом щель связи смещена относительно оси первого выходного пассивного резонатора.
В предлагаемом изобретении первый выходной пассивный резонатор может быть электромагнитно связан со вторым выходным пассивным резонатором через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в общей стенке этих резонаторов, при этом второй выходной пассивный резонатор электромагнитно связан с выходным волноводом через щель связи в их общей стенке.
301
Использование в предлагаемом изобретении резонаторов с рабочим видом колебаний H позволяет использовать три многолучевых электронных пучка, которые проходят через три группы индивидуальных пролетных трубок в каждом резонаторе, что даёт возможность увеличить общее количество лучей, и соответственно, выходную мощность прибора при сохранении требуемой электропрочности. Размещение в активных резонаторах по три группы индивидуальных пролетных трубок также позволяет уменьшить диаметр окружности D, ограничивающей внешний кольцевой ряд пролетных трубок каждой группы (и по сути являющийся аналогом диаметра пролетной трубы), и тем самым, уменьшить неравномерность распределения электрического поля в каждой группе пролетных трубок, что в свою очередь позволяет увеличить КПД и коэффициент усиления клистрона. При этом использование вместо общей пролетной трубы групп индивидуальных пролетных трубок позволяет увеличить характеристическое сопротивление активных резонаторов на величину порядка 10%, что также дает увеличение КПД, коэффициента усиления и полосы рабочих частот клистрона.
Расчётные и экспериментальные данные показали, что в предлагаемой конструкции прибора диаметр окружности D, ограничивающей внешний кольцевой ряд каждой группы индивидуальных пролетных трубок должен находиться в пределах 0,32÷0,42 длины волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы прибора.
Увеличение этого диаметра более 0,42 указанной длины волны приводит к уменьшению характеристического сопротивления резонатора, а также к большой неравномерности распределения электрического поля в группах пролетных трубок и, соответственно, уменьшению КПД и коэффициента усиления клистрона, что приводит к уменьшению выходной мощности.
Уменьшение диаметра менее 0,32 указанной длины волны приводит к невозможности размещения достаточного числа лучей в группе, что не позволяет обеспечить высокую электропрочность и долговечность прибора при больших уровнях выходной мощности. Конкретное значение диаметра окружности ограничивающей внешний кольцевой ряд каждой группы индивидуальных пролетных трубок прибора выбирается из указанного интервала значений с учётом наиболее плотной упаковки пролетных трубок, которая в свою очередь выбирается исходя из требуемых диаметров и количества каналов, а также из заданного диапазона рабочих частот.
Входной активный резонатор электромагнитно связан с входным волноводом непосредственно или, для увеличения коэффициента усиления, через пассивный входной резонатор. Входной волновод соединён с вводом энергии.
Для обеспечения широкополосности прибора выходной активный резонатор электромагнитно связан с выходным волноводом через один или два (для обеспечения большей рабочей полосы прибора) последовательно соединённых пассивных резонатора. Выходной волновод соединён с выводом энергии.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображён предлагаемый многолучевой многорезонаторный клистрон.
На фиг.2 схематично изображено конструктивное выполнение активного резонатора.
На фиг.3а и 3б схематично изображены варианты выполнения входного активного резонатора (фиг.3а - входной активный резонатор с входным волноводом, фиг.3б - входной активный резонатор с входным пассивным резонатором и входным волноводом.
301
На фиг.4 схематично изображен вариант выполнения выходного активного резонатора с первым выходным пассивным резонатором, выполненным в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний H и выходным волноводом.
201
На фиг.5 схематично изображен вариант выполнения выходного активного резонатора с первым выходным пассивным резонатором, выполненным в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н и выходным волноводом.
На фиг.6 схематично изображен вариант выполнения выходного активного резонатора с двумя выходными пассивными резонаторами и выходным волноводом.
Многолучевой многорезонаторный клистрон, схематично изображённый на фиг.1, содержит электронную пушку 1, коллектор 2, ввод энергии 3, вывод энергии 4 и электродинамическую систему 5, включающую входной активный резонатор 6, промежуточные активные резонаторы 7 и выходной активный резонатор 8, каждый из которых содержит три группы индивидуальных пролётных трубок 9.
На фиг.2 изображён активный резонатор 7, содержащий три группы индивидуальных пролётных трубок 9.
На фиг.3а изображён входной активный резонатор 6, электромагнитно связанный непосредственно с входным волноводом 10 через щель связи 11 в их общей стенке 12, расположенной перпендикулярно плоскости, проходящей через оси трех групп индивидуальных пролётных трубок 9.
На фиг.3б изображён входной активный резонатор 6, электромагнитно связанный с входным пассивным резонатором 13 через щель связи 14 в их общей стенке 15, расположенной перпендикулярно плоскости, проходящей через оси трех групп индивидуальных пролётных трубок 9, и входным волноводом 10, связанным с входным пассивным резонатором 13 через щель связи 16 в их общей стенке 17.
301
На фиг.4 изображён входной активный резонатор 6, электромагнитно связанный с входным пассивным резонатором 11, выполненным в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний H через три щели связи 18 в их общей стенке 19, расположенной параллельно плоскости, проходящей через оси трех групп индивидуальных пролётных трубок 9, причём щели связи расположены напротив центров групп индивидуальных пролётных трубок 9. Входной пассивный резонатор 11 электромагнитно связан с входным волноводом 10 через щель связи 16 в их общей стенке 17.
201
На фиг.5 изображён выходной активный резонатор 8, электромагнитно связанный с первым выходным пассивным резонатором 20, выполненным в виде отрезка прямоугольного волновода с рабочим видом колебаний Н через две щели связи 21 в их общей стенке 22, расположенной параллельно плоскости, проходящей через оси трех групп индивидуальных пролётных трубок 9, причём щели связи расположены напротив центров двух соседних групп индивидуальных пролётных трубок 9. Первый выходной пассивный резонатор 20 электромагнитно связан с выходным волноводом 23 через щель связи 24 в их общей стенке 25, причём щель связи смещена относительно оси первого выходного пассивного резонатора 20.
101
На фиг.6 изображён выходной активный резонатор 8, электромагнитно связанный с первым выходным пассивным резонатором 20, имеющим рабочий вид колебаний H через щель связи 26 в их общей стенке 22, расположенной параллельно плоскости, проходящей через оси трех групп индивидуальных пролётных трубок 9, причём щель связи расположена напротив центра группы индивидуальных пролётных трубок 9. Первый выходной пассивный резонатор электромагнитно связан со вторым выходным пассивным резонатором 27 через щель связи 28, выполненную в их общей стенке 29. Второй выходной пассивный резонатор 27 электромагнитно связан с выходным волноводом 23 через щель связи 30 в их общей стенке 31.
Клистрон, схематично изображённый на фиг. 1, работает следующим образом. Входная СВЧ мощность поступает на ввод энергии 3 и возбуждает во входном активном резонаторе 6 СВЧ колебания. При этом СВЧ энергия подводится от ввода энергии 3 к резонатору 6 либо непосредственно через входной волновод 10 (фиг.3а), либо через последовательно соединённые входной волновод 10 и входной пассивный резонатор 13 (фиг.3б). Электронные лучи проходя через входной активный резонатор 6 модулируются по скорости СВЧ энергией. В пролётных трубках 9 ускоренные электроны догоняют более медленные. В промежуточных активных резонаторах 7 электронные лучи наводят СВЧ поле, которое в свою очередь дополнительно модулирует электронные лучи. В результате этого происходит группировка электронных лучей в сгустки. Отбор энергии от электронных лучей происходит в выходном активном резонаторе 8 путём торможения сгустков электронов в высокочастотном поле этого резонатора. Усиленная СВЧ мощность из выходного активного резонатора 8 выводится из клистрона через вывод энергии 4. При этом СВЧ энергия поступает от резонатора 8 к выводу энергии 4 либо через первый выходной пассивный резонатор 20 и выходной волновод 23, либо через два последовательно соединённых выходных пассивных резонатора 20 и 27 и выходной волновод 23 (фиг.6).
301
Предлагаемая конструкция опробована в мощных широкополосных клистронах, содержащих восемь активных резонаторов, с рабочим видом колебаний H в каждом из которых размещены по три группы из пяти индивидуальных пролетных трубок, имеющих размещение в виде кольцевых рядов с диаметром окружности, ограничивающей кольцевые ряды от 0,34 до 0,41 длины волны, соответствующей, центральной частоте рабочей полосы прибора, и два пассивных выходных резонатора (расположенных согласно фиг.6).
Получены следующие результаты: при работе в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн обеспечен уровень выходной импульсной мощности более 120 кВт в полосе 200 МГц при высокой электрической прочности. В ранее существовавших конструкциях не удавалось достичь такого комплекса параметров в указанном диапазоне частот.
Предлагаемая конструкция может быть широко использована при создании мощных широкополосных приборов O-типа в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн (например, клистронов) для применения в радиоэлектронной аппаратуре.
Источники информации:
1. В.И. Пугнин Оценка предельной мощности многолучевых клистронов с резонаторами на основном виде колебаний для современных РЛС. «Радиотехника», 2000 г., №2 стр.43-50.
2. А.А. Тув. Трехсантиметровый мощный широкополосный низковольтный многолучевой усилительный клистрон двухствольной конструкции. Радиотехника, 2000 г., №2, стр.51-53.
3. А.А. Пугнин, А.Н. Юнаков, Т.Н. Бурдина Патент РФ №2244980 приоритет от 18.08.2003 г. Многолучевой прибор O-типа.