МОЩНЫЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КЛИСТРОН

Предлагаемое техническое решение относится к электронным приборам СВЧ, а именно к низковольтным многолучевым усилительным клистронам (МЛК) преимущественно непрерывного действия с большой выходной мощностью.
По сравнению с однолучевым клистроном МЛК позволяет повысить выходную мощность единичного прибора при существенном уменьшении питающих напряжений и габаритов прибора. Поэтому, несмотря на большую сложность изготовления и стоимость, в последнее время при разработке клистронов с высоким уровнем выходной средней мощности большое внимание уделяется многолучевым конструкциям. Предлагаемая конструкция МЛК предназначена, в основном, для приборов с уровнем выходной средней мощности несколько сотен киловатт.
По конструкции МЛК делятся на две большие группы: МЛК работающие на основном типе колебаний резонатора и МЛК работающие на высших видах колебаний резонаторов. Предложенная конструкция относится к многоствольным (в иностранной литературе кластерным) клистронам - МЛК с резонаторами, работающими на высших видах колебаний, в которых каждая пролетная труба в каждом резонаторе многолучевая, а резонаторы могут быть многозазорными.
К основным проблемам конструирования МЛК с уровнем выходной средней мощности сотни киловатт, и которые решает предлагаемая конструкция, относится необходимость увеличения общего числа электронных лучей и стойкость вывода энергии - электрическая и тепловая.
210
В качестве прототипа предлагаемой конструкции можно взять патент US 2011/0089829 A1 - кластерный клистрон с коаксиальными резонаторами, работающими на E моде. В каждой пучности электрического поля расположено шесть пролетных каналов. Прибор предназначен для работы в дециметровом диапазоне длин волн. К недостаткам можно отнести трудности при масштабировании конструкции по числу лучей и сложность обеспечения однородности взаимодействия электрического поля с отдельными лучами для приборов подобного типа, работающих в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн. Для некоторых приложений недостатком является использование для передачи энергии в тракт двух выводов энергии баночного типа, что применяется в большинстве выпускаемых в настоящее время сверхмощных клистронов.
01
При повышении выходной мощности прибора вывод энергии клистрона становится наиболее уязвимым элементом конструкции. Нагрев, вызывающий пробои и дальнейшее разрушение конструкции, в большинстве случаев начинается в месте пайки металла и керамики под действием протекающего тока. Исключить нагрев можно при переходе к выводу энергии на волне H круглого волновода, где на периферии волновода поле минимально.
01
th
Вывод энергии на волне H круглого волновода предлагается использовать в 8-лучевом клистроне, предложенном фирмой Calabazas Creek Research. (L. Song, et al., "Development of an X-band 50 MW multiple beam klystron"; High energy density and high power RF: 6 workshop.2003).
01
01
Здесь предложено колебания каждого из восьми выходных резонаторов с помощью отдельных компактных волноводных скруток преобразовывать в суммарную волну H круглого волновода, расположенного вдоль оси прибора, и на котором установлен вывод энергии на волне H круглого волновода. К недостаткам подобной конструкции следует отнести необходимость прохождения выходного волновода сквозь коллектор прибора и сложность конструкции входной части прибора, где требуется обеспечить равенство амплитуд и соответствующий сдвиг фаз между колебаниями в резонаторах, модулирующих различные электронные пучки, что требуется для последующего суммирования энергии в выходном волноводе. Также в этой конструкции необходимо 4 коаксиальных ввода энергии и три делителя мощности перед ними.
m01
m01
Известны конструкции многолучевых многоствольных клистронов с резонаторами на высших типах колебаний, которые можно считать ближайшими аналогами предлагаемого прибора. В патентах RU 2244980 и RU 2507626 используются многоствольные резонаторы с рабочим типом колебаний H, где m соответственно равно 2 или 3, в которых линейно размещены группы пролетных трубок. Выходной активный резонатор электромагнитно связан с выходным пассивным резонатором с рабочим видом H через щели связи, выполненные в общей стенке резонаторов, напротив центров групп пролетных трубок выходного активного резонатора. Дальнейший вывод энергии осуществляется в направлении, перпендикулярном оси активного резонатора через дополнительные пассивные резонаторы.
501
Повышение выходной мощности в подобных конструкциях возможно за счет использования резонаторов с еще большими рабочими типами колебаний, например H, что приводит, однако, к значительному увеличению габаритов прибора. Ограничение по уровню выходной мощности при этом наступает из-за трудности охлаждения выходной согласующей системы, конструкция которой становиться очень сложной.
Вопросы надежности вывода энергии в этих конструкциях не также не решены.
Техническим результатом предлагаемого решения является создание усилительного клистрона с выходной мощностью несколько сотен киловатт с низким рабочим напряжением и с выводом энергии через одиночный круглый волновод.
01
В предлагаемом клистроне увеличение выходной мощности прибора при сохранении низкого рабочего напряжения достигается путем выбора вида колебаний активных резонаторов и использования в качестве согласующих (фильтровых) систем цепочек связанных резонаторов с последующим суммированием выходной мощности в выходном волноводе с выводом энергии на волне типа H круглого волновода.
m,0,2
Предлагается мощный многолучевой усилительный клистрон содержащий электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор, электродинамическую систему, включающую в себя входной, несколько промежуточных и выходной резонаторы единые для всех стволов, а также пассивные резонаторы входной и выходной согласующих систем, электромагнитно связанные с входным и выходным резонатором, отличающийся тем, что все активные резонаторы выполнены в виде отрезков полых волноводов прямоугольного или близкого к прямоугольному сечению с рабочим видом колебаний H m>1, в которых размещено m*2 пролетных труб.
При любом выбранном значении m пролетные каналы располагаются в два ряда по m в каждом ряду. Двухрядное расположение позволяет увеличить число пролетных каналов при сохранении максимальных поперечных габаритов прибора. Отсутствие внутренних перегородок во всех активных резонаторах уменьшает внутреннюю поверхность, нагреваемую СВЧ токами, текущими по стенкам резонаторов, что упрощает систему охлаждения при работе с высокими уровнями мощности.
01
С целью повышения надежности вывода энергии в приборе использован вывод энергии баночного типа на волне H круглого волновода. Возбуждение циркулярно-поляризованной волны в круглом волноводе возможно при его возбуждении с двух диаметрально противоположных сторон двумя прямоугольными волноводами. При этом СВЧ колебания в этих волноводах должны быть противофазными. Двухрядное расположение пролетных каналов в предложенном приборе позволяет получить противофазные колебания при выводе энергии через два волновода, расположенные с обеих сторон выходного резонатора. В сверхразмерном резонаторе возможно существование колебаний с различным распределением фаз и амплитуд, поэтому необходимо возбуждать в резонаторах колебания с определенным соотношением фаз колебаний. Как показали расчеты, лучшим вариантом являются колебания, когда для любых прилежащих пролетных труб электрическое поле противофазно. Это возможно при выполнении согласующей системы в виде m связанных в цепочку резонаторов с каждой стороны, причем каждый k-й (k=1…m) резонатор цепочки имеет электромагнитную связь с соответствующим k-м максимумом электрического поля активного резонатора через щель связи, выполненную в их общей стенке напротив центров пролетных труб.
Устройство и принцип действия конструкции поясняется рисунками.
На фиг. 1 показано сечение предлагаемого многолучевого усилительного клистрона. Для упрощения рисунка все резонаторы показаны однозазорными.
4,0,2
На фиг. 2 для клистрона с m=4 (рабочий вид колебаний H) схематично изображено сечение активного резонатора и стрелками показано направление СВЧ тока.
4,0,2
На фиг. 3 для клистрона с m=4 (рабочий вид колебаний H) схематично изображено сечение выходного резонатора с резонаторами выходной согласующей системы и вывода энергии. Конструкции входного резонатора и входной согласующей системы идентичны. На рисунках приняты следующие обозначения:
1 - многолучевой катод, создающий m*2 электронных пучков.
2 - ввод энергии;
3 - вывод энергии;
4 - коллектор,
5 - электродинамическая система, включающая в себя входной активный резонатор 6, несколько активных промежуточных резонаторов 7, активный выходной резонатор 8, пролетные трубы 9 однолучевой или многолучевой конструкции;
10 - пассивные резонаторы согласующей системы;
11 - окна связи пассивных резонаторов с активным резонатором;
12 - окна связи пассивных резонаторов друг с другом;
13 - выходное окно цепочки связанных резонаторов;
14 - волноводы между цепочкой связанных резонаторов и выходным волноводом;
15 - выходной волновод круглого сечения.
16 - закорачивающий стержень
Клистрон, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.
01
m,0,2
m,0,2
01
Входная СВЧ мощность на волне типа H круглого волновода через ввод энергии 2 возбуждает во входном активном резонаторе 6 колебания на типе H с противофазным электрическим полем для прилежащих пролетных труб. Электронные лучи, m*2 одиночных или m*2 групп, вылетающие с катода 1 через пролетные трубы 9 модулируются по скорости при прохождении активного резонатора 6 и дальнейшая группировка в электродинамической системе 5, в состав которой входит ряд промежуточных резонаторов 7, происходит в соответствии с классической теорией клистрона. В выходном активном резонаторе 8 возбуждаются колебания на типе H, с противофазным электрическим полем для прилежащих пролетных труб, и усиленная СВЧ мощность через согласующую систему передается в выходной круглый волновод 15 на волне типа H круглого волновода и выводится через вывод энергии 3. Отработанные электронные пучки оседают на поверхности коллектора 4.
m,0,2
На фиг. 2 приведено сечение активного резонатора прибора и стрелками показано направление СВЧ тока. В качестве примера показан резонатор для клистрона с m=4 - тип колебаний в активных резонаторах H, и восемью многолучевыми (по 7 лучей) пролетных труб. Видно, что для любых прилежащих пролетных труб электрическое поле противофазно.
m,0,2
01
01
01
Схема выходного резонатора с согласующей системой приведена на фиг. 3. Как и на фиг. 2 показан клистрон с резонаторами на типе колебаний H, и восемью многолучевыми (по 7 лучей) пролетными трубами. Показаны расположенные симметрично с двух сторон активного резонатора пассивные резонаторы 10 согласующих систем, каждый пассивный резонатор имеет электромагнитную связь с соответствующим максимумом электрического поля активного резонатора через щель связи 11, выполненную в их общей стенке напротив центров пролетных труб 9, между собой резонаторы связаны через щель связи 12. Крайний резонатор цепочки через щель связи 13 связан с волноводом 14 прямоугольного сечения. Расположенные симметрично с двух сторон электродинамической системы 5 волноводы 14 подключены симметрично к выходному круглому волноводу 15, возбуждая в нем СВЧ колебания на волне H круглого волновода. К волноводу присоединен вывод энергии 3 также работающий на типе H круглого волновода. Для клистронов, работающих в длинноволновой части сантиметрового диапазона длин волн, волновод 14 может быть исключен и крайний резонатор согласующей цепочки подключается непосредственно к выходному волноводу 15. На фиг. 4 показано сечение структуры в плоскости Α-A в месте соединения выходного круглого волновода 15 и двух прямоугольных волноводов 14. Расположение плоскости сечения показано на фиг. 3, Стрелками на фиг. 4 показано направление электрического поля. Показано как вертикальная поляризация в волноводах 14 переходит в циркулярную поляризацию волны типа H круглого волновода 15.
Использование согласующей системы в виде цепочки связанных резонаторов позволяет возбуждать в активных резонаторах колебания с требуемым распределением фазы сигнала, как показано на фиг. 2 и снизить возможность появления в резонаторах паразитных колебаний. Дополнительно ликвидировать паразитные колебания можно с помощью стержней 16, показанных на фиг. 5, расположенных в местах нулей электрического поля рабочего колебания резонатора. Для клистронов, работающих в длинноволновом диапазоне частот, возможно увеличение окон связи 12 и 13 до размеров волновода 14 и вырождение выходной согласующей системы в два волновода прямоугольного сечения расположенных симметрично с двух сторон выходного резонатора с отверстиями связи в узкой стенке напротив центров пролетных труб.