свч-прибор о-типа

Формула изобретения

1. СВЧ-прибор О-типа, содержащий последовательно расположенные вдоль его оси электронную пушку, активные резонаторы в виде отрезков волноводов и коллектор, отличающийся тем, что активные резонаторы выполнены ступенчато изменяющимися по высоте, где высотой является расстояние вдоль оси СВЧ-прибора между торцевыми стенками активного резонатора, в которых закреплены пролетные трубки, размещенные линейно рядами, параллельными, по крайней мере, двум противоположным боковым стенкам активного резонатора, расположенным параллельно оси СВЧ-прибора, причем центральные ряды пролетных трубок расположены на участках активных резонаторов с наименьшей высотой, а размещенные по обе стороны от центральных рядов последующие ряды пролетных трубок расположены на участках активных резонаторов с большими высотами, при этом для всех пролетных трубок каждого резонатора величина высокочастотного зазора, образованного торцами соосно расположенных пролетных трубок, закрепленных в противоположных торцевых стенках активного резонатора, является величиной постоянной.

2. СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что длина резонатора больше ширины резонатора, где длина резонатора это расстояние между двумя первыми противоположными боковыми стенками активного резонатора, а ширина это расстояние между двумя вторыми противоположными боковыми стенками, перпендикулярными двум первым боковым стенкам.

3. СВЧ-прибор О-типа по п.2, отличающийся тем, что высота активных резонаторов ступенчато изменяется по направлению к двум первым боковым стенкам и/или по направлению к двум вторым боковым стенкам активного резонатора.

4. СВЧ-прибор О-типа по п.2, отличающийся тем, что высота активных резонаторов ступенчато увеличивается по направлению к двум первым боковым стенкам активного резонатора.

5. СВЧ-прибор О-типа по п.4, отличающийся тем, что в резонаторах, содержащих двенадцать пролетных трубок, расположенных в шесть рядов по две трубки, два центральных ряда расположены на участке активного резонатора с высотой h, два ближайших к ним ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.1÷1.25)h, а два крайних ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.5÷1.7)h, при этом длина резонатора в 2,5÷3,5 раза больше ширины резонатора, а расстояние между крайними рядами пролетных трубок более 0,7 , где - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.

6. СВЧ-прибор О-типа по п.4, отличающийся тем, что в резонаторах, содержащих тридцать пролетных трубок, расположенных в десять рядов по три трубки, два центральных ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой h, четыре ближайших к ним ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.1÷1.25)h, a четыре крайних ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.5÷1.8)h, при этом длина резонатора в 2,5÷3,5 раза больше ширины резонатора, а расстояние между крайними рядами пролетных трубок более 0,7 , где - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.

7. СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что входной активный резонатор электромагнитно связан с входным волноводом через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок входного активного резонатора.

8. СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что входной активный резонатор электромагнитно связан с пассивным резонатором через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок входного активного резонатора.

9. СВЧ-прибор О-типа по п.7 или 8, отличающийся тем, что наименьшее расстояние от боковой стенки входного активного резонатора с щелью связи до поверхности пролетных трубок в 1,1-2,5 раза меньше, чем наименьшее расстояние от противоположной боковой стенки входного активного резонатора до поверхности пролетных трубок.

10. СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что выходной активный резонатор электромагнитно связан с выходным волноводом через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок выходного активного резонатора.

11. СВЧ-прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что выходной активный резонатор электромагнитно связан с пассивным резонатором через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок выходного активного резонатора.

12. СВЧ-прибор О-типа по п.10 или 11, отличающийся тем, что наименьшее расстояние от боковой стенки выходного активного резонатора с щелью связи до поверхности пролетных трубок в 1,1-2,5 раза меньше, чем наименьшее расстояние от противоположной боковой стенки выходного активного резонатора до поверхности пролетных трубок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной СВЧ-технике, а именно к мощным широкополосным СВЧ-приборам О-типа, например к многолучевым клистронам (МЛК), работающим преимущественно в средней и коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн.

Важнейшим направлением развития мощных усилительных клистронов является увеличение КПД, полосы рабочих частот при сохранении комплекса эксплуатационных характеристик прибора, таких как низкие питающие напряжения, малые массы и габариты и др.

Известны мощные многолучевые клистроны с резонаторами на основном виде колебаний [1]. В таких клистронах электронные лучи проходят через отдельные пролетные каналы в общей пролетной трубе 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 средневолновой и 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 расстояние между пролетными каналами, а для обеспечения большого уровня мощности, хорошего теплорассеяния, низкой плотности тока с катода и электропрочности необходимо увеличивать число лучей и расстояние между ними.

При использовании традиционных резонаторов тороидального типа максимальные размеры диаметра пролетной трубы составляют примерно половину рабочей длины волны. При этом пролетные каналы для парциальных электронных лучей расположены рядами по одной или более окружностям. Большой диаметр пролетной трубы приводит к изменению амплитуды электрического поля по радиусу. Это приводит к снижению эффективности взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем резонатора, к неоднородности модуляции электронных лучей во внешних и во внутренних рядах пролетных каналов, и, следовательно, к падению КПД.

Одним из путей создания мощных широкополосных клистронов является использование в качестве активных резонаторов так называемых линейных резонаторов, представляющих собой отрезок волновода, в которых пролетные каналы расположены линейно в один или несколько рядов, что обеспечивает возможность лучшего теплоотвода от пролетных каналов.

Известен клистрон для дециметрового и низкочастотной части сантиметрового диапазона, резонаторы которого являются двухзазорными и выполнены в виде отрезков коаксиального волновода с двумя рядами пролетных каналов [2]. Длина каждого ряда примерно равна четверти длины волны в волноводах, образующих резонаторы клистрона, что улучшает равномерность напряженности электрического поля в области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем резонатора (в СВЧ-зазорах) и повышает КПД клистрона. Однако при работе такого клистрона в средней и коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн для обеспечения высокой средней выходной мощности (выше 10 кВт) в широкой полосе частот (порядка нескольких процентов) необходимо увеличивать длину рядов пролетных каналов, что приводит к снижению равномерности напряженности электрического поля и уменьшению КПД клистрона. При этом с увеличением частоты уменьшаются оптимальные расстояния между центрами СВЧ-зазоров двухзазорных коаксиальных резонаторов, а следовательно, уменьшается ширина центральных проводников этих резонаторов, что ухудшает условия теплоотвода от проводников и ограничивает мощность клистрона. Кроме того, при использовании в конструкции клистрона двухзазорных резонаторов, с увеличением длины рядов пролетных каналов уменьшается разделение между рабочим и нерабочими паразитными видами колебаний, что приводит к возможности возбуждения клистрона на этих паразитных вида колебаний и ухудшению его выходных параметров. Закрепление центральных проводников коаксиальных резонаторов на тонких стержнях ухудшает теплоотвод и увеличивает возможность тепловых деформаций центральных проводников, приводящих к искажению СВЧ-полей в области взаимодействия с электронным потоком, к уменьшению токопрохождения и ухудшению выходных параметров клистрона. Конструкция сложна и трудоемка в изготовлении.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является конструкция клистрона с ленточным лучом, содержащая линейный резонатор, рабочая часть которого выполнена в виде разомкнутого отрезка Н-образного волновода, ограниченного с торцов концевыми областями, выполненными в виде отрезков волновода, критическая длина волны которого меньше критической длины волны волновода, образующего рабочую часть резонатора [3]. Выполнение этого условия может обеспечиваться за счет выбора большего размера поперечного сечения волноводов, образующих концевые области, несколько меньше половины длины рабочей волны.

В такой конструкции линейного резонатора электрическое поле имеет наибольшее значение в его центральной части и уменьшается по направлению к разомкнутым торцам Н-образного волновода. Введение концевых областей в виде запредельных волноводов позволяет повысить величину электрического поля в основном вблизи разомкнутых торцов Н-образного волновода и тем самым несколько улучшить равномерность напряженности электрического поля вблизи этих участков. Эта конструкция наиболее эффективно работает при небольшой протяженности области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем резонатора (т.е. при небольших расстояниях между разомкнутыми торцами Н-образного волновода). Однако при большом уровне выходной мощности, когда требуется получение более протяженных электронных потоков, концевые области не позволяют значительно улучшить равномерность напряженности электрического поля по всей длине области взаимодействия такого электронного потока с СВЧ-полем резонатора.

Кроме того, наличие в конструкции клистрона концевых областей, имеющих значительную длину по направлению электронного потока, не позволяет размещать соседние резонаторы вблизи друг друга, что является необходимым условием для работы клистрона в коротковолновом диапазоне длин волн. К тому же наличие концевых областей сильно усложняет конструкцию линейного резонатора и приводит к дополнительным трудностям при изготовлении клистрона. При использовании в клистроне индуктивной настройки с помощью боковой стенки происходит неравномерное изменению поля по всей длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем резонатора, так как концевые области ограничивают возможность перемещения этой боковой стенки вблизи краев электронного потока. Кроме того, в клистроне с ленточным электронным потоком нельзя использовать фокусирующую систему с постоянным магнитным полем, так как в нем происходит закручивание электронного потока. Здесь необходимо применять более сложные фокусирующие системы.

Задачей изобретения является создание прибора О-типа (например, клистрона) с увеличенной выходной мощностью (средней и импульсной) и с высоким КПД в широкой полосе частот, работающего преимущественно в средней и коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн.

Технический результат, достигаемый в изобретении, это повышение КПД путем улучшения равномерности распределения электрического поля в области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем активных резонаторов СВЧ-прибора.

Предлагается СВЧ-прибор О-типа, содержащий последовательно расположенные вдоль его оси электронную пушку, активные резонаторы в виде отрезков волноводов и коллектор, при этом активные резонаторы выполнены ступенчато изменяющимися по высоте, где высотой является расстояние вдоль оси СВЧ-прибора между торцевыми стенками активного резонатора, в которых закреплены пролетные трубки, размещенные линейно рядами параллельными, по крайней мере, двум противоположным боковым стенкам активного резонатора, расположенным параллельно оси СВЧ-прибора, причем центральные ряды пролетных трубок расположены на участках активных резонаторов с наименьшей высотой, а размещенные по обе стороны от центральных рядов последующие ряды пролетных трубок расположены на участках активных резонаторов с большими высотами, при этом для всех пролетных трубок каждого резонатора величина высокочастотного зазора, образованного торцами соосно расположенных пролетных трубок, закрепленных в противоположных торцевых стенках активного резонатора, является величиной постоянной.

В предлагаемом СВЧ-приборе длина резонатора больше ширины резонатора, где длина резонатора - это расстояние между двумя первыми противоположными боковыми стенками активного резонатора, а ширина - это расстояние между двумя вторыми противоположными боковыми стенками, перпендикулярными двум первым боковым стенкам.

В предлагаемом СВЧ-приборе высота активных резонаторов ступенчато изменяется по направлению к двум первым боковым стенкам и/или по направлению к двум вторым боковым стенкам активного резонатора.

В предлагаемом СВЧ-приборе высота активных резонаторов ступенчато увеличивается по направлению к двум первым боковым стенкам активного резонатора.

В предлагаемом СВЧ-приборе в активных резонаторах, содержащих двенадцать пролетных трубок, расположенных в шесть рядов по две трубки, два центральных ряда расположены на участке активного резонатора с высотой h, два ближайших к ним ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.1÷1.25)h, а два крайних ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.5÷1.7)h, при этом длина резонатора в 2,5÷3,5 раза больше ширины резонатора, а расстояние между крайними рядами пролетных трубок более 0,7 , где - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.

В предлагаемом СВЧ-приборе в активных резонаторах, содержащих тридцать пролетных трубок, расположенных в десять рядов по три трубки, два центральных ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой h, четыре ближайших к ним ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.1÷1.25)h, а четыре крайних ряда трубок расположены на участке активного резонатора с высотой, выбранной из условия (1.5÷1.8)h, при этом длина резонатора в 2,5÷3,5 раза больше ширины резонатора, а расстояние между крайними рядами пролетных трубок более 0,7 , где - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.

В предлагаемом СВЧ-приборе входной активный резонатор электромагнитно связан либо с входным волноводом через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок входного активного резонатора, либо с пассивным резонатором через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок входного активного резонатора. При этом наименьшее расстояние от боковой стенки входного активного резонатора с щелью связи до поверхности пролетных трубок в 1,1÷2,5 раза меньше, чем наименьшее расстояние от противоположной боковой стенки входного активного резонатора до поверхности пролетных трубок.

В предлагаемом СВЧ-приборе выходной активный резонатор электромагнитно связан либо с выходным волноводом через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок выходного активного резонатора, либо с пассивным резонатором через, по крайней мере, одну щель связи, выполненную в одной из боковых стенок выходного активного резонатора. При этом наименьшее расстояние от боковой стенки выходного активного резонатора с щелью связи до поверхности пролетных трубок в 1,1÷2,5 раза меньше, чем наименьшее расстояние от противоположной боковой стенки выходного активного резонатора до поверхности пролетных трубок.

Предложенная геометрия активных резонаторов СВЧ-прибора позволяет добиться более равномерного распределения электрического поля по длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем и, следовательно, повысить КПД.

В предлагаемом изобретении использована многолучевая конструкция СВЧ-прибора, в которой сформированы несколько низкопервеансных парциальных электронных лучей, расположенных линейными рядами, что позволяет создать в СВЧ приборе протяженный сильноточный электронный поток электронов, обеспечивающий получение большого уровня выходной мощности.

Парциальные электронные лучи электронного потока взаимодействуют с СВЧ-полем линейного активного резонатора СВЧ-прибора в высокочастотных зазорах между торцами соосно расположенных пролетных трубок. Эти высокочастотные зазоры в совокупности образуют область взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем активного резонатора. Выравнивание электрического поля в таком резонаторе, а, следовательно, и повышение КПД СВЧ-прибора, обеспечивается за счет ступенчатого изменения высоты резонатора (вдоль оси СВЧ-прибора). В этом случае не требуется применение дополнительных краевых областей, что упрощает конструкцию СВЧ-прибора и позволяет приблизить друг к другу соседние активные резонаторы, обеспечивая эффективную работу в коротковолновом диапазоне. При этом, по сравнению с прототипом, происходит улучшение равномерности распределения электрического поля по всей области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем активного резонатора.

Выполнение пролетных каналов в виде пролетных трубок обеспечивает простоту их изготовления, устойчивость к деформациям, а закрепление их в стенках активного резонатора улучшает теплоотвод. Это позволяет получить устойчивую к воздействию тепловых и механических нагрузок конструкцию СВЧ-прибора.

Формирование протяженного электронного потока в виде расположенных рядами парциальных электронных лучей вместо одного ленточного электронного луча позволяет применять для его фокусировки более простые фокусирующие системы с постоянным магнитным полем.

Расчетные данные показали, что в линейном активном резонаторе для выравнивания электрического поля необходимо, чтобы один или несколько центральных рядов пролетных трубок были расположены на участке с минимальной высотой резонатора, а последующие ряды пролетных трубок были расположены на участках с большей высотой резонатора, где высота это размер резонатора, направленный вдоль оси СВЧ-прибора, т.е. вдоль электронного луча. Расчетным путем было определено распределение высот резонатора для нескольких вариантов активных резонаторов. Например, в резонаторах, содержащих двенадцать пролетных трубок, расположенных в шесть рядов по две трубки, два центральных ряда трубок расположены на участке с минимальной высоте резонатора h, два ближайших ряда трубок расположена на высотах в 1.1-1.25 раза больших минимальной высоты, а два крайних ряда трубок расположены на высотах в 1.5-1.7 раз больших минимальной высоты, при длине резонатора в 2,5-3,5 раза больше ширины резонатора. В резонаторах, содержащих тридцать пролетных трубок, расположенных в десять рядов по три трубки, два центральных ряда трубок расположены на участке с минимальной высотой резонатора h, четыре ближайших ряда трубок расположена на высотах в 1.1-1.25 раза больших минимальной высоты, а четыре крайних рядов трубок расположены на высотах в 1.5-1.8 раз больших минимальной высоты, при длине резонатора в 2,5-3,5 раза больше ширины резонатора.

Входной активный резонатор может быть электромагнитно связан с входным волноводом непосредственно или (для увеличения коэффициента усиления) через пассивный входной резонатор. Входной волновод соединен с вводом энергии СВЧ-прибора.

Выходной активный резонатор может быть электромагнитно связан с выходным волноводом непосредственно или (для обеспечения большей рабочей полосы прибора) через один или несколько пассивных выходных резонаторов. Выходной волновод соединен с выводом энергии СВЧ-прибора.

Несимметричное расположение рядов пролетных трубок относительно противоположных стенок входного и/или выходного активного резонатора приводит к уменьшению неравномерности электрического поля в области взаимодействия электронного потока с СВЧ полем активных резонаторов, вносимой внешней нагрузкой активных резонаторов (входным и/или выходным волноводами или входным и/или выходным пассивными резонаторами), что позволяет также увеличить КПД прибора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично изображен многолучевой многорезонаторный клистрон.

На фиг.2а и 2б изображены два варианта выполнения промежуточного активного резонатора клистрона, показанного на фиг.1.

На фиг.3а и 3б изображены два варианта выполнения входного активного резонатора с несимметричным расположением пролетных трубок относительно его противоположных боковых стенок (фиг.3а - входной активный резонатор с входным волноводом, фиг.3б - входной активный резонатор с входным пассивным резонатором и входным волноводом) для клистрона, показанного на фиг.1.

На фиг.4 изображен один из возможных вариантов выполнения выходного активного резонатора с выходным пассивным резонатором и выходным волноводом для клистрона, показанного на фиг.1.

На фиг.5 изображены полученные расчетным путем зависимости распределения относительной величины волнового сопротивления _мах/ по длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ полем для изобретения и прототипа; сплошная линия соответствует указанной зависимости _мах/ для варианта изобретения с двенадцатью электронными лучами, расположенными в шесть рядов (где N - порядковый номер ряда вдоль области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем), пунктирная линия соответствует указанной зависимости _мах/ для конструкции прототипа, область взаимодействия которого имеет ту же длину, что и у рассматриваемого варианта изобретения. Так как напряжение электрического поля пропорционально волновому сопротивлению, то по зависимости _мах/ можно судить о равномерности распределения напряжения электрического поля по длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем.

Многолучевой многорезонаторный клистрон, схематично изображенный 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 пролетные трубки 9.

В изображенном на фиг.2а промежуточном активном резонаторе 7 двенадцатилучевого клистрона пролетные трубки 9 расположены в шесть рядов по две трубки. Пролетные трубки 9, закрепленные (например, с помощью пайки) в противоположных торцевых стенках 10, 11 активного резонатора 7, при этом торцы соосно расположенных пролетных трубок 9 отделены друг от друга одинаковыми по величине d высокочастотными зазорами 12, которые в совокупности образуют область взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем 13. Высота резонатора (расстояние между торцевыми стенками 10, 11) ступенчато увеличивается по направлению от центральной части резонатора к двум противолежащим боковым стенкам 14, 15, при этом два центральных ряда пролетных трубок 9 расположены на участках активного резонатора 7 с наименьшей высотой h, а последующие ряды расположены на участках с большими высотами. Расстояние между боковыми стенками 14 и 15 и расстояние между расположенными перпендикулярно им двумя другими боковыми стенками 16, 17 резонатора 7 остаются неизменными по величине.

В изображенном на фиг.2б промежуточном активном резонаторе 7 тридцати лучевого клистрона пролетные трубки 9 расположены в десять рядов по три трубки. Высота резонатора ступенчато увеличивается по направлению от центральной части резонатора к двум противолежащим боковым стенкам 14, 15, при этом два центральных ряда пролетных трубок 9 расположены на участках активного резонатора 7 с наименьшей высотой h, a последующие ряды расположены на участках с большими высотами. Расстояние между боковыми стенками 14 и 15 и расстояние между расположенными перпендикулярно им двумя другими боковыми стенками 16, 17 резонатора 7 остаются неизменными по величине.

В изображенном на фиг.3а входном активном резонаторе 6 двенадцатилучевого клистрона пролетные трубки 9 расположены в шесть рядов по две трубки. Входной активный резонатор 6, электромагнитно-связанный с входным волноводом 18 через щель связи 19 в боковой стенке 15 входного резонатора 6, являющейся общей стенкой для этого резонатора и входного волновода 18.

В изображенном на фиг.3б входном активном резонаторе 6 двенадцатилучевого клистрона пролетные трубки 9 расположены в шесть рядов по две трубки. Входной активный резонатор 6, электромагнитно-связанный с входным пассивным резонатором 20 через две щели связи 21 в боковой стенке 16 резонатора 6, являющейся общей стенкой для резонаторов 6 и 20. Входной пассивный резонатор электромагнитно связан с входным волноводом 18 через щель связи 22 в их общей стенке 23.

Для повышения равномерности распределения электрического поля в области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем входного активного резонатора 6 предлагается располагать пролетные трубки 9 ближе к боковой стенке 15 с щелью связи 19 (фиг.3а) или к боковой стенке 16 с щелями связи 21 (фиг.3б) так, чтобы расстояние L1 или L1¹ от этих боковых стенок 15 (фиг.3а) или 16 (фиг.3б) со щелями связи до пролетных трубок 9 было меньше, чем расстояние L2 или L2 ¹ от соответствующих им противоположных боковых стенок 14 или 17 входного активного резонатора 6 до пролетных трубок 9. Экспериментально показано, что введение указанной несимметрии, при которой наименьшее расстояние L1 (фиг.3а) или L1 ¹ (фиг.3б) от стенки входного активного резонатора с щелью связи до пролетных трубок в 1,2-2,5 раза меньше, чем наименьшее расстояние L2 (фиг.3а) или L2¹ (фиг.3б) от противоположной стенки входного активного резонатора до пролетных трубок, позволяет уменьшить перепад волнового сопротивления ( _max/ _min) в области взаимодействия электронного потока с СВЧ полем с 1,5-1,7 раз (при симметричном расположении пролетных труб относительно противоположных боковых стенок резонатора) до 1,2 раз.

В изображенном на фиг.4 выходном активном резонаторе 8 двенадцатилучевого клистрона пролетные трубки 9 расположены в шесть рядов по две трубки. Выходной активный резонатор 8, электромагнитно-связанный с выходным пассивным резонатором 24 через две щели связи 25 в боковой стенке 16 резонатора 8, являющейся общей стенкой для резонаторов 8 и 24. Выходной пассивный резонатор 24 электромагнитно связан с выходным волноводом 27 через щель связи 28 в их общей стенке 29.

Для равномерности распределения электрического поля в области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем выходного активного резонатора 8 предлагается располагать пролетные трубки 9 ближе к щелям связи 25 так, чтобы расстояние от боковой стенки 16 со щелями связи 25 до пролетных трубок 9 было меньше, чем расстояние от противоположной боковой стенки 17 выходного активного резонатора 8 до пролетных трубок 9. Введение указанной несимметрии, при которой наименьшее расстояние L1 ¹¹ от стенки 16 резонатора 8 до пролетных трубок 9 в 1,2-2,5 раза меньше чем наименьшее расстояние L2¹¹ от противоположной стенке 17 резонатора 8 до пролетных трубок 9, позволяет уменьшить перепад волнового сопротивления ( _max/ _min) в области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем с 2,3 раз (при симметричном расположении пролетных трубок относительно противоположных стенок резонатора) до 1,7 раз при L2¹¹/L1¹¹ =1,5 и до 1,95 раз при L2¹¹/L1 ¹¹=1,25. Следует отметить, что выбор конкретного значения соотношения расстояний L2¹¹/L1 ¹¹ определяется величиной внешней нагрузки, вносящей неравномерность в распределение электрического поля в области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем, и выбранной конструкцией резонатора.

Изображенная на фиг.5 зависимость распределения относительной величины волнового сопротивления _мах/ по длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем для изобретения и прототипа показывает, что предложенная геометрия активного резонатора позволяет добиться более равномерного распределения электрического поля по всей длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем. Расчеты показали, что в резонаторах предлагаемого СВЧ-прибора разброс волновых сопротивлений ( _мах/ _min) по длине области взаимодействия составляет 14,6%, а в прототипе, при такой же максимальной высоте резонатора, разброс волновых сопротивлений составляет 32,5%.

Клистрон, схема и конструкции резонаторов которого изображены фиг.1-4, работает следующим образом. Входная СВЧ-мощность поступает на ввод энергии 3 клистрона 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 18 (фиг.3а), либо через последовательно соединенные входной волновод 18 и входной пассивный резонатор 20 (фиг.3б). Сформированные электронной пушкой 1 электронные лучи во входном активном резонаторе 6, взаимодействуя с СВЧ-энергией, модулируются по скоростям. Ускоренные электроны в пролетных трубках 9 догоняют более медленные. В промежуточных активных резонаторах 7 электронные лучи наводят СВЧ-поле, которое в свою очередь дополнительно модулирует электронные лучи. В результате этого в электронных лучах происходит группировка электронов в сгустки. Отбор энергии от электронных лучей осуществляется в выходном активном резонаторе 8 путем 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 24 и выходной волновод 27 (фиг.4), либо через несколько (два или более) последовательно соединенных выходных пассивных резонаторов и выходной волновод 27, либо (при небольшой полосе рабочих частот) непосредственно через выходной волновод 27.

Предлагаемая конструкция опробована в экспериментальном мощном широкополосном клистроне, содержащем девять активных резонаторов, имеющих двенадцать пролетных трубок, расположенных согласно фиг.2а. Клистрон работает в средневолновой части сантиметрового диапазона со средней выходной мощностью 11 кВт, полосой частот 350 МГц, коэффициентом усиления 40дБ и КПД порядка 25%.

Предлагаемая конструкция может быть широко использована при создании мощных широкополосных приборов О-типа (например, клистронов) для применения в радиоэлектронной аппаратуре.

Источники информации

1. Пугнин В.И. Оценка предельной мощности многолучевых клистронов с резонаторами на основном виде колебаний для современных РЛС. - Радиотехника, 2000 г., № 2 стр.43-50.

2. Патент РФ № 2125319, МКИ H01J 25/10, опубл. 20.01.1999. Многолучевой клистрон.

3. Авторское свидетельство СССР № 194975, МКИ H01J 25/10, опубл. 12.04.1967. Клистрон с ленточным лучом.