RU2328053C2 - Microwave device of o-type - Google Patents
Microwave device of o-type Download PDFInfo
- Publication number
- RU2328053C2 RU2328053C2 RU2006127835/28A RU2006127835A RU2328053C2 RU 2328053 C2 RU2328053 C2 RU 2328053C2 RU 2006127835/28 A RU2006127835/28 A RU 2006127835/28A RU 2006127835 A RU2006127835 A RU 2006127835A RU 2328053 C2 RU2328053 C2 RU 2328053C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active
- resonator
- tubes
- rows
- resonators
- Prior art date
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 10
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 10
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 10
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 25
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 20
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 42
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 5
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 4
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to electronic microwave technology, namely to powerful O-type broadband microwave devices, for example, multi-beam klystrons (MLK), operating mainly in the middle and short wavelengths of the centimeter wavelength range.
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.The most important direction in the development of powerful amplification klystrons is to increase the efficiency, operating frequency bands while maintaining a set of operational characteristics of the device, such as low supply voltages, small masses and dimensions, etc.
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.Powerful multi-beam klystrons with resonators in the main mode of oscillation are known [1]. In such klystrons, electron beams pass through separate passage channels in a common passage pipe in a toroidal resonator. Low-current, low-current electron beams are easier to focus, group, and transfer their energy to the high-frequency field with high efficiency. The output power is formed by summing the powers given to the field by many low-current rays. As a result, it is possible to significantly reduce the operating voltage and, in some cases, reduce the dimensions and mass of the klystron and its power sources. In addition, with an increase in the total perveance, the gain band of such a klystron can be significantly increased.
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.However, when creating klystrons with an average power level of more than 10 kW in the medium and short wavelengths of the centimeter wavelength range, the use of a multi-beam design with resonators in the main mode of oscillation encounters difficulties associated with the need to solve conflicting problems. To ensure a wide gain band, it is necessary to reduce the distance between the passage channels, and to ensure a large power level, good heat dissipation, low current density from the cathode, and electric strength, it is necessary to increase the number of beams and the distance between them.
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.When using traditional toroidal resonators, the maximum diameter of the span tube is approximately half the operating wavelength. In this case, the passage channels for partial electron beams are arranged in rows along one or more circles. The large diameter of the span tube leads to a change in the amplitude of the electric field along the radius. This leads to a decrease in the efficiency of the interaction of the electron beam with the microwave field of the resonator, to the heterogeneity of modulation of electron beams in the outer and inner rows of the passage channels, and, consequently, to a decrease in the efficiency.
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.One of the ways to create powerful broadband klystrons is to use the so-called linear resonators as active resonators, which are a segment of the waveguide in which the span channels are linearly in one or several rows, which provides the possibility of better heat removal from the span channels.
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.Known klystron for the decimeter and low-frequency part of the centimeter range, the resonators of which are double-gap and made in the form of segments of a coaxial waveguide with two rows of passage channels [2]. The length of each row is approximately equal to a quarter of the wavelength in the waveguides forming the klystron resonators, which improves the uniformity of the electric field strength in the interaction region of the electron beam with the microwave field of the resonator (in the microwave gaps) and increases the efficiency of the klystron. However, when such a klystron operates in the middle and short-wavelength part of the centimeter wavelength range, to ensure a high average output power (above 10 kW) in a wide frequency band (of the order of several percent), it is necessary to increase the length of the rows of the passage channels, which leads to a decrease in the uniformity of the electric field strength and decrease the efficiency of the klystron. At the same time, with increasing frequency, the optimal distances between the centers of the microwave gaps of the double-gap coaxial resonators decrease, and therefore, the width of the central conductors of these resonators decreases, which worsens the conditions for heat removal from the conductors and limits the power of the klystron. In addition, when using dual-gap resonators in the design of a klystron, with an increase in the length of the rows of passage channels, the separation between the working and non-working parasitic modes of oscillation decreases, which leads to the possibility of excitation of the klystron to these parasitic modes of vibration and the deterioration of its output parameters. The fixing of the central conductors of coaxial resonators on thin rods worsens the heat sink and increases the possibility of thermal deformations of the central conductors, leading to distortion of the microwave fields in the region of interaction with the electron beam, to a decrease in the current transmission and to a decrease in the output parameters of the klystron. The design is complex and time-consuming to manufacture.
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.The closest technical solution (prototype) is the design of a klystron with a tape beam containing a linear resonator, the working part of which is made in the form of an open segment of an H-shaped waveguide, bounded at the ends by end regions made in the form of waveguide segments, the critical wavelength of which is less than the critical length waves of the waveguide forming the working part of the resonator [3]. The fulfillment of this condition can be ensured by choosing a larger cross-sectional dimension of the waveguides forming the end regions, slightly less than half the working wavelength.
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.In this design of a linear resonator, the electric field has the greatest value in its central part and decreases towards the open ends of the H-shaped waveguide. The introduction of end regions in the form of transcendental waveguides makes it possible to increase the electric field mainly near the open ends of the H-shaped waveguide and thereby somewhat improve the uniformity of the electric field strength near these sections. This design works most effectively with a small extent of the interaction region of the electron beam with the microwave field of the resonator (i.e., at small distances between the open ends of the H-shaped waveguide). However, with a large level of output power, when more extended electron flows are required, the end regions do not significantly improve the uniformity of the electric field strength along the entire length of the interaction region of such an electron beam with the microwave field of the resonator.
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.In addition, the presence in the design of the klystron of end regions having a considerable length in the direction of the electron beam does not allow placing adjacent resonators close to each other, which is a necessary condition for the klystron to operate in the short-wavelength range of wavelengths. In addition, the presence of end regions greatly complicates the design of the linear resonator and leads to additional difficulties in the manufacture of klystron. When using an inductive tuning in the klystron using the side wall, a non-uniform field change occurs along the entire length of the region of interaction of the electron beam with the microwave field of the resonator, since the end regions limit the possibility of moving this side wall near the edges of the electron beam. In addition, in a klystron with a tape electron beam, it is impossible to use a focusing system with a constant magnetic field, since it swirls the electron beam. Here it is necessary to apply more complex focusing systems.
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.The objective of the invention is to provide an O-type device (for example, a klystron) with increased output power (medium and pulsed) and with high efficiency in a wide frequency band, operating mainly in the middle and short-wave part of the centimeter wavelength range.
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.The technical result achieved in the invention is to increase the efficiency by improving the uniformity of the distribution of the electric field in the field of interaction of the electron beam with the microwave field of the active resonators of the microwave device.
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.An O-type microwave device is proposed that contains an electron gun sequentially located along its axis, active resonators in the form of waveguide segments and a collector, while the active resonators are made stepwise varying in height, where the height is the distance along the axis of the microwave device between the end walls of the active resonator in which span tubes are mounted linearly arranged in rows parallel to at least two opposite side walls of the active resonator parallel to the axis of the microwave ora, and the central rows of span tubes are located on the sections of active resonators with the smallest height, and the subsequent rows of span tubes located on both sides of the central rows are located on sections of the active resonators with high heights, while for all the span tubes of each resonator, the high-frequency gap formed the ends of coaxially spaced span tubes fixed in opposite end walls of the active cavity is a constant value.
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.In the proposed microwave device, the cavity length is greater than the cavity width, where the cavity length is the distance between the two first opposite side walls of the active resonator, and the width is the distance between the two second opposite side walls perpendicular to the two first side walls.
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.In the proposed microwave device, the height of the active resonators changes stepwise towards the two first side walls and / or towards the two second side walls of the active resonator.
В предлагаемом СВЧ-приборе высота активных резонаторов ступенчато увеличивается по направлению к двум первым боковым стенкам активного резонатора.In the proposed microwave device, the height of the active resonators increases stepwise towards the two first side walls of the active resonator.
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 0,7λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.In the proposed microwave device in active resonators containing twelve span tubes arranged in six rows of two tubes, two central rows are located on the section of the active resonator with a height h, the two rows of tubes closest to them are located on the section of the active resonator with a height selected from conditions (1.1 ÷ 1.25) h, and the two extreme rows of tubes are located on the section of the active resonator with a height selected from the condition (1.5 ÷ 1.7) h, while the length of the resonator is 2.5 ÷ 3.5 times the width of the resonator, and the distance between the extreme rows of spans tubes more than 0.7λ, where λ is the wavelength corresponding to the center frequency of the working band of the device.
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 0,7λ, где λ - длина волны, соответствующая центральной частоте рабочей полосы прибора.In the proposed microwave device in active resonators containing thirty span tubes arranged in ten rows of three tubes, two central rows of tubes are located on the section of the active resonator with a height h, the four rows of tubes closest to them are located on the section of the active resonator with a height selected from the condition (1.1 ÷ 1.25) h, and the four extreme rows of tubes are located on the section of the active cavity with a height selected from the condition (1.5 ÷ 1.8) h, while the cavity length is 2.5 ÷ 3.5 times the width of the resonator, and distance between extreme rows span tubes over 0.7λ, where λ is the wavelength corresponding to the center frequency of the instrument working band.
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.In the proposed microwave device, the input active resonator is electromagnetically coupled either to the input waveguide through at least one coupling slot made in one of the side walls of the input active cavity, or to the passive resonator through at least one coupling slot made in one of the side walls of the input active cavity. In this case, the smallest distance from the side wall of the input active resonator with the coupling gap to the surface of the span tubes is 1.1–2.5 times smaller than the smallest distance from the opposite side wall of the input active resonator to the surface of the span tubes.
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.In the proposed microwave device, the output active resonator is electromagnetically coupled either to the output waveguide through at least one coupling slot made in one of the side walls of the output active resonator, or to the passive resonator through at least one coupling slot made in one of the side walls of the output active resonator. In this case, the smallest distance from the side wall of the output active resonator with the communication gap to the surface of the span tubes is 1.1–2.5 times smaller than the smallest distance from the opposite side wall of the output active resonator to the surface of the span tubes.
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.The proposed geometry of the active resonators of the microwave device allows to achieve a more uniform distribution of the electric field along the length of the interaction region of the electron beam with the microwave field and, therefore, increase the efficiency.
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.In the present invention, a multi-beam design of a microwave device is used, in which several low-sequence partial electron beams are arranged in linear rows, which allows you to create an extended high-current electron stream of electrons in the microwave device, providing a high level of output power.
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.Partial electron beams of the electron beam interact with the microwave field of the linear active resonator of the microwave device in the high-frequency gaps between the ends of the coaxially spaced span tubes. These high-frequency gaps together form the region of interaction of the electron beam with the microwave field of the active cavity. Equalization of the electric field in such a resonator, and, consequently, an increase in the efficiency of the microwave device, is ensured by a stepwise change in the height of the resonator (along the axis of the microwave device). In this case, the use of additional edge regions is not required, which simplifies the design of the microwave device and allows you to bring adjacent active resonators closer to each other, ensuring efficient operation in the short-wave range. In this case, in comparison with the prototype, there is an improvement in the uniformity of the distribution of the electric field over the entire area of interaction of the electron beam with the microwave field of the active cavity.
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.The implementation of the span channels in the form of span tubes provides ease of manufacture, resistance to deformation, and fixing them in the walls of the active cavity improves heat dissipation. This allows you to get resistant to the effects of thermal and mechanical loads the design of the microwave device.
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.The formation of an extended electron beam in the form of partial electron beams arranged in rows instead of one tape electron beam makes it possible to use simpler focusing systems with a constant magnetic field to focus it.
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.The calculated data showed that in a linear active resonator, to equalize the electric field, it is necessary that one or several central rows of span tubes are located in the section with the minimum cavity height, and subsequent rows of span tubes are located in sections with a larger resonator height, where the height is the size cavity directed along the axis of the microwave device, i.e. along the electron beam. By calculation, the distribution of the cavity heights was determined for several variants of active resonators. For example, in resonators containing twelve span tubes arranged in six rows of two tubes, the two central rows of tubes are located in the section with the minimum cavity height h, the two nearest rows of tubes are located at heights 1.1-1.25 times the minimum height, and the two extreme a number of tubes are located at heights of 1.5-1.7 times the minimum height, with a cavity length of 2.5-3.5 times the width of the resonator. In resonators containing thirty span tubes arranged in ten rows of three tubes, the two central rows of tubes are located in the section with the minimum cavity height h, the four nearest rows of tubes are located at heights 1.1-1.25 times the minimum height, and the four extreme rows of tubes located at heights of 1.5-1.8 times the minimum height, with a cavity length of 2.5-3.5 times the width of the resonator.
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.The input active cavity can be electromagnetically coupled directly to the input waveguide or (to increase the gain) via a passive input cavity. The input waveguide is connected to the energy input of the microwave device.
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.The output active resonator can be electromagnetically coupled to the output waveguide directly or (to provide a larger working band of the device) through one or more passive output resonators. The output waveguide is connected to the energy output of the microwave device.
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.The asymmetric arrangement of the rows of span tubes relative to the opposite walls of the input and / or output active resonator leads to a decrease in the unevenness of the electric field in the interaction region of the electron beam with the microwave field of the active resonators introduced by the external load of the active resonators (input and / or output waveguides or input and / or output passive resonators), which also allows to increase the efficiency of the device.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 схематично изображен многолучевой многорезонаторный клистрон.Figure 1 schematically shows a multi-beam multi-cavity klystron.
На фиг.2а и 2б изображены два варианта выполнения промежуточного активного резонатора клистрона, показанного на фиг.1.On figa and 2b shows two options for performing an intermediate active cavity of the klystron shown in figure 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.On figa and 3b shows two versions of the input active resonator with an asymmetric arrangement of the span tubes relative to its opposite side walls (figa - input active resonator with input waveguide, fig.3b - input active resonator with input passive resonator and input waveguide) for the klystron shown in figure 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.Figure 4 shows one of the possible embodiments of the output active resonator with the output passive resonator and the output waveguide for the klystron shown in figure 1.
На фиг.5 изображены полученные расчетным путем зависимости распределения относительной величины волнового сопротивления ρмах/ρ по длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ полем для изобретения и прототипа; сплошная линия соответствует указанной зависимости ρмах/ρ 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 ρмах/ρ 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 ρмах/ρ можно судить о равномерности распределения напряжения электрического поля по длине области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем.Figure 5 shows the calculated obtained by the dependence of the distribution of the relative magnitude of the wave impedance ρ max / ρ along the length of the interaction region of the electron beam with the microwave field for the invention and prototype; the solid line corresponds to the indicated dependence ρ max / ρ for the variant of the invention with twelve electron beams arranged in six rows (where N is the serial number of the series along the interaction region of the electron beam with the microwave field), the dashed line corresponds to the indicated dependence ρ max / ρ for the design prototype, the interaction region of which has the same length as that of the considered variant of the invention. Since the electric field voltage is proportional to the wave resistance, the ρ max / ρ dependence can be used to judge the uniform distribution of the electric field voltage along the length of the interaction region of the electron beam with the microwave field.
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.The multi-beam multi-cavity klystron, schematically shown in FIG. 1, contains an
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.In the intermediate
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.In the intermediate
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.In the input
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.In the input
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 L21 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 L11 (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 (ρmax/ρmin) 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.To increase the uniformity of the distribution of the electric field in the interaction region of the electron beam with the microwave field of the input
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.In the output active cavity 8 of the twelve-beam klystron shown in FIG. 4, the
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 L111 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 (ρmax/ρmin) 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/L111=1,25. Следует отметить, что выбор конкретного значения соотношения расстояний L211/L111 определяется величиной внешней нагрузки, вносящей неравномерность в распределение электрического поля в области взаимодействия электронного потока с СВЧ-полем, и выбранной конструкцией резонатора.To ensure uniform distribution of the electric field in the interaction region of the electron beam with the microwave field of the output active resonator 8, it is proposed to place the
Изображенная на фиг.5 зависимость распределения относительной величины волнового сопротивления ρмах/ρ 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 (ρмах/ρmin) по длине области взаимодействия составляет 14,6%, а в прототипе, при такой же максимальной высоте резонатора, разброс волновых сопротивлений составляет 32,5%.Figure 5 shows the dependence of the distribution of the relative value of the wave resistance ρ max / ρ along the length of the region of interaction of the electron beam with the microwave field for the invention and the prototype shows that the proposed geometry of the active resonator allows for a more uniform distribution of the electric field along the entire length of the region of interaction of the electron beam with a microwave field. Calculations showed that in the resonators of the proposed microwave device, the spread of wave resistances (ρ max / ρ min ) along the length of the interaction region is 14.6%, and in the prototype, with the same maximum height of the resonator, the spread of wave resistances is 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.The klystron, the circuit and design of the resonators of which are shown in figures 1-4, works as follows. The input microwave power is supplied to input
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%.The proposed design was tested in an experimental powerful broadband klystron containing nine active resonators having twelve span tubes located according to figa. Klystron operates in the mid-wave part of the centimeter range with an average output power of 11 kW, a frequency band of 350 MHz, a gain of 40 dB and an efficiency of about 25%.
Предлагаемая конструкция может быть широко использована при создании мощных широкополосных приборов О-типа (например, клистронов) для применения в радиоэлектронной аппаратуре.The proposed design can be widely used to create powerful broadband O-type devices (for example, klystrons) for use in electronic equipment.
Источники информацииInformation sources
1. Пугнин В.И. Оценка предельной мощности многолучевых клистронов с резонаторами на основном виде колебаний для современных РЛС. - Радиотехника, 2000 г., № 2 стр.43-50.1. Pugnin V.I. Estimation of the ultimate power of multi-beam klystrons with resonators on the main mode of oscillation for modern radars. - Radio engineering, 2000, No. 2 p. 43-50.
2. Патент РФ № 2125319, МКИ H01J 25/10, опубл. 20.01.1999. Многолучевой клистрон.2. RF patent No. 2125319,
3. Авторское свидетельство СССР № 194975, МКИ H01J 25/10, опубл. 12.04.1967. Клистрон с ленточным лучом.3. USSR Author's Certificate No. 194975,
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127835/28A RU2328053C2 (en) | 2006-07-31 | 2006-07-31 | Microwave device of o-type |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006127835/28A RU2328053C2 (en) | 2006-07-31 | 2006-07-31 | Microwave device of o-type |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006127835A RU2006127835A (en) | 2008-02-10 |
| RU2328053C2 true RU2328053C2 (en) | 2008-06-27 |
Family
ID=39265828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006127835/28A RU2328053C2 (en) | 2006-07-31 | 2006-07-31 | Microwave device of o-type |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2328053C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2393577C1 (en) * | 2009-05-06 | 2010-06-27 | Александр Николаевич Королев | Microwave klystron-type device |
| RU2507626C1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") | Multibeam microwave device of o-type |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU194975A1 (en) * | BELT RADIATOR | |||
| GB873586A (en) * | 1958-06-16 | 1961-07-26 | Siemens Ag | Improvements in or relating to travelling wave tubes |
| US3760223A (en) * | 1972-08-10 | 1973-09-18 | Us Army | Single conductor multi-coil multi-beam microwave device |
| RU2244980C1 (en) * | 2003-08-18 | 2005-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" | Multibeam o-type device |
-
2006
- 2006-07-31 RU RU2006127835/28A patent/RU2328053C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU194975A1 (en) * | BELT RADIATOR | |||
| GB873586A (en) * | 1958-06-16 | 1961-07-26 | Siemens Ag | Improvements in or relating to travelling wave tubes |
| US3760223A (en) * | 1972-08-10 | 1973-09-18 | Us Army | Single conductor multi-coil multi-beam microwave device |
| RU2244980C1 (en) * | 2003-08-18 | 2005-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" | Multibeam o-type device |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2393577C1 (en) * | 2009-05-06 | 2010-06-27 | Александр Николаевич Королев | Microwave klystron-type device |
| RU2507626C1 (en) * | 2012-07-18 | 2014-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП "НПП "Исток") | Multibeam microwave device of o-type |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006127835A (en) | 2008-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8179045B2 (en) | Slow wave structure having offset projections comprised of a metal-dielectric composite stack | |
| JPH04229701A (en) | Space electric field power coupler | |
| Tahanian et al. | A novel gap-groove folded-waveguide slow-wave structure for G-band traveling-wave tube | |
| US5317233A (en) | Vacuum tube including grid-cathode assembly with resonant slow-wave structure | |
| US20210159040A1 (en) | THz Vacuum Electronic Devices With Micro-Fabricated Electromagnetic Circuits | |
| US2889486A (en) | Interdigital delay line | |
| Joye et al. | Ka-band low-voltage multiple-beam mini-TWT | |
| Shin et al. | Quasi-optical output-cavity design for a 50-kW multicavity W-band sheet-beam klystron | |
| EP1702346B1 (en) | Klystron amplifier | |
| RU2328053C2 (en) | Microwave device of o-type | |
| US4912366A (en) | Coaxial traveling wave tube amplifier | |
| CN111916323B (en) | Overmode Dual Band Extended Interaction Oscillator Based on 3D Metal Gate | |
| US3205398A (en) | Long-slot coupled wave propagating circuit | |
| US3471738A (en) | Periodic slow wave structure | |
| Tsarev et al. | 3-D evaluation of energy extraction in multitube double-gap resonator installed downstream of a multibeam klystron | |
| RU2244980C1 (en) | Multibeam o-type device | |
| Wessel‐Berg | Basics of Radial Sheet Beam Interactions with Potential Applications in the Microwave K‐and W‐Bands | |
| CN108831815B (en) | A Periodic Dielectric Filled Coaxial High-Power Microwave Device | |
| RU2125319C1 (en) | Multiple-beam klystron | |
| RU2507626C1 (en) | Multibeam microwave device of o-type | |
| US4742271A (en) | Radial-gain/axial-gain crossed-field amplifier (radaxtron) | |
| RU2364977C1 (en) | O-type superhigh frequency device | |
| RU2396646C1 (en) | Slow-wave structure of plug-in type for lamp of travelling wave of millimetre range of wave lengths | |
| US20080024236A1 (en) | Apparatus and method for producing electromagnetic oscillations | |
| CN113725053A (en) | Plane cascade klystron |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20160225 |