RU78986U1

RU78986U1 - MULTI-BEAM PACKAGED KLISTRON

Info

Publication number: RU78986U1
Application number: RU2008129366/22U
Authority: RU
Inventors: Денис Васильевич Козырев (RU); Денис Васильевич Козырев; Павел Васильевич Невский (RU); Павел Васильевич Невский; Илья Анатольевич Фрейдович (RU); Илья Анатольевич Фрейдович
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий"
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2008-12-10

Abstract

Многолучевой клистрон, включающий электродинамическую систему, связанную волноводами ввода и вывода энергии с входным и выходным трактами, и фокусирующую систему, включающую постоянные магниты в виде параллелепипедов и полюсные наконечники, отличающийся тем, что использованы резонаторы, работающие на высшем виде колебаний, электронные лучи объединены в два или более пучка, причем центральные оси пучков лежат в одной плоскости, полюсные наконечники выполнены в виде прямоугольных пластин и длинные стороны полюсных наконечников параллельны плоскости центральных осей пучков электронных лучей постоянные магниты соединены с полюсными наконечниками вдоль длинных сторон, а волноводы ввода и вывода энергии направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через короткие стороны полюсных наконечников.A multi-beam klystron, which includes an electrodynamic system connected by energy input and output waveguides with input and output paths, and a focusing system, which includes permanent magnets in the form of parallelepipeds and pole tips, characterized in that resonators operating on the highest form of oscillations are used, electron beams are combined into two or more bundles, the central axis of the bundles lying in the same plane, the pole pieces made in the form of rectangular plates and the long sides of the pole pieces parallel The planes of the central axes of the electron beam beams are fixed with permanent magnets connected to the pole pieces along the long sides, and the energy input and output waveguides are directed perpendicular to the plane passing through the short sides of the pole pieces.

Description

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот, в частности к устройствам усиления СВЧ сигналов, применяемых в радиолокационных системах наведения.The invention relates to microwave technology, in particular to microwave amplification devices used in radar guidance systems.

Одним из перспективных типов усилителей СВЧ сигналов для систем локации и наведения являются широкополосные многолучевые клистроны (МЛК). В таких клистронах используются магнитные фокусирующие системы на постоянных магнитах из редкоземельных сплавов. Равномерное продольное магнитное поле в таких клистронах формируется полюсными наконечниками, представляющими собой пластины из ферромагнитного материала, плоскость которых перпендикулярна осям электронных лучей. На боковых стенках пластин установлены магниты, намагниченные в радиальном или продольном направлении относительно осей электронных лучей [Невский П.В. «Основные проблемы электронной оптики многолучевых электронных потоков и их решение», Прикладная физика, 3-4, Москва 1998, стр.46-51].One of the promising types of microwave signal amplifiers for location and guidance systems are broadband multipath klystrons (MLK). Such klystrons use magnetic focusing systems based on permanent magnets from rare-earth alloys. A uniform longitudinal magnetic field in such klystrons is formed by pole tips, which are plates of ferromagnetic material, the plane of which is perpendicular to the axes of the electron beams. On the side walls of the plates there are magnets magnetized in the radial or longitudinal direction relative to the axes of the electron beams [Nevsky P.V. “The main problems of electronic optics of multipath electron flows and their solution”, Applied Physics, 3-4, Moscow 1998, pp. 46-51].

Ближайшим прототипом предлагаемой модели является многолучевой клистрон, включающий электродинамическую систему, связанную волноводами ввода и вывода энергии с входным и выходным трактами и фокусирующую систему, включающую полюсные наконечники и постоянные магниты в виде параллелепипедов [Закурдаев А.Д. «Мощные малогабаритные миниатюрные многолучевые клистроны для бортовых РЛС», Радиотехника, №3, 2006 г, стр.31-33]. Электронные лучи в этом клистроне объединены в один пучок, резонаторы работают на основном виде колебаний Н₁₀₁, a The closest prototype of the proposed model is a multi-beam klystron, which includes an electrodynamic system connected by energy input and output waveguides with input and output paths and a focusing system, including pole tips and permanent magnets in the form of parallelepipeds [Zakurdaev A.D. “Powerful small-sized miniature multi-beam klystrons for airborne radars”, Radio Engineering, No. 3, 2006, pp. 31-33]. The electron beams in this klystron are combined into one beam, the resonators operate on the main form of vibrations H ₁₀₁ , a

полюсные наконечники имеют форму квадратных пластин, на боковых сторонах которых укреплены постоянные магниты.pole lugs are in the form of square plates, on the sides of which permanent magnets are fixed.

К основным недостаткам известных конструкций подобных МЛК можно отнести два фактора:The main disadvantages of the known designs of such MLK can be attributed to two factors:

- высокая плотность тока с катодов, достигающая 30-40 А/см², что ограничивает долговечность клистронов;- high current density from the cathodes, reaching 30-40 A / cm ² , which limits the durability of klystrons;

- относительно большие габариты и масса, обусловленные в значительной степени габаритами и массой магнитов.- relatively large dimensions and mass, due in large part to the dimensions and mass of the magnets.

Высокая плотность тока в широкополосных МЛК обусловлена тем, что диаметр зазоров взаимодействия резонаторов клистрона обычно не превышает 0.2-0.25λ, где λ - длина волны в свободном пространстве, что в свою очередь, ограничивает суммарную площадь пролетных каналов и площадь катодов. Особенно остро эта проблема проявляется в клистронах миллиметрового и высокочастотной части сантиметрового диапазонов.The high current density in broadband MLK is due to the fact that the diameter of the interaction gap of the klystron resonators usually does not exceed 0.2-0.25λ, where λ is the wavelength in free space, which, in turn, limits the total area of the passage channels and the area of the cathodes. This problem is especially acute in the klystrons of the millimeter and high-frequency parts of the centimeter ranges.

Плотность тока с катодов может быть существенно уменьшена за счет увеличения числа лучей и объединения их в два или более пучка. Каждый пучок лучей проходит через отдельный зазор взаимодействия резонатора, работающего на высшем виде колебаний. При этом количество катодов и их суммарная площадь увеличиваются, а плотность тока с катодов уменьшается.The current density from the cathodes can be significantly reduced by increasing the number of rays and combining them into two or more beams. Each beam of rays passes through a separate interaction gap of the resonator operating on the highest form of vibration. In this case, the number of cathodes and their total area increase, and the current density from the cathodes decreases.

Однако использование двух или более пучков электронных лучей, центральные оси которых лежат в одной плоскости, резко увеличивают габариты и вес магнитов клистрона и самого клистрона, если используются полюсные наконечники квадратной или круглой формы.However, the use of two or more beams of electron beams, the central axes of which lie in the same plane, dramatically increase the size and weight of the magnets of the klystron and the klystron itself, if pole tips of square or round shape are used.

Увеличение массы и габаритов связано с необходимостью обеспечения параллельности силовых линий фокусирующего магнитного поля в области фокусировки электронных лучей.The increase in mass and dimensions is associated with the need to ensure the parallelism of the lines of force of the focusing magnetic field in the area of focusing electron rays.

Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в уменьшении плотности тока с катодов в МЛК и уменьшении The technical problem solved by the proposed utility model is to reduce the current density from the cathodes in the MLK and reduce

массы и габаритов клистрона.mass and dimensions of klystron.

Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении количества катодов и уменьшении размеров магнитной системы.The technical result achieved by the utility model is to increase the number of cathodes and reduce the size of the magnetic system.

Технический результат обеспечивается благодаря тому, что в многолучевом клистроне, включающем электродинамическую систему, связанную волноводами ввода и вывода энергии с входным и выходным трактами и фокусирующую систему, включающую постоянные магниты в виде параллелепипедов и полюсные наконечники, использованы резонаторы, работающие на высшем виде колебаний, электронные лучи объединены в два или более пучка, причем центральные оси пучков лежат в одной плоскости, полюсные наконечники выполнены в виде прямоугольных пластин и длинные стороны полюсных наконечников параллельны плоскости центральных осей пучков электронных лучей, постоянные магниты соединены с полюсными наконечниками вдоль длинных сторон, а волноводы ввода и вывода энергии направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через короткие стороны полюсных наконечников плоскости, проходящей через короткие стороны полюсных наконечников.The technical result is ensured due to the fact that in a multi-beam klystron, which includes an electrodynamic system connected by energy input and output waveguides to the input and output paths and a focusing system, including permanent magnets in the form of parallelepipeds and pole tips, resonators operating on the highest form of oscillations, electronic the rays are combined into two or more beams, with the central axis of the beams lying in the same plane, the pole pieces made in the form of rectangular plates and long the sides of the pole pieces are parallel to the plane of the central axes of the electron beam, the permanent magnets are connected to the pole pieces along the long sides, and the energy input and output waveguides are directed perpendicular to the plane passing through the short sides of the pole pieces of the plane passing through the short sides of the pole pieces.

Как показывает практика конструирования МЛК, для обеспечения прямолинейности и параллельности силовых линий фокусирующего магнитного в области фокусировки электронных лучей, должно быть выдержано определенное соотношениеAs the practice of constructing MLK shows, in order to ensure the straightness and parallelism of the lines of force of the focusing magnetic in the area of focusing electron beams, a certain ratio

где L₁ - расстояние от оси или плоскости симметрии фокусирующей системы до осей наиболее удаленных электронных лучей; L₂ - расстояние от оси или плоскости симметрии фокусирующей системы до фокусирующих магнитов. Предельное значение величины К различно для различных типов магнитных систем, однако, при невыполнении вышеприведенного where L ₁ is the distance from the axis or plane of symmetry of the focusing system to the axes of the most distant electron beams; L ₂ is the distance from the axis or plane of symmetry of the focusing system to the focusing magnets. The limiting value of K is different for different types of magnetic systems, however, if the above is not fulfilled

соотношения фокусирующее поле искажается за счет провисания полей магнитов в область фокусировки.The ratio of the focusing field is distorted due to the sagging of the fields of the magnets in the focusing area.

В случае, когда электронные лучи скомпонованы в несколько пучков, оси которых лежат в одой плоскости, фокусирующая система имеет плоскость симметрии и прямоугольная форма полюсных наконечников обеспечивает выполнение условия (1) при минимальной площади полюсных наконечников. В свою очередь, минимальная площадь полюсных наконечников обуславливает минимальное значение магнитного потока фокусирующего поля (при одинаковых значениях магнитной индукции фокусирующего поля), а следовательно минимальную массу и габариты фокусирующих магнитов. При этом расположение магнитов на широких стенках прямоугольных полюсных наконечников обеспечивает равномерное фокусирующее поле по сечению, перпендикулярному осям электронных лучей даже в том случае, когда на узких сторонах полюсных наконечников магнитов нет, что позволяет вывести ввод и вывод энергии клистрона перпендикулярно узким сторонам полюсных наконечников.In the case when the electron beams are arranged in several beams whose axes lie in the same plane, the focusing system has a plane of symmetry and the rectangular shape of the pole pieces ensures that condition (1) is satisfied with a minimum area of the pole pieces. In turn, the minimum area of the pole pieces determines the minimum value of the magnetic flux of the focusing field (with the same values of the magnetic induction of the focusing field), and therefore the minimum mass and dimensions of the focusing magnets. Moreover, the location of the magnets on the wide walls of the rectangular pole pieces ensures a uniform focusing field over a cross section perpendicular to the axes of the electron beams even when there are no magnets on the narrow sides of the pole pieces, which allows the input and output of klystron energy to be perpendicular to the narrow sides of the pole pieces.

На фиг.1 схематично представлено поперечное сечение предлагаемого клистрона, на фиг.2 клистрон схематично показан в продольном сечении.Figure 1 schematically shows a cross section of the proposed klystron, figure 2 klystron is schematically shown in longitudinal section.

Многолучевой пакетированный клистрон включает пролетные каналы 1, предназначенные для транспортировки электронных лучей и объединенные в пучки 2, полюсные наконечники 3, представляющие собой прямоугольные пластины, через которые проходят пролетные каналы 1 причем центральные оси пучков лежат в одной плоскости, параллельной длинным сторонам полюсных наконечников 3. Постоянные магниты 4, намагниченные в данном случае радиально и имеющие форму параллелепипедов контактируют с полюсными наконечниками 3 только вдоль длинных сторон. Волноводы ввода 5 и вывода 6 энергии расположены перпендикулярно плоскости, в которой лежат короткие стороны полюсных наконечников 3. Для усиления магнитного A multipath packet klystron includes span channels 1 for transporting electron beams and bundled into beams 2, pole pieces 3, which are rectangular plates through which the passage channels 1 pass, with the central axis of the beams lying in one plane parallel to the long sides of the pole pieces 3. Permanent magnets 4, magnetized in this case radially and having the shape of parallelepipeds, are in contact with the pole pieces 3 only along the long sides. The waveguides of input 5 and output 6 of energy are located perpendicular to the plane in which the short sides of the pole pieces 3 lie.

фокусирующего поля применяются перемыкатели 7.focusing field switches 7 are used.

Клистрон работает следующим образом. Электронные пучки, попадают в пролетные каналы 1, где под воздействием фокусирующего продольного магнитного поля, создаваемого магнитной системой проходят по всей длине каналов. Магнитная система, состоящая из нескольких прямоугольных магнитов 4 и полюсных наконечников 3, создает магнитное поле, силовые линии которого параллельны осям пролетных каналов.Klystron works as follows. The electron beams fall into the passage channels 1, where under the influence of a focusing longitudinal magnetic field created by the magnetic system they pass along the entire length of the channels. A magnetic system consisting of several rectangular magnets 4 and pole pieces 3 creates a magnetic field whose lines of force are parallel to the axes of the passage channels.

Это поле не дает электронным пучкам расфокусироваться и оседать на стенках каналов. Через ввод СВЧ - энергии 5 подается сигнал. Проходя через резонаторную систему 8, пучок модулируется и отдает свою энергию СВЧ полю в выходном резонаторе. СВЧ сигнал по выходному тракту поступает в нагрузку.This field prevents the electron beams from defocusing and settling on the walls of the channels. A signal is supplied through the input of microwave energy 5. Passing through the resonator system 8, the beam is modulated and gives its energy to the microwave field in the output cavity. The microwave signal through the output path enters the load.

Таким образом, использование нескольких пучков электронных лучей, центральные оси которых лежат в одной плоскости, позволяет в клистронах с резонаторами, работающими на высших видах колебаний, уменьшить плотность тока с катодов без нарушения равномерности СВЧ поля в зазорах взаимодействия. Использование полюсных наконечников прямоугольной формы, у которых длинные стороны параллельны плоскости, в которой расположены центральные оси пучков электронных лучей, а также расположение постоянных магнитов вдоль длинных сторон прямоугольников, позволяют обеспечить прямолинейность и равномерность силовых линий магнитного фокусирующего поля при минимальных размерах и весе фокусирующих магнитов и всего клистрона в целом. Кроме того, расположение магнитов только вдоль длинных сторон прямоугольников обеспечивает возможность расположить ввод и вывод в направлении, перпендикулярном плоскости коротких сторон прямоугольных полюсных наконечников, что упрощает конструкцию клистрона и уменьшает его габариты и вес.Thus, the use of several beams of electron beams, the central axes of which lie in the same plane, makes it possible in klystrons with resonators operating on higher modes of vibration to reduce the current density from the cathodes without disturbing the uniformity of the microwave field in the interaction gaps. The use of rectangular pole pieces in which the long sides are parallel to the plane in which the central axes of the electron beam are located, as well as the location of the permanent magnets along the long sides of the rectangles, make it possible to ensure the straightness and uniformity of the lines of force of the magnetic focusing field with the minimum size and weight of the focusing magnets and total klystron as a whole. In addition, the location of the magnets only along the long sides of the rectangles provides the ability to arrange the input and output in the direction perpendicular to the plane of the short sides of the rectangular pole pieces, which simplifies the design of the klystron and reduces its size and weight.

Claims

A multi-beam klystron, which includes an electrodynamic system connected by energy input and output waveguides with input and output paths, and a focusing system, which includes permanent magnets in the form of parallelepipeds and pole tips, characterized in that resonators operating on the highest form of oscillations are used, electron beams are combined into two or more beams, the central axis of the beams lying in the same plane, the pole pieces made in the form of rectangular plates and the long sides of the pole pieces parallel The planes of the central axes of the electron beam beams are fixed with permanent magnets connected to the pole pieces along the long sides, and the energy input and output waveguides are directed perpendicular to the plane passing through the short sides of the pole pieces.