Многолучевой пакетированный клистрон

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот, в частности к устройствам усиления СВЧ сигналов, применяемых в радиолокационных системах наведения. Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в уменьшении плотности тока с катодов в МЛК и уменьшении массы и габаритов клистрона. Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении количества катодов и уменьшении размеров магнитной системы. 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 полюсные наконечники и постоянные магниты в виде параллелепипедов, 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.

Полезная модель относится к технике сверхвысоких частот, в частности к устройствам усиления СВЧ сигналов, применяемых в радиолокационных системах наведения.

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].

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

полюсные наконечники имеют форму квадратных пластин, на боковых сторонах которых укреплены постоянные магниты.

К основным недостаткам известных конструкций подобных МЛК можно отнести два фактора:

- высокая плотность тока с катодов, достигающая 30-40 А/см², что ограничивает долговечность клистронов;

- относительно большие габариты и масса, обусловленные в значительной степени габаритами и массой магнитов.

Высокая плотность тока в широкополосных МЛК обусловлена тем, что диаметр зазоров взаимодействия резонаторов клистрона обычно не превышает 0.2-0.25, где - 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.

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.

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.

Увеличение массы и габаритов связано с необходимостью обеспечения параллельности силовых линий фокусирующего магнитного поля в области фокусировки электронных лучей.

Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в уменьшении плотности тока с катодов в МЛК и уменьшении

массы и габаритов клистрона.

Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении количества катодов и уменьшении размеров магнитной системы.

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.

Как показывает практика конструирования МЛК, для обеспечения прямолинейности и параллельности силовых линий фокусирующего магнитного в области фокусировки электронных лучей, должно быть выдержано определенное соотношение

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

соотношения фокусирующее поле искажается за счет провисания полей магнитов в область фокусировки.

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.

На фиг.1 схематично представлено поперечное сечение предлагаемого клистрона, на фиг.2 клистрон схематично показан в продольном сечении.

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

фокусирующего поля применяются перемыкатели 7.

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.

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.

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.

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.