Электронный свч-прибор о-типа

Электронный СВЧ-прибор O-типа, содержащий входной и выходной резонаторы, входной и/или выходной прямоугольные волноводы, имеющие закоротку ступенчатой формы со стороны, противоположной вводу или выводу энергии электромагнитного поля, и имеющие в узкой стенке отверстия связи с входным и/или выходным резонаторами, отличающийся тем, что размер а широкой стенки входного и/или выходного волновода, расстояние L от центра отверстия связи до ступеньки входного и/или выходного волновода, размер а1 широкой стенки ступеньки входного и/или выходного волновода и расстояние L1 от центра отверстия связи до закороченного конца входного и/или выходного волновода удовлетворяют соотношениям: a=(0,695-0,705)лямбда, L=(1,065-1,075)лямбда, а1=(0,395-0,405) лямбда, L1=(0,115-0,125)лямбда где лямбда - рабочая длина волны. Техническим результатом предлагаемой конструкции прибора является снижение уровня побочных колебаний на второй и третьей гармонике сигнала рабочей частоты.

Полезная модель относится к электронным СВЧ приборам O-типа, таким как клистроны и ЛБВ. Конструкция приведена на фиг.1.

При совместной эксплуатации электронных приборов СВЧ важную роль играет величина мощности, излучаемой на частоте второй и третьей гармоники основного сигнала. Среди известных конструкций приборов с пониженным уровнем побочных колебаний можно отметить патент СССР 1697556, являющийся аналогом и прототипом инновации в части снижения уровня паразитных колебаний на частоте второй гармоники. На фиг.2 приведен рисунок указанного прототипа. Сгруппированный электронный пучок отдает кинетическую энергию СВЧ полю выходного резонатора 1. Отверстие связи 3 возбуждает в выходном прямоугольном волноводе 2 бегущую волну, которая передает СВЧ энергию в нагрузку. Оптимальная передача энергии на рабочей частоте происходит при условии, что расстояние L от центра отверстия связи до стенки 4 короткого замыкания удовлетворяет соотношению:

где k=0, 1, 2, _B1 длина волны основного типа колебаний в волноводе.

Условие минимальной передачи энергии на частоте второй гармоники имеет вид:

где n=1, 2, 3; _B2 - длина волны второй гармоники в волноводе.

Дина волны в прямоугольном волноводе для любой гармоники определяется по формуле:

где - длина волны гармоники в свободном пространстве, _КР - критическая длина волны в волноводе для данной гармоники.

В патенте 1697556 было показано существование совместное решение уравнений (1) и (2), позволяющее снизить уровень второй гармоники прибора.

С учетом этих требований патента был изготовлен и испытан прибор. Было обнаружено, что помимо снижения уровня второй гармоники появляется существенное, на некоторых частотах до 6 дБ, возрастание уровня третьей гармоники. Это объясняется одновременным выполнением условий оптимальной связи на основной частоте и частоте третьей гармоники. Для приведения параметров прибора в соответствие с требованиями потребителей прибора было принято решение добиться минимальной связи резонатора и выходного волновода на частоте третьей гармоники, т.е. расстояние от окна связи до короткого замыкания на частоте третьей гармоники должно удовлетворять условию:

где n=1, 2, 3; _B3 - длина волны третьей гармоники в волноводе.

С этой целью в конструкцию был введен отрезок волновода меньшего сечения, для которого третья гармоника является рабочим видом и являющегося запредельным для излучения основной частоты и второй гармоники. Внешний вид конструкции приведен на фиг.1. Аналогично прототипу сгруппированный электронный пучок отдает кинетическую энергию СВЧ полю выходного резонатора 1. Отверстие связи 3 возбуждает в выходном прямоугольном волноводе 2 бегущую волну, которая передает СВЧ энергию в нагрузку. Расстояние L от центра отверстия связи до стенки 4 короткого замыкания для основной частоты и частоты второй гармоники удовлетворяет соотношениям прототипа. Добавленный в конструкцию отрезок волновода размерами L1 и а1 обеспечивает дополнительный набег фазы в четверть длины волны на частоте третьей гармоники оставаясь при этом запредельным для излучения основной частоты второй гармоники.

При отработке конструкции было обнаружено, что размер L, указанный в прототипе, соответствует случаю малым поперечным размерам окна связи и его малой толщине. В частности, когда окно связи имело вид волновода переменного сечения суммарной длиной около 1/3 ширины волновода, как на фиг 3., размер L для достижения оптимального пришлось уменьшать. При дальнейшей отработки конструкции было обнаружено, что условие на размер L прототипа можно записать в виде:

где L_КЗ - расстояние от центра окна связи до замыкания волновода,

L_ОКНА - эквивалентное расстояние, зависящее от размеров окна связи и толщины стенки между резонатором и волноводом. В большинстве случаев узкополосных приборов L_ОКНА с высокой степенью точности равно нулю. Было обнаружено, что для оптимального согласования на частоте третьей гармоники отношение L2/L постоянно при определении L по формуле (5) для любых L_ОКНА. Поскольку L _ОКНА определить достаточно сложно, удобнее с практической точки зрения оказалось ввести L1=L-L2. Это позволяет после настройки оптимального варианта согласования на основной частоте и частоте второй гармоники вносить изменение с целью понижения уровня третьей гармоники. Расчеты по формулам 3 и 4 и эксперименты показали оптимальное значение а1=(0,395-0,405) лямбда, L1=(0,115-0,125) лямбда, где лямбда - рабочая длина волны.

Разработанная конструкция проверялись при серийном производстве приборов. Ниже приведены результаты испытаний трех приборов: 14 - первоначальный вариант прибора; 79 - прибор с закороткой в соответствии с патентом 1697556, 126 - прибор новой конструкции. Прибор работает в средней части сантиметрового диапазона длин волн. Рабочие точки прибора расположены с шагом 50 МГц (рабочий диапазон частот 500 МГц)

Зависимость относительного уровня второй гармоника сигнала от частоты.

	Рабочая точка
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
14	-57	-55	-58	-59	-61	-61	-57	-55	-58	-57	-62
79	-59	-61	-69	-68	-73	-70	-65	-67	-70	-86	-77
126	-60	-61	-63	-62	-73	-74	-78	-67	-68	-65	-66

Зависимость относительного уровня третьей гармоники сигнала от частоты

	Рабочая точка
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
14	-72	-63	-62	-65	-61	-53	-48	-49	-50	-53	-48
79	-64	-65	-70	-62	-54	-61	-55	-60	-51	-51	-47
126	-60	-61	-63	-62	-73	-74	-78	-67	-68	-65	-66

Повышение уровня второй гармоники сигнала в приборе 126 (точки 10, 11 рабочего диапазона частот) связано с тем, что сигнал на частоте второй гармоники частично приникает в волновод сечением а1, т.е. отражение происходит не от границы на расстоянии L, а от некоторой эквивалентной границы с расстоянием L_ЭКВ>L. С ростом частоты L_ЭКВ возрастает, что объясняет возрастание уровня гармоник в коротковолновой части диапазона. Поскольку параметры прибора соответствовали заданным требованиям, дальнейшее улучшение конструкции не проводилось.

Проведенные измерения и показали, что применение предложенной конструкции со ступенчатой закороткой позволяет снизить уровень второй и третьей гармоники клистрона работающего.в средней части сантиметрового диапазона длин волн.

Электронный СВЧ-прибор О-типа, содержащий входной и выходной резонаторы, входной и/или выходной прямоугольные волноводы, имеющие закоротку ступенчатой формы со стороны, противоположной вводу или выводу энергии электромагнитного поля, и имеющие в узкой стенке отверстия связи с входным и/или выходным резонаторами, отличающийся тем, что размер а широкой стенки входного и/или выходного волновода, расстояние L от центра отверстия связи до ступеньки входного и/или выходного волновода, размер a1 широкой стенки ступеньки входного и/или выходного волновода и расстояние L1 от ступеньки до закороченного конца входного и/или выходного волновода удовлетворяют соотношениям: a=(0,695-0,705)лямбда, L=(1,065-1,075)лямбда, a1=(0,395-0,405)лямбда, L1=(0,115-0,125)лямбда, где лямбда - рабочая длина волны.