Многолучевой прибор о-типа

Многолучевой прибор О-типа относится к электронной СВЧ технике, а именно к мощным широкополосным многолучевым приборам О-типа, например, к многолучевым клистронам с распределенным взаимодействием.

Многолучевой прибор О-типа, содержащий электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую в себя входной, промежуточные и выходной резонаторы, а также пассивные и активные резонаторы, электромагнитно связанные с входным и выходным резонатором, отличающийся тем, что все активные резонаторы выполнены в виде отрезков полых волноводов прямоугольного, или близкого к прямоугольному, сечения с рабочим видом колебаний Е_mnl, n=m>1, l=0, в которых симметрично размещены отрезки многоканальных пролетных труб круглого сечения числом N=mn(k-1), где к-число зазоров взаимодействия в резонаторе, k>1, которые крепятся в поперечном сечении между собой и стенками резонатора двумя или четырьмя металлическими штангами прямоугольного или круглого сечения, а минимальное количество пролетных каналов М в каждой многоканальной пролетной трубе определяется из условия:

где Рвых - выходная СВЧ мощность прибора, - КПД прибора, U₀ - напряжение электронного луча, р_r - первеанс электронного луча, который не превышает 0.2 10^-6 A/B^3/2, причем в многоканальных пролетных трубах имеются радиальные пазы, разделяющие соседние пролетные каналы, причем глубина пазов h не более L, где L - длина многоканальной пролетной трубы, а их протяженность не более D/2, где D - диаметр многоканальной пролетной трубы.

Техническим результатом предлагаемой конструкции прибора повышение выходной мощности в сочетании с широкой полосой частот. 5 фиг.

Полезная модель относится к электронной СВЧ технике, а именно к мощным широкополосным многолучевым приборам О-типа, например, к многолучевым клистронам с распределенным взаимодействием.

Одной из важнейших проблем развития усилительных клистронов является увеличение выходной мощности (средней и импульсной) и полосы рабочих частот при максимально низком рабочем напряжении.

Известны конструкции классических многолучевых клистронов (Геращенко О.В., Пасманник В.И. Выходная электродинамическая система усилительного клистрона, Патент РФ 1419405), в которых выходная мощность создается за счет суммирования мощностей, создаваемых низкопервеансными лучами, в тороидальном выходном резонаторе. Однако увеличение числа лучей ограничено поперечными размерами пролетной трубы, которое не может превышать /2, где - длина волны, соответствующей центральной частоте рабочей полосы прибора. Большой диаметр пролетной трубы приводит к изменению поля по радиусу и неоднородности модуляции электронных потоков.

Для увеличения выходной мощности может быть использовано также сложение мощностей от двух клистронов в одной вакуумной оболочке с общим СВЧ входом и выходом (Д.М.Беневоленский, Г.П.Гоголев, СМ. Мовнин. Двухканальный двухчастотный пролетный клистрон. Радиоэлектроника, Санкт-Петербург, 1996, стр.113-116).

В приборе используются два связанных резонатора, каждый из которых нагружен своим электронным пучком. Недостатком такой двухствольной конструкции является узкая полоса рабочих частот и невозможность достижения 100% сложения мощностей в общем резонаторе.

Ближайшим прототипом является многолучевой прибор О-типа, содержащий электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую в себя входной, промежуточные и выходной резонаторы, а также пассивные и активные резонаторы, электромагнитно связанные с входным и выходным резонатором конструкция многолучевого (Пугнин В.И., Юнаков Н.Н., Бурдина Т.Н. Многолучевой прибор О-типа., Патент РФ 2344980 от 18.08.2003 г.), Прибор является двухствольным клистроном, в выходным резонаторе которого для увеличения выходной мощности в каждом активном резонаторе с рабочим видом колебаний Н₂₀₁ размещены две пролетные трубы, причем во входном и выходном резонаторах эти трубы располагаются несимметрично относительно стенок этих резонаторов. К недостаткам данной конструкции следует отнести прежде всего несимметричность нагружения входного и выходного резонаторов, приводящую к неполному сложению мощностей, уменьшению КПД и т.д. Введение второй трубы ведет также к падению волнового сопротивления резонаторов, что приводит в конечном итоге к ухудшению выходных характеристик прибора.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание многолучевого многоствольного клистрона сочетающего повышенную выходную мощность в широкой полосе частот с высоким КПД.

В предлагаемой полезной модели решение этой задачи достигается тем, что в моноголучевом приборе О-типа, содержащем электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую в себя входной, промежуточные и выходной резонатор, а также пассивные и активные резонаторы, электромагнитно связанные с входным и выходным резонатором, все активные резонаторы выполнены в виде отрезков полых волноводов прямоугольного, или близкого к прямоугольному, сечения с рабочим видом колебаний E_mnl, n=m>1, l=0, здесь тип характеризуют число полуволн в поперечном сечении резонатора по каждому измерению, а l - число полуволн в продольном направлении. В области максимума высокочастотного электрического поля каждой полуволны в поперечном сечении резонатора симметрично размещен отрезок многоканальной пролетной трубы круглого сечения. Так как каждая пролетная труба располагается между двумя зазорами, то общее число пролетных труб в многозазорном резонаторе N=mn(k-1), где к - число зазоров взаимодействия в резонаторе, причем k>1. Многоканальные пролетные трубы крепятся в поперечном сечении между собой и стенками резонатора двумя или четырьмя металлическими штангами прямоугольного или круглого сечения.

Минимальное количество пролетных каналов М в каждой многоканальной пролетной трубе определяется из соотношения:

где Р_вых - выходная СВЧ мощность прибора, - КПД прибора, р_r - первеанс электронного луча, U₀ - напряжение электронного луча.

Существо предлагаемой полезной модели поясняется чертежами фиг.1 и 2. На фиг.1 показан блок резонаторов 4-х ствольного прибора, работающего на виде колебаний Е₂₂₀.

Блок резонаторов содержит входной, промежуточные 2 и выходной 3 резонаторы. Резонаторы выполнены в виде отрезков полых волноводов прямоугольного, или близкого к прямоугольному, сечения с рабочим видом колебаний E_mnl, n=m=2, l=0, в которых симметрично размещены отрезки многоканальных пролетных труб круглого сечения числом N=mn(k-1), где к=2, 3, 4 - число зазоров взаимодействия в резонаторе. Отрезки пролетных труб крепятся в поперечном сечении между собой и стенками резонатора двумя или четырьмя металлическими штангами прямоугольного или круглого сечения. Площадь этого сечения выбирается из условий обеспечения отвода тепла и электродинамики резонатора. Минимальное количество пролетных каналов М в каждой многоканальной пролетной трубе определяется заданной выходной мощностью, требуемым КПД, анодным напряжением и первеансом луча. Первеанс луча выбирается исходя из максимально возможной плотности тока с катода и обеспечения высокого КПД взаимодействия парциального луча с полем зазора. Для обеспечения этих условий первеанс луча не должен превышать 0.2 10^-6 А/В^3/2. При таких значениях первеанса, как известно, электронный пучок легко группируется в сгустки, в силу малого пространственного заряда, и КПД клистронов может превышать 60% (R. Palmer, Introduction to Cluster Klystrons, Proceedings of the International Workshop on Pulsed RF Power Sources for Linear Colliders, RF93, Dubna, Protvino, Russia, July 5-9, 1993).

Внешний вид возможной конструкции резонатора, работающего на виде колебаний Е₂₂₀, показан на фиг.2 для трехзазорного резонатора: (а) - вид с удаленной внешней крышкой резонатора и (б) - продольный разрез резонатора. Резонатор на фиг.2 (а) и (б) имеет отрезки многоканальных пролетных труб 4, закрепленных на штангах 5 в волноводе квадратного сечения 6. Количество этих труб зависит от числа зазоров и в двухзазорном резонаторе равно 4, а в трехзазорном увеличивается до 8.

Для увеличения равномерности распределения высокочастотного электрического поля по сечению многоканальной пролетной трубы в пролетных трубах могут присутствовать радиальные пазы 1, позволяющие сместить максимум напряженности электрического поля из центра многоканальной пролетной трубы на ее периферию (фиг.4).

поднять суммарный ток электронного пучка в резонаторе. Это приводит к возрастанию электронной нагрузки на резонатор, и в результате к расширению полосы рабочих частот. При увеличении поперечного сечения резонатора одновременно снижается величина волнового сопротивления резонатора и для сохранения его величины следует увеличивать число зазоров в резонаторе.

Полезная модель работает следующим образом: каждый электронный луч модулируется во входном резонаторе продольным электрическим высокочастотным полем той пучности (полуволны), в которой он расположен. В промежуточных резонаторах модулированные электронные лучи возбуждают высокочастотное электрическое поле такого же вида E_mnl, как и во входном резонаторе. Поле промежуточных резонаторов дополнительно группирует электронные лучи, формируя электронные сгустки, которые затем попадают в выходной резонатор. В выходном резонаторе электронные сгустки каждого луча тормозятся продольным высокочастотным электрическим полем своей полуволны, отдавая кинетическую энергию высокочастотному полю вида E_mnl выходного резонатора. Эта мощность выделяется в нагрузке. При этом происходит 100% суммирование мощностей, отбираемых от отдельных электронных лучей.

В настоящее время развитие средств математического моделирования (программ расчета приборов и их узлов) позволяет заменить натурный эксперимент численным. Для проверки возможностей достижений заявленного технического результата было проведено трехмерное математическое моделирование резонатора подобной конструкции (n=m=2, l=0), методом конечных элементов (программа HFSS v.7.0), показавшее следующие результаты.

Волновое сопротивление исходного одноствольного однозазорного резонатора 76,8 Ом. В однозазорном резонаторе с четырьмя стволами волновое сопротивление уменьшается в 4 раза и составляет примерно 19,2 Ом на ствол. Расчеты показывают (Таблица 1), что волновое сопротивление резонатора на синфазном виде колебаний линейно возрастает с увеличением числа зазоров, что позволяет компенсировать исходное уменьшение волнового сопротивления при увеличении числа стволов.

Математическое моделирование процесса взаимодействия электронных пучков с полями вышеуказанной электродинамической системы, включающей 8 резонаторов, из которых 6 - трехзазорные, 1 - двухзазорный и 1 - однозазорный, а также входную и выходную многозвенные фильтровые системы, проведено по программе DEV 5.0 методом крупных частиц. Для 4-х ствольного клистрона с 19 лучами в стволе с суммарным током более 13А и потенциалом лучей менее 6 кВ получена выходная мощность более 18 кВт при КПД в нагрузке прибора не менее 25% в полосе 5.0% (фиг.3) в коротковолновой части сантиметрового диапазона длин волн. Для сравнения в одноствольном клистроне можно получить при тех же параметрах луча выходную мощность не более 4 кВт в полосе 2% и КПД 15%.

Таким образом, математическое моделирование по известным программам показало возможность достижения заявленного технического результата в предлагаемой конструкции.

1. Многолучевой прибор О-типа, содержащий электронную пушку, ввод и вывод энергии, коллектор и электродинамическую систему, включающую в себя входной, промежуточные и выходной резонаторы, а также пассивные и активные резонаторы, электромагнитно связанные с входным и выходным резонатором, отличающийся тем, что все активные резонаторы выполнены в виде отрезков полых волноводов прямоугольного или близкого к прямоугольному сечения с рабочим видом колебаний E_mnl, n=m>1, l=0, в которых симметрично размещены отрезки многоканальных пролетных труб круглого сечения числом N=mn(k-1), где k - число зазоров взаимодействия в резонаторе, k>1, которые крепятся в поперечном сечении между собой и стенками резонатора двумя или четырьмя металлическими штангами прямоугольного или круглого сечения, а минимальное количество пролетных каналов М в каждой многоканальной пролетной трубе определяется из условия:

,

где Р_вых - выходная СВЧ мощность прибора, - КПД прибора, U₀ - напряжение электронного луча, р_r - первеанс электронного луча, который не превышает 0,2·10^-6 A/B^1,5.

2. Многолучевой прибор О-типа по п.1, отличающийся тем, что в многоканальных пролетных трубах имеются радиальные пазы, разделяющие соседние пролетные каналы, причем глубина пазов h не более L, где L - длина многоканальной пролетной трубы, а их протяженность не более D/2, где D - диаметр многоканальной пролетной трубы.