Усилительный многорезонаторный клистрон миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн

 

1. УСИЛИТЕЛЬНЫЙ М11ПГОРЕЗОПАТОРПЫЙ ЮП1СТРОН ШииНП-ШТРОПОГЛ И СУПгMIUUlHMETPOBOrO ЛИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН, содерхар{ий открытые резонаторы, сооснс расположенные электронно-оптическую систему и устройство для создания магнитного поля и устройства для ввода и вывода СВЧ-энергии, о т л и ч аю щ и.и с я тем, что, с целью уменьшения габаритов устройства для создания магнитного поля, уменьшения дифИзобретение относится к области электровакуумных приборов сверхвысоких частот, в частности, к усйлительньм клистронам миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Известно, что при создании приборов клистронного тшга в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн возникают большие трудности, связанные с резким ухудмением параметров полых резонаторов. Низкая добротность, малое гаунтовое сопротивление, малый коэффициент полезного действия выходного резонатора-ифиводят к тому, что эффективность прибора в целом оказывается низкой. Замена полых замкнутых рак1щон11ой связи между резонаторами и упрощения перестройки частоты, открытые резонаторы вьпголнены в виде Аокусирзтоьщх резонаторов, содержаЬ1Г х вогнутое зеркало и зеркало в виде рупора , при этом участок между рупором и зеркалом окружен оболочкой из материалов , поглащающего электромагнитные волны, а расстояние меж(у внутренней поверхностью оболочки и конусной поверхностью , образую1цая которойявляется касательной к образующей рупора в точке пересечения ее с линией раскрыва pyicopa, превьдтает ;и1ину волны. 2. ГСпистрон по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что оси фокусируюиих (/) открытых резонаторов повернуты друг относительно друга на угол, превыиаюрий угол раскрыва рупора. СО 00 c 4 резонаторов открытыми резонаторами позволяет сохранить высокие параметры S резонаторов в миллиметровом диапазоне длин волн. Известен открытый фокусирующий рез .онатор (ФОР), который может быть использован для построения приборов клистронного типа. Указанный резонатор представляет собой систему, состоя щую из сферического вогнутого зеркала и рупора (в котором расположен центр кривизны сферического зеркала) с подсоединенным к нему короткозамкнутым отрезком волновода, имеющим отверстия для прохода электронов. Наличие узкого зазора в волноводе позволяет осущест

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„982482

А1

Щ)5 Н 01 J 25/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ. СССР (? 1) 3282618/? 1 (22). 06.05 3 (46) 23.09.91 !!яп. !" 35 . (!2) В.П.Сазонов (53) 621.385.6.(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР по заЯвке и 3252676/18-21 кл. Н 01 I 23/18, 1981.

Авторскбе свидетельство ССС!

Р 302050, кн. Ч 01 Л 25/ОО, 1967. (54) (57) 1. УСИЛИТГЛЬН!!Й 1ШОГОРЕЗОНАТОРН!!Й !СП! TPAH !ПШЛИИГТРОВОГО И УВ-.

ИИПЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН, содержаг!ий открытие резонаторы, соосно расположенные электронно-оптическую систему и- устройство для создания магнитного ноля и устройства для ввода и вывода СВЧ-энергии, о т л и ч аю щ и, и с я тем, что, с целью уменьшения габаритов устройства для созда-ния магнитного поля, уменьшения дифИзобретение относится к области электровакуумных приборов сверхвисоких частот, в частности, к усилительным клистронам миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.

Известно, что при создании приборов клистронного типа в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн возникают большие трудности, связанные с резким ухудшением параметров полых резонаторов. Низкая добротность, малое щунтовое сопротивление, малый коэффициент полезного действия выходного резонатора- приводят к тому, что эффективность прибора в целом окачывается низкой. Замена полых замкнутых ракционной связи между резонаторами и упрощения перестройки частоты, открытые речонатори выполнены в видг . фокусирующих резонаторов, содержаЪрх вогнутое зеркало и зеркало в виде ру-. пора, нри этом участок между рупором и зеркалом окружен оболочкой из .материалов, ноглаг(ающего электромагнитные волны, а расстояние межцу внутренней поверхностью оболочки и конусной поверхностью, образующая которой является касательной к образующей рупора в точке пересечения ее с линией раскрыва рупора, превышает длину рабо ей волны.

2. !iлистрон но и. 1, о т л и ч a- a ю шийся тем, что оси фокусирующих

oTKpb1Tblx резонаторов повернуты друг относительно друга на угол, превыиавг(ий угол раскрива рупора.

У

Ю% резонаторов открытыми резонаторами позволяет сохранить высокие параметры резонаторов в миллиметровом диапазоне длин волн.

Известен открытый фокусирующнй резонатор (ФОР), который может быть использован для построения приборов клистронного типа. Указанный резонатор. представляет собой систему, состоящую из сферического вогнутого зеркала и рупора (в котором расположен центр кривизны сферического зеркала) с подсоединенным к нему короткозамкнутым отрезком волновода, имеющим отверстия дпя прохода электронов. Наличие узкого зазора в волноводе позволяет осушест98248? вить кратковременное взаимодействие электронов с высокочастотным полем резонатора. Рабочая длина волны резонатора легко перестраивается путем пере- 5 мецения зеркала относительно рупора вдоль их общей оси. Однако непосредственное использование указанного резонатора для построения многорезонаторного клистрона вызывает определенные трудности. Объясняется это тем, что указанный резонатор содержит открытый зазор между сферическим вогнутым зеркалом и рупором. Вследствие дифракционных потерь, из рупора через указан- 15 ный зазор в окружающее пространство излучается часть электромагнитной энергии. В соответствии с принципом обратимости из окружающего пространства в резонатор может попасть элект- gp ромагнитная энергия, которая при резонансе будет захвачена и локализована в резонаторе.

В многорезонаторных усилительных клистронах резонаторы располагаются достаточно близко друг к другу, и, если использовать такие открытые резонаторы, то между двумя (и более) резонаторами возникает дифракционная связь, что, в свою очередь, приведет к возбуждению в клистроне различных паразитных колебаний, По этой причине известный резонатор может быть непосредственно применен линь впростейних приборах клистронного i типа: в отражательном клистроне или в многорезонаторном клистроне с одним открытым резонатором.

Известные методы борьбы с дифракционной связью путем экранировки электромагнитных полей резонаторов металлическими экранами в данном случае неприемлемы, так как металлический экран превращает открытый резонатор в закрытый, что приводит к потере избирательных свойств открытого резонатора вследствие роста плотности спектра колебаний.

Наиболее близким техническим pemeнием является известный усилительный многорезонаторный клистрон миллиметрового и субмиллиметрового диапаэонав длин волн, содержащий открьггые резонаторы, электронно-оптическую систему, устройстна для ввода и вывода СВЧ-энергии и устройство для создания магнит- 55

НОГО ПОЛЯ (FHPOKJIHCTPOHbI) °

Применение открытых резонаторов н виде отрезков полых резонаторов, пронизываемых винтовыми электронными потоками, позноляет усиливать колебания миллиметрового диапазона дпин волн с высокой эффективностью. ОднаКо гироклистроны имеют суцественный недостаток, связанный с необходимостью создания н рабочем пространстве магнитных фокусирувщнх полей IIQ рядка нескольких десятков килогаусс на расстоянии десятков сантиметров, что требует применения сверхпроводящих магнитов, резко усложняющих эксплуатацию укаэанных приборов.

Другой недостаток гкроклистрона состоит в том, что в нем обнаруживается склонность к возбуждению различных иаразитных колебаний из-за недостаточной развязки Открытых резонаторов ио трубам дрейфа.

Еще один недостаток гироклистро" нов состоит в том, что н них затруднена перестройка рабочей длины волны, что связано с необходимостью одновременного изменения постоянного магнитного поля и параметров волноводного резонатора.

Целью изобретения является уменьшение габаритов устройства для создания магнитного поля, уменьшение дифракционной связи между резонаторами и упрощение перестройки частоты., Указанная цель достигается тем, что н усилительном многорезонаторном кпистроне миллиметрового и субмнллиметрового диапазонов длин волн, содержащем открытые резонаторы, соосно расположенные электронно-оптическую систему и устройство для создания магнитного поля, устройства для ввода и вывода СВЧ энергии, открытые резонаторы выполнены в ниде фокусирующих открытых резонаторов, содержащих вогнутое зеркало и зеркало в виде рупора, ири этом участок между рупором и зеркалом окружен оболочкой из материала, поглощающего электромагнитные волны, а расстояние между внутренней поверхностью оболочки и конусной поверхностью, образующая которой является касательной к образующей рупора в точке пересечения ее с линией раскрыва рупора, превьшиет ее длину рабочей волны.Оси Аокусирувщнх открытых резона-, торов могут быть повернуты друг относительно друга .на угол, превышающий угол раскрыва рупора.

982482 . б

Изобретение иллюстрируется Аигурами 1,2,3.

Па фиг. 1,2,3 схематически показани варианти конструкции предлагаемого усилительного клистрона с Аоку5 сирующими открытыми резонаторами.

Па фигуре 1 обозначены электронная пушка 1, электронный поток 2, коллектор 3, магнит 4р полюсные наконечники

5, вогнутое зеркало 6, рупор 7, конусообразная оболочка 8 из материала, поглощающего электромагнитную энергию, отрезок волновода 9, пронизываемый электронным потоком, труба дрейАа 10 входной волновод 11 с диэлектрическим окном для ввода энергии, выходной волновод 12 с диэлектрическим окном для вывода энергии.

В фокусирующем открытом резонаторе, 70 и соответствии с принципом его работы, образуется каустика, т.е. конусообразная поверхность, за пределы которой е электромагнитные колебания практически не проходят. Из теории краевых волн следует, что при расстоянии, большем длины волны от края рупора, поля практически нет. Если размеры конусообразной оболочки из материала, хорошо поглощающего электромагнитные волны, выбрать так, чтобы у рупора ее внутренний диаметр был больше диаметра раскрыва рупора D, à у зеркала больше диаметра раскрива D, на 1-2 рабочие длины волны резонатора, то указанная оболочка не будет оказывать существен- 35 ного влияния на электромагнитное оле рабочего вида колебаний внутри резонатора. Колебания побочных нерабочих видов колебаний, которые должны излучаться из резонатора, будут поглощаться в материале оболочки и не окажут вредного влияния на рабочий вид. Внешние поля также не смогут оказать вредного влияния на поле в резонаторе, так как будут поглощены в материале 4 оболочки и не войдут в область резона тора.

Дпя того, чтобы оболочка э-.: фективно выполняла роль экрана, она должна не только хорошо поглощать электромагнитные волны, но и не отражать их. Такую оболочку можно изготовить например, из стекла или керамики и на поверхность нанести тонкий слой резиста с .поверхностным сопротивлением, равным сопротивлению свободного пространства, т.е. приблизительно 380 Ом. Указанную оболочку можно также изготовить из диэлектрика с потерями, например, из керамики, насыщенной графитом, и для согласования покрыть с двух сторон четвертьволновыми слоями диэлектрика с диэлектрической проницаемостью

J раввов //йе/э, где /ев/ — диэлектрическая проницаемость керамики, В общем случае требование g оболочке, с точки зрения ее Аункционального назначения, заключается в том, чтобы коэффициент отражения электромагнитной энергии от ее поверхности бил близок к нулю, а коэффициент передачи — к единице, т. е. электромагнитная энергия полностью входила би в оболочку и в ней поглощалась.

Указанная конусообразная тонкостенная ободочка из материала, поглощающего электромагнитные волны, позволяет осуществить развязку между отдельными резонаторами. В отличие от гироклистрона диаметр труби дреифа в предложенном клистроне можно выбрать так, чтоби он бил запредельним на рабочей длине, волны,. и связь по трубе дрейфа будет исключена.

Отметим, что если оболочку выполнить из вакуумно-плотного материала и спаять с рупором и зеркалом, то оболочка, играющая роль экрана и раз вязки между контурами клистрона, сможет также выполнить роль вакуумного уплотнения откритого резонатора.

При необходимости перестройки резонансной частоты резонатора путем перемещения зеркала, соединенние оболочки с зеркалом или рупором может быть выполнено подвижним, например, с помощью сильфона.

Клистрон, схематически показанный на фиг. 1, представляет собой простейший тип двухрезонаторного клистрон- ного ускпителя, для которого не возникает особой проблемы размеше ыя резонаторов. В случае, если число резонаторов больше двух, размещение резонаторов может вызвать трудность. Дело в том, чтв ноперечние размеры Аокусирующего открытогс резонатора постепенно. возрастают от зазора, где .они равны долям длины волни, до нескольких десятков длин волн в районе сферического зеркала. Традиционное расположение резонаторов в усилительном клистроне один над другим в данном случае оказывается неприемлемым. Однако поскольку фокусируюшие откритие резонаторы обладают поворотной симметрией

98240 сч относительно оси пролетного канала и экранирующне тонкостенные конусообразные оболочки вплотную приближены к резонатору, можно резонаторы распо- 5 ложить по винтовой линии вокруг пролетного канала. При угле поворота осей резонаторов, pctBHCM 27/N, удастся: получить усилительньй кпистрон с N резонаторами.

На фиг„ 2, 3 показан схематически

4-х резонаторный клистрон с экраниророванными фокусирувщими открытыми резонаторами 13, 14, 15, 1б, размещенными по винтовой линии, причем зеркала соединены с оболочкой через сильфоны 17. Углы поворота осей .резонаfv торов относительно друг друга;равны и/2, а сами оси смещены вдоль пролетного канала на расстояние 1 (i

1, 2, 3).

Пространственное расположение фоку-. сирующих открытых резонаторов, показанное на фиг. 3, накладывает ограни- 25 чение на угол раскрыва рупора g . Угол 9 должен быть меньше угла смещения осей резонаторов (g, т.е. g + 2g (ф +

+ с, У P где 1.р — длина рупора, ф — рабочая

1длина волны, - толщина оболо хи.

Однако при числе резонаторов порядка 5, которое обычно применяется в усилительных клистронах, указанное ограничение несущественно, и позволяет расположить резонаторы при любых длинах труб дрейфа.

Иногорезонаторные усилительные клистроны, построенные на основе экранированных фокусирующих резонаторов, смогут найти широкое практическое применение в различных радиоэлектронных системах миллиметрового диапазона длин волн.

Усилительные клистроны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн необходимы для создания современных, когерентных радиолокационных станций, для радиоэлектронных систем передачи информации, в спутниковой связи, в радиофизике,. в медицине и биологиИ.

982482

Корректор С.Шекмар

Редактор К. Гиринская

Текр ед M. дидык

Знказ 3728 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб. ° д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101