RU128005U1

RU128005U1 - O-TYPE ELECTRONIC MICROWAVE DEVICE

Info

Publication number: RU128005U1
Application number: RU2011127637/07U
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Никитин; Павел Иванович Акимов; Мария Владимировна Агапова; Татьяна Сергеевна Бойкова; Татьяна Владимировна Корзун; Ирина Валентиновна Кулешова; Таисия Васильевна Милорадова; Елена Константиновна Солдатова; Лидия Михайловна Струина; Геннадий Васильевич Мельничук
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий"
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-05-10

Abstract

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.O-type electronic microwave device containing input and output resonators, input and / or output rectangular waveguides having a step-shaped short circuit on the side opposite to the input or output of electromagnetic field energy, and having communication holes in the narrow wall with input and / or output resonators, characterized in that the size a of the wide wall of the input and / or output waveguide, the distance L from the center of the communication hole to the step of the input and / or output waveguide, the size a1 of the wide wall of the step of the input and / or output the waveguide and the distance L1 from the step to the shorted end of the input and / or output waveguide satisfy the relations: a = (0,695-0,705) lambda, L = (1,065-1,075) lambda, a1 = (0,395-0,405) lambda, L1 = (0,115- 0.125) lambda, where lambda is the working wavelength.

Description

Полезная модель относится к электронным СВЧ приборам O-типа, таким как клистроны и ЛБВ. Конструкция приведена на фиг.1.The invention relates to O-type electronic microwave devices such as klystrons and TWTs. The design is shown in figure 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:In the joint operation of microwave electronic devices, an important role is played by the amount of power emitted at the frequency of the second and third harmonics of the main signal. Among the known designs of devices with a reduced level of side vibrations, one can note the USSR patent 1697556, which is an analog and prototype of innovation in terms of reducing the level of spurious oscillations at the second harmonic frequency. Figure 2 shows a drawing of the specified prototype. The grouped electron beam gives off the kinetic energy to the microwave field of the output resonator 1. The coupling hole 3 excites a traveling wave in the output rectangular waveguide 2, which transfers microwave energy to the load. The optimal energy transfer at the operating frequency occurs under the condition that the distance L from the center of the communication hole to the wall 4 of the short circuit satisfies the relation:

где k=0, 1, 2, λ_B1 длина волны основного типа колебаний в волноводе.where k = 0, 1, 2, λ _B1 is the wavelength of the main type of oscillation in the waveguide.

Условие минимальной передачи энергии на частоте второй гармоники имеет вид:The condition for minimum energy transfer at the second harmonic frequency is:

где n=1, 2, 3; λ_B2 - длина волны второй гармоники в волноводе.where n = 1, 2, 3; λ _B2 - wavelength of the second harmonic in the waveguide.

Дина волны в прямоугольном волноводе для любой гармоники определяется по формуле:The wavelength in a rectangular waveguide for any harmonic is determined by the formula:

где λ - длина волны гармоники в свободном пространстве, λ_КР - критическая длина волны в волноводе для данной гармоники.where λ is the harmonic wavelength in free space, λ _КР is the critical wavelength in the waveguide for a given harmonic.

В патенте 1697556 было показано существование совместное решение уравнений (1) и (2), позволяющее снизить уровень второй гармоники прибора.In the patent 1697556 the existence of a joint solution of equations (1) and (2) was shown, which allows to reduce the level of the second harmonic of the device.

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:Given these patent requirements, the device was manufactured and tested. It was found that in addition to reducing the second harmonic level, a significant, at some frequencies up to 6 dB, increase in the level of the third harmonic appears. This is due to the simultaneous fulfillment of the conditions of optimal coupling at the fundamental frequency and the frequency of the third harmonic. To bring the device parameters in accordance with the requirements of the device consumers, it was decided to achieve the minimum coupling between the resonator and the output waveguide at the third harmonic frequency, i.e. the distance from the communication window to a short circuit at the frequency of the third harmonic must satisfy the condition:

где n=1, 2, 3; λ_B3 - длина волны третьей гармоники в волноводе.where n = 1, 2, 3; λ _B3 - wavelength of the third harmonic in the waveguide.

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.For this purpose, a section of a waveguide of a smaller cross section was introduced into the design, for which the third harmonic is a working type and which is beyond the limits of radiation of the fundamental frequency and second harmonic. The appearance of the structure is shown in figure 1. Similarly to the prototype, a grouped electron beam gives off kinetic energy to the microwave field of the output resonator 1. The coupling hole 3 excites a traveling wave in the output rectangular waveguide 2, which transfers microwave energy to the load. The distance L from the center of the communication hole to the wall 4 of the short circuit for the fundamental frequency and the frequency of the second harmonic satisfies the relations of the prototype. A segment of the waveguide with dimensions L1 and A1 added to the design provides an additional phase incursion of a quarter wavelength at the third harmonic frequency, while remaining prohibitive for the radiation of the fundamental frequency of the second harmonic.

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:When testing the design, it was found that the size L indicated in the prototype corresponds to the case of small transverse dimensions of the communication window and its small thickness. In particular, when the communication window had the form of a waveguide of variable cross-section with a total length of about 1/3 of the waveguide width, as in FIG. 3., the size L had to be reduced to achieve the optimum. With further development of the design, it was found that the condition for the size L of the prototype can be written in the form:

где L_КЗ - расстояние от центра окна связи до замыкания волновода,where L _KZ - the distance from the center of the communication window to the closure of the waveguide,

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.L _WINDOWS is the equivalent distance depending on the size of the communication window and the wall thickness between the resonator and the waveguide. In most cases of narrow-band devices, L _WINDOWS with a high degree of accuracy is zero. It was found that for optimal matching at the frequency of the third harmonic, the L2 / L ratio is constant when determining L by formula (5) for any L _WINDOWS . Since L _WINDOWS is difficult to determine, it was more convenient from a practical point of view to introduce L1 = L-L2. This allows you to make a change after setting the optimal matching option at the fundamental frequency and the frequency of the second harmonic in order to lower the level of the third harmonic. The calculations according to formulas 3 and 4 and the experiments showed the optimal value a1 = (0.395-0.405) lambda, L1 = (0.115-0.125) lambda, where lambda is the working wavelength.

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)The developed design was tested in the mass production of devices. Below are the test results of three devices: No. 14 - the initial version of the device; No. 79 - a device with a short circuit in accordance with patent 1697556, No. 126 - a device of a new design. The device operates in the middle of the centimeter wavelength range. The operating points of the device are located in increments of 50 MHz (operating frequency range 500 MHz)

Зависимость относительного уровня второй гармоника сигнала от частоты.Dependence of the relative level of the second harmonic of the signal on the frequency.

№No. Рабочая точкаWorking point 1one 22 33 4four 55 66 77 88 99 1010 11eleven 14fourteen -57-57 -55-55 -58-58 -59-59 -61-61 -61-61 -57-57 -55-55 -58-58 -57-57 -62-62 7979 -59-59 -61-61 -69-69 -68-68 -73-73 -70-70 -65-65 -67-67 -70-70 -86-86 -77-77 126126 -60-60 -61-61 -63-63 -62-62 -73-73 -74-74 -78-78 -67-67 -68-68 -65-65 -66-66

Зависимость относительного уровня третьей гармоники сигнала от частотыThe dependence of the relative level of the third harmonic of the signal from the frequency

№No. Рабочая точкаWorking point 1one 22 33 4four 55 66 77 88 99 1010 11eleven 14fourteen -72-72 -63-63 -62-62 -65-65 -61-61 -53-53 -48-48 -49-49 -50-fifty -53-53 -48-48 7979 -64-64 -65-65 -70-70 -62-62 -54-54 -61-61 -55-55 -60-60 -51-51 -51-51 -47-47 126126 -60-60 -61-61 -63-63 -62-62 -73-73 -74-74 -78-78 -67-67 -68-68 -65-65 -66-66

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.The increase in the second harmonic level of the signal in the instrument 126 (points 10, 11 of the working frequency range) is due to the fact that the signal at the second harmonic frequency partially penetrates into the waveguide with the cross section a1, i.e. the reflection does not occur from the boundary at a distance L, but from some equivalent boundary with a distance L _EQ > L. As the frequency L increases, the _ECR increases, which explains the increase in the level of harmonics in the short-wave part of the range. Since the parameters of the device met the specified requirements, no further design improvement was carried out.

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.The measurements made showed that the use of the proposed design with a stepwise short-circuit allows us to reduce the second and third harmonics of the working klystron in the middle part of the centimeter wavelength range.

Claims

O-type electronic microwave device containing input and output resonators, input and / or output rectangular waveguides having a step-shaped short-circuit on the side opposite to the input or output of electromagnetic field energy, and having communication holes in the narrow wall with input and / or output resonators, characterized in that the size a of the wide wall of the input and / or output waveguide, the distance L from the center of the communication hole to the step of the input and / or output waveguide, the size a1 of the wide wall of the step of the input and / or output the waveguide and the distance L1 from the step to the shorted end of the input and / or output waveguide satisfy the relations: a = (0,695-0,705) lambda, L = (1,065-1,075) lambda, a1 = (0,395-0,405) lambda, L1 = (0,115- 0.125) lambda, where lambda is the working wavelength.