RU1776156C

RU1776156C - Microwave device

Info

Publication number: RU1776156C
Authority: RU
Inventors: Д.М. Петров; В.А. Царев
Original assignee: Саратовский государственный технический университет (политехнический институт)
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1995-01-09
Also published as: RU1776157C

Abstract

FIELD: radio electronics. SUBSTANCE: microwave device has resonance systems fitted with gears for communication with external paths. Input resonance system includes active resonators 3 and output resonance system has active 8 and two passive 10 and 11 resonators. Resonators are made in the form of two quarter-wavelength sections of resonance lines and are fitted with separate gears for communication with external output paths 18 and 19 for each frequency band. EFFECT: enhanced operational characteristics. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области радиоэлектроники сверхвысоких частот, а более конкретно - к конструкциям многорезонаторных СВЧ-приборов, предназначенных для усиления (или генерирования) СВЧ колебаний одновременно на разных рабочих частотах (на разных типах колебаний). Главное преимущество таких приборов - возможность работы одного устройства в двухполосном режиме без увеличения потребляемой мощности. The invention relates to the field of microwave electronics, and more specifically to the designs of multi-cavity microwave devices designed to amplify (or generate) microwave oscillations simultaneously at different operating frequencies (at different types of oscillations). The main advantage of such devices is the ability to operate one device in two-way mode without increasing the power consumption.

Известны СВЧ-приборы, например клистроны с однозазорными цилиндрическими резонаторами, рассчитанными на одновременное усиление сигналов на двух частотах, соответствующих разным видам колебаний в резонаторах (Е₀₁₀ и Е₀₁₁).Microwave devices are known, for example, klystrons with single-gap cylindrical resonators designed to simultaneously amplify signals at two frequencies corresponding to different types of oscillations in the resonators (E ₀₁₀ and E ₀₁₁ ).

Известны также многорезонаторные клистроны, содержащие резонаторные системы, предназначенные для одновременного усиления группы сигналов. В каждом резонаторе таких приборов, кроме одного, существуют колебания практически всех компонентов. Also known are multi-cavity klystrons containing resonator systems designed to simultaneously amplify a group of signals. In each resonator of such devices, except for one, there are vibrations of almost all components.

Наиболее близким по технической сущности является СВЧ-прибор клистронного типа, содержащий входную и выходную резонансные системы с активными однозазорными цилиндрическими резонаторами и входное и выходное устройство связи. Выходная резонансная система состоит из последовательно расположенных однозазорных цилиндрических резонаторов, электрически связанных между собой щелью связи. Мощность выводится из второго резонатора в выходной тракт (волновод) через индуктивную диафрагму. Эта система имеет два типа резонанса. На одной (более высокой) резонансной частоте поля обоих резонаторов в области ВЧ зазора синфазны (2π-вид), а на другой (более низкой) частоте - противофазный (π-вид). Параметры резонансной системы выбраны так, чтобы резонансы обоих видов перекрывались в заданной полосе частот. The closest in technical essence is a klystron type microwave device containing input and output resonant systems with active single-gap cylindrical resonators and an input and output communication device. The output resonant system consists of sequentially arranged single-gap cylindrical resonators electrically connected to each other by a coupling slit. Power is removed from the second resonator to the output path (waveguide) through the inductive diaphragm. This system has two types of resonance. At one (higher) resonant frequency, the fields of both resonators in the RF gap region are in-phase (2π-type), and at the other (lower) frequency - antiphase (π-type). The parameters of the resonance system are chosen so that the resonances of both types overlap in a given frequency band.

Недостатком такого прибора является то, что он может работать только в одной полосе усиливаемых частот (при одном входном сигнале). The disadvantage of such a device is that it can only work in one band of amplified frequencies (with one input signal).

Цель изобретения - расширение рабочей полосы частот при двухполосном режиме и раздельном выводе мощности в каждой из полос. The purpose of the invention is the expansion of the working frequency band in two-way mode and separate output power in each of the bands.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-приборе, содержащем входную резонансную систему с активным резонатором, выходную двухчастотную резонансную систему с активным однозазорным резонатором, и входное и выходное устройство связи, входная резонансная система содержит дополнительный двухчастотный активный резонатор, связанный с первым резонатором и входным устройством связи через щель связи в металлической перегородке, разделяющей эти резисторы, на которой укреплен внутренний коаксиальный проводник коаксиальной линии входного устройства связи и размещенный в щели связи, а выходная резонансная система содержит два пассивных резонатора, разделенных металлической перегородкой со щелью, в которой размещен элемент связи с активным резонатором, и закрепленный на металлической перегородке, а пассивные резонаторы выполнены в виде двух четвертьволновых отрезков резонансных линий, связанных через щель в общей металлической перегородке, причем пассивные резонаторы снабжены раздельными устройствами связи с внешними выходными трактами для каждой полосы частот. This goal is achieved by the fact that in a microwave device containing an input resonant system with an active resonator, an output two-frequency resonant system with an active single-gap resonator, and an input and output communication device, the input resonant system contains an additional two-frequency active resonator connected to the first resonator and the input a communication device through a communication slot in a metal partition separating these resistors, on which the internal coaxial conductor of the input coaxial line is mounted communication devices and located in the communication gap, and the output resonant system contains two passive resonators separated by a metal partition with a gap in which the communication element with the active resonator is placed and mounted on the metal partition, and the passive resonators are made in the form of two quarter-wave segments of resonance lines, connected through a slot in a common metal partition, and passive resonators are equipped with separate communication devices with external output paths for each frequency band.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". Comparison of the claimed technical solution with the prototype made it possible to establish compliance with its criterion of "novelty."

При излучении других известных технических решений в данной области техники совокупность признаков, отличающих заявляемое изобретение от прототипа, не была выявлена и поэтому авторы считают, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". When emitting other well-known technical solutions in this technical field, the totality of the features distinguishing the claimed invention from the prototype was not identified and therefore the authors believe that the claimed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 схематически изображен СВЧ-прибор; на фиг. 2 - амплитудно-частотная характеристика входной (выходной) резонансной частоты. In FIG. 1 schematically shows a microwave device; in FIG. 2 - amplitude-frequency characteristic of the input (output) resonant frequency.

СВЧ-прибор содержит электронную пушку 1, входную резонансную систему, включающую последовательно расположенные активный резонатор 2 и дополнительный активный резонатор 3, связанные между собой через щель 4 в общей металлической перегородке 5. Устройство связи 6 с внешним входным трактом 7 выполнено общим для двух разных по частоте сигналов. Внутренний проводник коаксиальной линии введен в щель связи 4 резонаторов и укреплен на металлической перегородке 5, разделяющей входные активные резонаторы 2 и 3. The microwave device contains an electron gun 1, an input resonant system, including a series-active resonator 2 and an additional active resonator 3, interconnected through a slot 4 in a common metal partition 5. The communication device 6 with the external input path 7 is made common for two different in signal frequency. The inner conductor of the coaxial line is inserted into the coupling gap of 4 resonators and mounted on a metal partition 5 that separates the input active resonators 2 and 3.

Выходная резонансная система содержит активный резонатор 8, имеющий элемент 9 с двумя пассивными резонаторами 10 и 11. Элемент связи 9 закреплен на общей металлической перегородке 12 со щелью 13, разделяющей пассивные резонаторы 10 и 11, представляющие собой два укороченные емкостью четвертьволновых отрезка 14 и 15 резонансных линий, связанных через щель 13. Пассивные резонаторы 10 и 11 снабжены раздельными устройствами связи 16 и 17 с внешними выходными трактами 18 и 19 для каждой полосы. За активным резонатором 8 выходной резонансной системы расположен коллектор 20. The output resonant system contains an active resonator 8 having an element 9 with two passive resonators 10 and 11. The coupling element 9 is mounted on a common metal partition 12 with a slit 13 separating the passive resonators 10 and 11, which are two shortened quarter-wavelength segments 14 and 15 resonant lines connected through slot 13. Passive resonators 10 and 11 are equipped with separate communication devices 16 and 17 with external output paths 18 and 19 for each band. Behind the active resonator 8 of the output resonant system, a collector 20 is located.

СВЧ-прибор работает следующим образом. The microwave device operates as follows.

Цилиндрический электронный поток, сформированный электронной пушкой 1, вводится по оси активных двухчастотных резонаторов 2 и 3 входной резонансной системы. Через входной внешний тракт 7 вводятся два сигнала (две разные рабочие частоты), которые через устройство связи 6 возбуждают систему связанных через щель 4 в общей металлической перегородке 5 активных резонаторов 2 и 3, настроенных каждый на две рабочие частоты, выбранные так, чтобы резонансы обоих резонаторов перекрывались соответственно в двух разных полосах (фиг. 2). В случае, если резонаторы 2 и 3 выполнены цилиндрическими, то они возбуждаются каждый из двух резонансных частотах, из которых нижняя соответствует колебаниям вида Е₀₁₀, а верхняя - колебаниям Е₀₁₁, обычно присутствующим в цилиндрических резонаторах. Причем электронный пучок взаимодействует одновременно с синфазными ВЧ напряжениями на зазорах на нижней полосе (вид Е₀₁₀) и с противофазными - на верхней частоте (вид Е₀₁₁). Так как резонаторы 2 и 3 представляют собой систему связанных резонаторов, то сигналы f₁ и f₂ могут усиливаться в соответствующих полосах, определяемых резонансами этих резонаторов.A cylindrical electron flow generated by the electron gun 1 is introduced along the axis of the active two-frequency resonators 2 and 3 of the input resonant system. Two signals (two different operating frequencies) are introduced through the input external path 7, which, through a communication device 6, excite a system of active resonators 2 and 3 connected through a slot 4 in a common metal partition 5, each tuned to two working frequencies, chosen so that the resonances of both the resonators overlap, respectively, in two different bands (Fig. 2). If the resonators 2 and 3 are cylindrical, then they are excited each of two resonant frequencies, of which the lower corresponds to vibrations of the form E ₀₁₀ , and the upper corresponds to vibrations E ₀₁₁ , usually present in cylindrical resonators. Moreover, the electron beam interacts simultaneously with common-mode HF voltages at the gaps in the lower band (type E ₀₁₀ ) and with antiphase ones at the upper frequency (type E ₀₁₁ ). Since resonators 2 and 3 are a system of coupled resonators, the signals f ₁ and f ₂ can be amplified in the corresponding bands determined by the resonances of these resonators.

Конфигурация, геометрические размеры резонаторов, а также размеры щели связи 4, обеспечивающие эффективную скоростную модуляцию на двух частотах, могут быть рассчитаны на ЭВМ по стандартным программам. Сгруппированные с помощью промежуточных резонаторов электронные сгустки, соответствующие частотам сигналов f₁ и f₂, возбуждают активный резонатор 8 выходной резонансной системы, также резонирующей на основном (Е₀₁₀) и высшем (Е₀₁₁) типах колебаний. На элементе связи 9, закрепленном на общей металлической перегородке 12, с пассивными резонаторами 10 и 11 наводятся ВЧ-токи соответствующих частот, которые через щель связи возбуждают настроенные соответственно пассивные резонаторы 9 и 11, выполненные в виде двух четвертьволновых отрезков 14 и 15 резонансных линий. Через кондуктивные устройства связи 16 и 17 выходная мощность в каждой полосе выводится в раздельные выходные тракты 18 и 19. Отработанный электронный поток собирается коллектором 20. Если система входных резонаторов 2 и 3 связана положительной обратной связью (которая на фиг. не показана) с выходной системой на соответствующих частотах, то СВЧ-прибор может работать в генераторном режиме.The configuration, the geometric dimensions of the resonators, as well as the dimensions of the coupling gap 4, which provide effective high-speed modulation at two frequencies, can be calculated on a computer using standard programs. Grouped by means of intermediate resonators, electron bunches corresponding to the frequencies of the signals f ₁ and f ₂ excite the active resonator 8 of the output resonant system, which also resonates on the main (E ₀₁₀ ) and higher (E ₀₁₁ ) types of oscillations. On the communication element 9, mounted on a common metal partition 12, with passive resonators 10 and 11, RF currents of the corresponding frequencies are induced, which excite tuned passive resonators 9 and 11, respectively, made in the form of two quarter-wavelength segments 14 and 15 of the resonance lines through the communication gap. Through conductive communication devices 16 and 17, the output power in each strip is output to separate output paths 18 and 19. The spent electronic stream is collected by collector 20. If the system of input resonators 2 and 3 is connected by positive feedback (which is not shown in Fig.) To the output system at appropriate frequencies, the microwave device can operate in generator mode.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое техническое решение обладает следующими преимуществами - оно обеспечивает одновременное усиление двухкомпонентного сигнала в более широкой для каждой компоненты полосе усиления. Это достигается тем, что на каждой рабочей частоте образуется двухконтурная система с частотами и (см. фиг. 3), обладающая "двугорбой" частотной характеристикой с небольшой величиной провала между "горбами". Thus, in comparison with the prototype, the claimed technical solution has the following advantages - it provides simultaneous amplification of a two-component signal in a wider gain band for each component. This is achieved by the fact that at each operating frequency a two-loop system is formed with frequencies and (see Fig. 3), which has a "double-hump" frequency response with a small amount of dip between the "humps".

Упрощается вывод и ввод компонент СВЧ-сигнала. Это достигается тем, что по входному тракту подаются одновременно два сигнала, а с выходного осуществляется раздельный вывод мощности на каждой частоте. The output and input of the components of the microwave signal is simplified. This is achieved by the fact that two signals are fed along the input path, and a separate output of power at each frequency is carried out from the output.

Применение такого устройства позволит осуществить одновременно усиление группы сигналов, т. е. практически вместо двух приборов используется один прибор. СВЧ-прибор может быть использован для работы в генераторном режиме. Применение такого прибора целесообразно в системах СВЧ-нагрева, т.е. одновременный нагрев на двух частотах обеспечит большую равномерность нагрева и повысит интенсивность процесса, что дает экономический эффект в народном хозяйстве. The use of such a device will allow for simultaneous amplification of a group of signals, i.e., almost one device is used instead of two devices. The microwave device can be used to work in generator mode. The use of such a device is advisable in microwave heating systems, i.e. simultaneous heating at two frequencies will ensure greater uniformity of heating and increase the intensity of the process, which gives an economic effect in the national economy.

Claims

A microwave device containing an input resonant system with an active resonator, an output two-frequency resonant system with an active single-gap resonator, and an input and output communication device, characterized in that, in order to expand the working frequency band in the two-band mode and separate output power in each of the bands, the input resonant system contains an additional active resonator connected to the first resonator and the input communication device through the communication gap in the metal partition separating these resonators into the inner conductor of the coaxial line of the input communication device and placed in the communication gap is strengthened, and the output resonant system contains two passive resonators separated by a metal partition with a slot in which the communication element with the active resonator is mounted, mounted on the metal partition, and the passive resonators are made in the form two quarter-wave segments of resonance lines connected through a slit in a common metal partition, and passive resonators are equipped with separate devices communication with outside, an output path for each frequency band.