RU2125319C1

RU2125319C1 - Multiple-beam klystron

Info

Publication number: RU2125319C1
Application number: RU97117054A
Authority: RU
Inventors: И.А. Фрейдович; М.Ю. Воробьев; Т.В. Родионова
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Торий"
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-01-20

Abstract

FIELD: vacuum microwave devices. SUBSTANCE: resonators of device are designed as waveguide pieces. Holes of transmission channels are arranged in two straight lines. Distance between two arbitrary holes is equal. Length of line L conforms to condition L ≤ 0,25•λ_w,, where λ_w - is wavelength in waveguides forming klystron resonators. EFFECT: increased average power output, increased bandwidth. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электровакуумных приборов СВЧ, в частности к многолучевым клистронам, которые могут найти применение в качестве оконечных усилителей передатчиков радиолокационных станций, систем связи и других установках, преимущественно дециметрового и низкочастотной части сантиметрового диапазона. The invention relates to the field of microwave microwave devices, in particular to multi-beam klystrons, which can be used as terminal amplifiers for transmitters of radar stations, communication systems and other installations, mainly the decimeter and low-frequency part of the centimeter range.

Известен многолучевой клистрон - аналог - с резонаторами в виде закороченных волноводов и несколькими расположенными в один ряд электронными пучками, оси которых перпендикулярны волноводам [1]. В резонаторах возбуждается электромагнитная волна типа H_10n, причем торцы пролетных труб расположены в максимумах электрической составляющей поля.Known multi-beam klystron - an analogue - with resonators in the form of shorted waveguides and several electron beams arranged in a row, the axes of which are perpendicular to the waveguides [1]. An electromagnetic wave of type H _{10n is} excited in the resonators, and the ends of the span tubes are located at the maxima of the electric component of the field.

Недостатком подобной конструкции является сложность и большие габариты клистрона. The disadvantage of this design is the complexity and large dimensions of the klystron.

Известна конструкция многолучевого клистрона [2] (прототип), в зазорах взаимодействия резонаторов которого все электронные пучки расположены в зоне одной полуволны электрического поля. При этом поперечное расположение пролетных каналов является аксиально симметричным, в виде нескольких концентрических кольцевых рядов. A known design of a multi-beam klystron [2] (prototype), in the resonator interaction gaps of which all electron beams are located in the area of one half-wave of an electric field. In this case, the transverse arrangement of the passage channels is axially symmetric, in the form of several concentric annular rows.

Недостатком такой конструкции является трудность охлаждения стенок пролетных каналов внутренних рядов, что ограничивает суммарную мощность электронных потоков и, следовательно, выходную мощность клистрона. Кроме того, в случае применения магнитной фокусирующей системы, насыщение магнитомягкого материала полюсных наконечников в перемычках между пролетными отверстиями одного ряда препятствует максимально компактному расположению отверстий. Это приводит к увеличению поперечного сечения емкостных выступов резонаторов клистрона, снижению их характеристического сопротивления и, как следствие, препятствует получению широкой полосы рабочих частот. The disadvantage of this design is the difficulty of cooling the walls of the passage channels of the inner rows, which limits the total power of the electron flows and, therefore, the output power of the klystron. In addition, in the case of using a magnetic focusing system, the saturation of the soft magnetic material of the pole pieces in the bridges between the passage holes of one row prevents the most compact arrangement of the holes. This leads to an increase in the cross section of the capacitive protrusions of the klystron resonators, a decrease in their characteristic resistance, and, as a result, prevents the obtaining of a wide band of operating frequencies.

Целью изобретения является увеличение выходной средней мощности клистрона и расширение полосы рабочих частот. The aim of the invention is to increase the output average power of the klystron and the expansion of the operating frequency band.

Поставленная цель достигается тем, что в многолучевом клистроне отверстия пролетных каналов расположены линейно в два ряда, причем расстояния между любыми соседними отверстиями одинаковы. Резонаторы выполнены в виде отрезков закороченных на концах волноводов, расположенных перпендикулярно осям пролетных каналов и параллельно плоскости, на которой лежат оси пролетных каналов одного ряда. Все электронные пучки расположены в зоне одной полуволны электрического поля, а длина каждого ряда пучков не превышает величины 0.25 от длины волны в волноводах, образующих резонаторы клистрона. This goal is achieved in that in the multipath klystron the openings of the passage channels are linearly arranged in two rows, and the distances between any adjacent openings are the same. The resonators are made in the form of segments of waveguides shorted at the ends, located perpendicular to the axes of the passage channels and parallel to the plane on which the axis of the passage channels of the same row lie. All electron beams are located in the region of one half-wave of the electric field, and the length of each row of beams does not exceed 0.25 of the wavelength in the waveguides forming the klystron resonators.

На чертеже изображен один из возможных вариантов исполнения такого многолучевого клистрона с линейным двухрядным расположением отверстий пролетных каналов и резонаторами, выполненными в виде отрезков коаксиальных волноводов. The drawing shows one of the possible embodiments of such a multi-beam klystron with a linear two-row arrangement of openings of the passage channels and resonators made in the form of segments of coaxial waveguides.

Многолучевой клистрон содержит электронную пушку 1, входной резонатор 2 с вводом энергии 3, промежуточный резонатор 4, выходной резонатор 5 с выводом энергии 6, причем резонаторы выполнены в виде отрезков коаксиального волновода, а также полюсные наконечники 7 и коллектор 8. Отверстия пролетных каналов 9 расположены в два ряда таким образом, чтобы расстояния между любыми соседними отверстиями были одинаковыми. The multipath klystron contains an electron gun 1, an input resonator 2 with energy input 3, an intermediate resonator 4, an output resonator 5 with an energy output 6, and the resonators are made in the form of segments of a coaxial waveguide, as well as pole tips 7 and a collector 8. The openings of the passage channels 9 are located in two rows so that the distances between any adjacent holes are the same.

Работа клистрона осуществляется следующим образом. Электронные потоки формируются электронной пушкой 1 и попадают в пролетные каналы 9. Фокусируются электронные потоки продольным магнитным полем, конфигурация которого определяется полюсными наконечниками 7. СВЧ-волна подается во входной резонатор 2 через ввод энергии 3 и модулирует электронные потоки по скорости. После прохождения резонаторного блока электронные потоки группируется в сгустки и отдают свою энергию в зазоре взаимодействия выходного резонатора 5. Через вывод энергии 6 СВЧ-мощность поступает в нагрузку. Отработавшие электронные потоки попадают в коллектор 8. The work of the klystron is as follows. The electron fluxes are formed by the electron gun 1 and fall into the passage channels 9. The electron fluxes are focused by a longitudinal magnetic field, the configuration of which is determined by the pole tips 7. A microwave wave is supplied to the input resonator 2 through the input of energy 3 and modulates the electron flux in speed. After passing through the resonator block, the electron flows are grouped into bunches and give their energy in the interaction gap of the output resonator 5. Through the energy output 6, the microwave power enters the load. Spent electron streams fall into the collector 8.

Расположение отверстий пролетных каналов 9 линейно в два ряда позволяет без существенного усложнения конструкции провести каналы охлаждения в непосредственной близости от каждого пролетного канала, по крайней мере с одной стороны. Это позволяет существенно понизить температуру стенок пролетных каналов и благодаря этому увеличить среднюю мощность электронного потока, а следовательно и среднюю выходную мощность клистрона. The location of the openings of the passage channels 9 linearly in two rows allows without significant design complexity to conduct cooling channels in the immediate vicinity of each passage channel, at least on one side. This allows you to significantly lower the temperature of the walls of the passage channels and thereby increase the average power of the electron beam, and therefore the average output power of the klystron.

Расположение отверстий пролетных каналов, при котором расстояния между любыми соседними отверстиями одинаковы, является наиболее компактным. Кроме того, линейное двухрядное расположение отверстий позволяет уменьшить расстояния между соседними отверстиями по сравнению с аксиально симметричным расположением, при одинаковой толщине магнитных полюсных наконечников. Этот эффект объясняется тем, что при аксиально симметричном расположении через перемычки между отверстиями одного ряда пролетных каналов в полюсных наконечниках проходит магнитный поток, величина которого пропорциональна площади окружности, на которой расположены центры пролетных каналов. Перемычки должны быть достаточной ширины, чтобы избежать магнитного насыщения материала полюсных наконечников. При линейном двухрядном расположении отверстий магнитный поток, проходящий через перемычки, пропорционален площади треугольника, образованного прямыми, соединяющими центры трех соседних отверстий. Поэтому, индукция магнитного поля в перемычках при линейном расположении меньше, чем при аксиально симметричном, в 1.5-3 раза при прочих равных условиях, что позволяет соответственно уменьшить расстояния между отверстиями пролетных каналов. Таким образом, линейное двухрядное расположение существенно более компактно, чем аксиально симметричное. За счет этого уменьшается площадь зазора взаимодействия резонаторов клистрона, а следовательно увеличивается их характеристическое сопротивление. Увеличение характеристического сопротивления резонаторов позволяет увеличить широкополосность клистрона. The location of the openings of the passage channels, at which the distances between any adjacent openings are the same, is the most compact. In addition, the linear two-row arrangement of the holes allows to reduce the distance between adjacent holes in comparison with the axially symmetric arrangement, with the same thickness of the magnetic pole pieces. This effect is explained by the fact that, with an axially symmetric arrangement, magnetic flux passes through the bridges between the holes of one row of passage channels in the pole pieces, the magnitude of which is proportional to the area of the circle on which the centers of the passage channels are located. The jumpers must be wide enough to avoid magnetic saturation of the pole piece material. With a linear two-row arrangement of the holes, the magnetic flux passing through the jumpers is proportional to the area of the triangle formed by the straight lines connecting the centers of three neighboring holes. Therefore, the magnetic field induction in the bridges with a linear arrangement is less than with axially symmetric, 1.5-3 times, ceteris paribus, thereby reducing the distance between the openings of the passage channels. Thus, a linear two-row arrangement is substantially more compact than axially symmetric. Due to this, the clearance area of the interaction of the klystron resonators decreases, and therefore their characteristic resistance increases. An increase in the characteristic resistance of the resonators allows increasing the klystron broadband.

Ограничение длины L-рядов отверстий пролетных каналов не более 0.25 длины волны в волноводе, образующем резонатор, вызвано необходимостью обеспечения равномерности напряженности электрического СВЧ-поля в зазоре взаимодействия резонаторов. Если приведенное выше соотношение не будет выполнено, неравномерность величины напряженности может превысить 50%, что, как показывает эксперимент, приводит к снижению КПД клистрона. The limitation of the length of the L-rows of openings of the passage channels to no more than 0.25 wavelength in the waveguide forming the resonator is due to the need to ensure uniformity of the electric microwave field strength in the cavity of the resonator interaction. If the above ratio is not fulfilled, the unevenness of the magnitude of the tension can exceed 50%, which, as the experiment shows, leads to a decrease in the efficiency of the klystron.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет увеличить среднюю мощность клистрона, а также расширить полосу рабочих частот. Thus, the proposed invention allows to increase the average power of the klystron, as well as expand the band of operating frequencies.

Литература
1. Патент США N 3248597 кл. 315-5.16 опубл. 26 апр 1966 г.Literature
1. US patent N 3248597 C. 315-5.16 publ. Apr 26, 1966

2. Edward A. Gelvich, Ludvik M. Borisov, Yevgeny U. Zhary, Anatoli D. Zakurdayev, Alexandr S.Pobedonostsev, and Victor I. Poognin. The New Generation of High-Power Multiple-Beam Klystrons. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. Vol. 41 NO. 1, JANUARY 1993. 2. Edward A. Gelvich, Ludvik M. Borisov, Yevgeny U. Zhary, Anatoli D. Zakurdayev, Alexandr S. Pobedonostsev, and Victor I. Poognin. The New Generation of High-Power Multiple-Beam Klystrons. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. Vol. 41 NO. 1, JANUARY 1993.

Claims

A multi-beam klystron containing passage channels, magnetic pole pieces and resonators, in the interaction gaps of which all electron beams are located in the area of one half-wave of the electric field, characterized in that the holes of the passage channels are linearly in two rows, the distances between any adjacent holes are the same, the resonators are made in the form of segments of waveguides shorted at the ends located perpendicular to the axes of the passage channels and parallel to the plane on which the axis of the passage channels lie -stand row, the length L of each row of openings obeys
L≤0.25λ _in ,
where λ _in is the wavelength in the waveguides forming the klystron resonators.