RU2194330C1

RU2194330C1 - Television klystron

Info

Publication number: RU2194330C1
Application number: RU2001114614A
Authority: RU
Inventors: П.А. Пичугин; В.К. Семенов; В.А. Царев
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Контакт"
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2002-12-10

Abstract

FIELD: electronic engineering; television image and sound transmitters. SUBSTANCE: high-power stagger-peaked transit-time amplifier klystron has electron gun, microwave energy lead-in, input, intermediate, and output two-gap antipodal-mode resonators. Case of each resonator is made in the form of cylinder with inner diameter D and height H closed on two sides with side plates carrying transit-time tubes whose holes are coaxial with those in bushing symmetrically disposed inside this case. Resonator heights, their diameters, and sizes of holes in transit-time pipes for all types of frequency band are chosen to be equal and effective characteristic wave impedance is chosen for each type of frequency band from proposed formula. Maximal gain per unit length of device is ensured in ultrahigh-frequency band at desired passband and output power level of television klystron. EFFECT: enhanced quality of amplified signal and stability of resonators under mechanical thrusts and heat loads. 8 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к мощным многорезонаторным пролетным усилительным клистронам, и может найти применение в телевизионных передатчиках изображения и звука в качестве оконечных усилителей модулированных колебаний УВЧ-диапазона для 21-60 телевизионных каналов. The invention relates to the field of electronic engineering, in particular to powerful multi-cavity overhead amplifier klystrons, and can be used in television transmitters of image and sound as terminal amplifiers of modulated oscillations of the UHF range for 21-60 television channels.

К современным телевизионным клистронам предъявляется ряд специфических требований. Полоса пропускания клистронного усилителя должна быть не менее 8 МГц при неравномерности АЧХ в этой полосе не более 1 дБ. Для того чтобы успешно конкурировать с мощными дорогостоящими полупроводниковыми усилителями клистрон должен иметь высокий коэффициент усиления (не менее 40 дБ) с тем, чтобы на входе прибора можно было бы использовать дешевый маломощный транзисторный возбудитель. Кроме этого клистрон должен иметь минимальные массогабаритные параметры, быть устойчивым к механическим и тепловым нагрузкам, а также обеспечивать высокое качество усиливаемого сигнала. Modern television klystrons have a number of specific requirements. The bandwidth of the klystron amplifier should be at least 8 MHz with frequency response in this band not more than 1 dB. In order to successfully compete with powerful expensive semiconductor amplifiers, the klystron must have a high gain (at least 40 dB) so that a cheap low-power transistor exciter can be used at the input of the device. In addition, the klystron should have minimum weight and size parameters, be resistant to mechanical and thermal loads, and also ensure high quality of the amplified signal.

Для обеспечения высокого качества сигнала относительные уровни побочных колебаний при работе клистрона в режиме передачи изображения на уровне черного поля, а также уровни паразитных колебаний в нерабочем диапазоне частот не должны превышать определенной нормы. To ensure high signal quality, the relative levels of side vibrations during the operation of the klystron in the image transmission mode at the black field level, as well as the levels of spurious oscillations in the inoperative frequency range, should not exceed a certain norm.

Таким образом, актуальной проблемой является улучшение комплекса электрических и массогабаритных параметров телевизионного клистрона. Эту проблему можно решить за счет оптимального выбора конструкции резонаторной системы и параметров электронного потока. Thus, an urgent problem is the improvement of the complex of electrical and mass-dimensional parameters of the television klystron. This problem can be solved due to the optimal choice of the design of the resonator system and the parameters of the electron beam.

Из теории подобия [см. Царев В. А. Обобщенный показатель качества клистронных усилителей // "Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы 1992. - Вып. 3(138). - С. 20-21] следует, что если уменьшить длину резонаторного блока в n раз, то для сохранения неизменной величины заданного произведения коэффициента усиления на полосу пропускания клистрона необходимо во столько же раз увеличить произведение ρ_эффp, где ρ_эфф - произведение квадрата коэффициента эффективности взаимодействия М на характеристическое сопротивление резонатора ρ; р - первеанс электронного потока.From the theory of similarity [see Tsarev V. A. A generalized indicator of the quality of klystron amplifiers // Electronic Technology. Ser. Electrovacuum and gas-discharge devices 1992. - Issue 3 (138). - P. 20-21] it follows that if the cavity length is reduced by a factor of n then to maintain a constant predetermined magnitude gain-bandwidth of the klystron is necessary as many times increase product _eff ρ p, where ρ _eff - the product of interaction of a square efficiency coefficient M on the characteristic impedance of the resonator ρ; p - electron perveance onnogo stream.

Для удовлетворения этим требованиям в однолучевых клистронах с однозазорными резонаторами, имеющими малое характеристическое сопротивление (ρ<100 Ом), пришлось бы использовать электронный поток с высоким микропервеансом (p_μ>3), или сильно нагружать резонаторы при умеренных значениях пространственного заряда. Подобные клистроны (например, клистрон КУ-318) имеют малый коэффициент усиления, а также большие габариты и массу. Одним из известных технических решений, направленных на увеличение произведения коэффициента усиления на полосу пропускания телевизионных клистронов с однозазорными резонаторами, является переход от четырехрезонаторных клистронов к пятирезонаторым. Однако при этом сильно ухудшаются массогабаритные параметры таких приборов.To meet these requirements, in single-beam klystrons with single-gap resonators having a low characteristic impedance (ρ <100 Ω), one would have to use an electron beam with a high micropervance (p _μ > 3), or heavily load the resonators at moderate values of the space charge. Such klystrons (for example, KU-318 klystron) have a small gain, as well as large dimensions and mass. One of the known technical solutions aimed at increasing the product of the gain and the passband of television klystrons with single-gap resonators is the transition from four-cavity klystrons to five-cavity ones. However, the weight and size parameters of such devices are greatly deteriorated.

Более перспективным техническим решением является применение в конструкции резонаторной системы клистронов двухзазорных резонаторов с противофазным видом колебаний, имеющих в 2-3 раза более высокое волновое сопротивление, чем однозазорные резонаторы. Такие резонаторы выполняются на основе отрезка передающей линии, короткозамкнутого на одном конце и нагруженного на емкость двойного бессеточного зазора на другом конце [см. Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. - М.: Высш. шк., 1983. - 368 с.]. A more promising technical solution is the use in the design of the resonator system of klystrons of dual-gap resonators with antiphase modes of vibration, which have 2-3 times higher wave impedance than single-gap resonators. Such resonators are made on the basis of a segment of the transmission line, short-circuited at one end and loaded onto the capacitance of a double meshless gap at the other end [see Katsman Yu.A. Microwave devices. - M .: Higher. school, 1983. - 368 p.].

В качестве передающей линии чаще всего используют отрезок полосковой лини, внешний проводник которой (корпус) имеет вид цилиндра, закрытого с двух сторон боковыми крышками с отверстиями для пролета электронов, а внутренний проводник выполнен в виде радиального стержня, соединенного одним концом с корпусом, а другим - с центральным электродом (втулкой) (см. А/с СССР 744780, М. кл. H 01 J 23/22, H 01 J 25/10, опубл. 30.06.80, бюлл. 24, 10.07.80 г.). A segment of a strip line is most often used as a transmission line, the outer conductor of which (the case) has the form of a cylinder closed on both sides with side covers with holes for the passage of electrons, and the inner conductor is made in the form of a radial rod connected at one end to the case and the other - with a central electrode (sleeve) (see A / c USSR 744780, M. cl. H 01 J 23/22, H 01 J 25/10, publ. 30.06.80, bull. 24, 10.07.80 g.) .

Клистроны с такими резонаторами находят применение в коротковолновой части СВЧ-диапазона, где они имеют сравнительно малые габариты и массу, В УВЧ-диапазоне размеры резонаторов увеличиваются пропорционально увеличению длины волны (при этом объем резонаторов и, следовательно, масса прибора возрастают пропорционально кубу длины волны). Klystrons with such resonators are used in the short-wave part of the microwave range, where they have relatively small dimensions and mass. In the UHF range, the dimensions of the resonators increase in proportion to the increase in wavelength (the volume of the resonators and, consequently, the mass of the device increase in proportion to the cube of the wavelength) .

Увеличение объема цилиндрических резонаторов повышает вероятность возбуждения в них высших видов колебаний, из которых наиболее опасным считается синфазный вид колебаний Е₀₁₀, длина волны которого пропорциональна диаметру резонатора. Обычно частота этого вида колебаний близка к частоте третьей гармоники усиливаемого сигнала.An increase in the volume of cylindrical resonators increases the likelihood of exciting higher types of vibrations in them, of which the most dangerous type of oscillations is E ₀₁₀ , the wavelength of which is proportional to the diameter of the resonator. Usually the frequency of this type of oscillation is close to the frequency of the third harmonic of the amplified signal.

Соответствующая гармоническая составляющая конвекционного тока модулированного электронного пучка может эффективно взаимодействовать с этим видом колебаний, что приведет к повышению уровня третьей гармоники до недопустимых значений, при которых ухудшится качество выходного сигнала. Для выведения этого паразитного вида колебаний из зоны возможного взаимодействия с электронным пучком необходимо уменьшить диаметр корпуса резонатора. The corresponding harmonic component of the convection current of the modulated electron beam can effectively interact with this type of oscillation, which will lead to an increase in the level of the third harmonic to unacceptable values at which the quality of the output signal worsens. To remove this spurious mode of vibration from the zone of possible interaction with the electron beam, it is necessary to reduce the diameter of the resonator body.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности признаков является клистрон с двухзазорными цилиндрическими резонаторами с противофазным видом колебаний, имеющими уменьшенный диаметр корпуса [А.с. 754519 СССР МКИ H 01 J 23/20. Двухзазорный резонатор / С.Н. Голубев, Л.Д. Есина, А.В. Никонов, В.А. Царев; СПИ (СССР). - Опубл. в БИ, 1980, 29]. В качестве индуктивного элемента в резонаторах таких клистронов используются отрезки передающих линий с внутренним проводником, имеющим постоянное поперечное сечение по всей его длине и выполненным в виде охватывающего втулку отрезка регулярной радиальной спирали. The closest to the claimed combination of features is a klystron with double-gap cylindrical resonators with antiphase modes of vibration, having a reduced diameter of the housing [A.S. 754519 USSR MKI H 01 J 23/20. Two-gap resonator / S.N. Golubev, L.D. Yesina, A.V. Nikonov, V.A. Tsarev; SPI (USSR). - Publ. in BI, 1980, 29]. As an inductive element in the resonators of such klystrons, segments of transmission lines with an internal conductor having a constant cross section along its entire length and made in the form of a regular radial spiral segment enclosing the sleeve are used.

Этот проводник одним концом соединен с корпусом резонатора, а другим - с втулкой, установленной внутри этого корпуса. This conductor is connected at one end to the resonator housing, and at the other end to a sleeve mounted inside this housing.

Недостатками клистронов с такими резонаторами при использовании их в качестве мощных усилителей модулированных колебаний УВЧ диапазона являются:
1. Малая механическая прочность и плохой теплоотвод от внутреннего проводника, а также то, что форма этого проводника выполнена без учета неоднородного распределения механической и тепловой нагрузок по его длине. Это обуславливает неустойчивость резонатора к механическим и тепловым воздействиям, ограничивая тем самым уровень достижимой мощности клистрона.The disadvantages of klystrons with such resonators when used as powerful amplifiers of modulated oscillations of the UHF range are:
1. Low mechanical strength and poor heat dissipation from the inner conductor, as well as the fact that the shape of this conductor is made without taking into account the inhomogeneous distribution of mechanical and thermal loads along its length. This causes the instability of the resonator to mechanical and thermal influences, thereby limiting the level of attainable power of the klystron.

2. При малом укорочении регулярной резонансной линии емкостью двойного зазора, то есть при высоких значениях характеристического сопротивления промежуточного резонатора он помимо основного противофазного вида колебаний с резонансной частотой f₀ может возбуждаться на обертонах, примерно совпадающих с нечетными составляющими спектра гармоник тока модулированного электронного пучка (f₁=3f₀; f₂=5f₀). В результате это приводит к ухудшению качества усиливаемого сигнала, так как на выходе прибора уровни паразитных колебаний в нерабочем диапазоне частот могут превышать определенную норму.2. With a small shortening of the regular resonance line with a double gap capacity, that is, with high values of the characteristic resistance of the intermediate resonator, it can be excited in addition to the main antiphase mode of oscillation with a resonant frequency f ₀ at overtones that approximately coincide with the odd components of the spectrum of current harmonics of the modulated electron beam (f ₁ = 3f ₀ ; f ₂ = 5f ₀ ). As a result, this leads to a deterioration in the quality of the amplified signal, since at the device output, levels of spurious oscillations in the inoperative frequency range can exceed a certain norm.

3. При уменьшении длины резонаторного блока (путем уменьшения высоты резонаторов и сокращении длин пролетных труб) появляется возможность самовозбуждения клистрона за счет положительной обратной связи между каскадами, а также из-за появления отрицательной электронной шунтирующей проводимости, вносимой модулированным электронным пучком в промежуточные резонаторы при малых углах пролета между центрами двух смежных зазоров. 3. When reducing the length of the resonator block (by reducing the height of the resonators and shortening the length of the span tubes), it is possible to self-excite the klystron due to the positive feedback between the cascades, as well as due to the appearance of negative electron shunt conductivity introduced by the modulated electron beam into the intermediate resonators at small corners of flight between the centers of two adjacent gaps.

Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются обеспечение в УВЧ-диапазоне при заданных полосе пропускания и уровне выходной мощности телевизионного клистрона с двухзазорными резонаторами максимального коэффициента усиления на единицу длины прибора с сохранением высокого качества усиливаемого сигнала и устойчивости резонаторов к механическим и тепловым нагрузкам. The tasks to be solved by the claimed invention are aimed at providing in the UHF range for a given passband and output power level of a television klystron with two-gap resonators the maximum gain per unit length of the device while maintaining high quality of the amplified signal and the resonators resistance to mechanical and thermal loads.

Решение указанных задач достигается тем, что телевизионный клистрон, содержащий малогабаритные входной, выходной и промежуточные двухзазорные цилиндрические резонаторы с противофазным видом колебаний, внутренний проводник которых одним концом соединен с корпусом резонатора, а другим - со втулкой, имеющей пролетное отверстие, соосное отверстиям в пролетных трубах, закрепленных на боковых крышках каждого резонатора, выполнен многолитерным с возможностью перекрытия УВЧ телевизионного диапазона частот одной унифицированной конструкцией резонаторной системы, каждый из резонаторов которой имеет внутренний проводник, одна часть которого представляет собой закрепленный на корпусе резонатора массивный электрод, служащий опорой для другой части внутреннего проводника, имеющей вид разомкнутого кольца, расположенного коаксиально втулке и соединенного с ней на свободном конце с помощью радиального стержня, причем высоты резонаторов, их диаметры и размеры отверстий в пролетных трубах для всех литеров выбраны одинаковыми, а величина эффективного характеристического сопротивления выходного резонатора и параметры прибора определяются из следующего соотношения:

где f₀ - нижняя частота полосы усиления прибора, МГц;
ρ - характеристическое сопротивление резонатора на частоте f₀, Ом;
P_w - выходная мощность в режиме усиления синхроимпульса, кВт;
М - коэффициент эффективности взаимодействия;
p_μ - микропервеанс электронного пучка, мкА/В^3/2.The solution of these problems is achieved by the fact that a television klystron containing small-sized input, output and intermediate two-gap cylindrical resonators with an antiphase mode of oscillation, the inner conductor of which is connected at one end to the resonator body and the other with a sleeve having a span hole that is aligned with the openings in the span tubes mounted on the side covers of each resonator is multi-polymer with the possibility of overlapping the UHF television frequency range of one unified design a resonator system, each of the resonators of which has an inner conductor, one part of which is a massive electrode fixed to the resonator body, which serves as a support for the other part of the inner conductor, which has the form of an open ring located coaxially with the sleeve and connected to it at the free end using a radial core, and the heights of the resonators, their diameters and the size of the holes in the span tubes for all letters are chosen the same, and the value of the effective characteristic of the output cavity resonance and device parameters are determined from the following relation:

where f ₀ is the lower frequency of the gain band of the device, MHz;
ρ is the characteristic resistance of the resonator at a frequency f ₀ , Ohm;
P _w - output power in the gain mode of the clock, kW;
M is the coefficient of interaction efficiency;
p _μ - micropervance of the electron beam, μA / B ^3/2 .

Например, при f₀=490 МГц, p_μ=2 мкА/В, Р_w=10 кВт, М=0.75 из этой формулы можно определить минимально допустимую для обеспечения заданной полосы усиления величину характеристического сопротивления выходного резонатора ρ≥350 Ом.For example, at f ₀ = 490 MHz, p _μ = 2 μA / V, P _w = 10 kW, M = 0.75, this formula can be used to determine the minimum value of the characteristic resistance of the output resonator ρ≥350 Ohm to provide a given gain band.

Предложенное техническое решение реализовано рядом оптимальных вариантов. The proposed technical solution is implemented by a number of optimal options.

Вариант 1. Для повышения механической прочности, улучшения теплоотвода от внутреннего проводника и упрощения технологии изготовления прибора опора в промежуточных резонаторах укреплена на одной из боковых крышек и представляет собой отрезок трубы, установленный соосно корпусу, в которой выполнены сквозные пазы таким образом, что оставшаяся часть этой трубы представляет собой сплошное кольцо, составляющее единое целое с продольной частью трубы, разделяющей сплошное и разомкнутые кольца, а опора во входном и выходном резонаторах расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора. Option 1. To increase the mechanical strength, improve heat removal from the inner conductor and simplify the manufacturing technology of the device, the support in the intermediate resonators is mounted on one of the side covers and is a pipe segment mounted coaxially to the body, in which through grooves are made so that the remainder of this the pipe is a continuous ring that is integral with the longitudinal part of the pipe separating the solid and open rings, and the support in the input and output resonators is located It is married in the same plane with an open ring and is fixed on the cylindrical surface of the resonator.

Вариант 2. Опора во входном и выходном резонаторах имеет вид кольцевого сегмента, расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора. Option 2. The support in the input and output resonators has the form of an annular segment, is located in the same plane with an open ring and is mounted on the cylindrical surface of the resonator.

Вариант 3. Для уменьшения эффективности взаимодействия третьей гармоники усиливаемого сигнала на синфазном виде колебаний до допустимых значений, при которых не ухудшится качество выходного сигнала, диаметр резонатора выбирается из условия:
9a<D<0,22λ_мин,
где D - диаметр резонатора, м;
λ_мин - минимальная рабочая длина волны, м;
а - внутренний радиус пролетной трубы, м.Option 3. To reduce the efficiency of interaction of the third harmonic of the amplified signal in the in-phase mode of oscillation to acceptable values at which the quality of the output signal does not deteriorate, the diameter of the resonator is selected from the condition:
9a <D <0.22λ _min ,
where D is the diameter of the resonator, m;
λ _min - the minimum working wavelength, m;
a - inner radius of the span pipe, m

При выполнении правой части неравенства (ограничение сверху) частота синфазного вида колебаний Е₀₁₀ будет более чем в 3,5 раза превышать частоту усиливаемого сигнала и, следовательно, резко упадет эффективность взаимодействия электронов с этим видом колебаний. Ограничение на диаметр резонатора снизу связано с найденным эмпирически условием, при нарушении которого величина характеристического сопротивления резонатора начинает сильно уменьшаться.When the right-hand side of the inequality is fulfilled (upper limit), the frequency of the in-phase mode of oscillations E ₀₁₀ will exceed the frequency of the amplified signal by more than 3.5 times and, consequently, the efficiency of the interaction of electrons with this type of oscillation will drop sharply. The restriction on the bottom diameter of the resonator is related to the empirically found condition, in violation of which the value of the characteristic resistance of the resonator begins to decrease significantly.

Вариант 4. Для получения заданной величины произведения коэффициента усиления клистрона на полосу пропускания и исключения вероятности самовозбуждения клистрона за счет положительной обратной связи между каскадами через отверстия в пролетных трубах, а также из-за появления отрицательной электронной шунтирующей проводимости в промежуточных резонаторах при уменьшении высоты резонаторов и сокращении длин пролетных труб, нами установлено, что минимально допустимая высота резонатора должна удовлетворять следующему соотношению:

где Н - высота резонатора, м;
а - радиус пролетного канала, м;
λ - максимальная рабочая длина волны, м;
U_o - ускоряющее напряжение, В.Option 4. To obtain a given value of the product of the gain of the klystron and the passband and to exclude the probability of self-excitation of the klystron due to the positive feedback between the cascades through the holes in the passage pipes, and also due to the appearance of negative electronic shunt conductivity in the intermediate resonators with a decrease in the height of the resonators and reducing the length of the span pipes, we found that the minimum allowable height of the resonator must satisfy the following ratio:

where H is the height of the resonator, m;
a is the radius of the passage channel, m;
λ is the maximum working wavelength, m;
U _o - accelerating voltage, V.

Например, при λ =0,6383 м (f₀=470 МГц), а=0,0075 м, U_o=10000 В из этой формулы следует, что минимальная высота резонатора Н=0.102м.For example, with λ = 0.6383 m (f ₀ = 470 MHz), a = 0.0075 m, U _o = 10000 V, this formula implies that the minimum cavity height is H = 0.102 m.

В этой формуле учтено, что длина трубы дрейфа между резонаторами выбрана (для исключения электромагнитной связи между каскадами) из условия, что она больше 2 радиусов пролетного канала, а угол пролета полной длины двойного зазора в промежуточных резонаторах выбран в области, соответствующей положительным значениям электронной шунтирующей проводимости. This formula takes into account that the length of the drift tube between the resonators is chosen (to exclude electromagnetic coupling between the cascades) from the condition that it is greater than 2 radii of the passage channel, and the passage angle of the full length of the double gap in the intermediate resonators is selected in the region corresponding to the positive values of the electronic shunt conductivity.

Вариант 5. Для увеличения произведения коэффициента усиления на полосу пропускания клистрона, по крайней мере, в один из резонаторов (например, в выходной) введен дополнительный внутренний проводник, образующий с основным внутренним проводником двухконтурную фильтровую систему. Следует отметить, что этот вариант не исключает такой случай, когда все резонаторы клистрона выполнены в виде фильтровых систем. Option 5. To increase the gain product by the klystron passband, at least one of the resonators (for example, the output one) has an additional internal conductor, which forms a double-circuit filter system with the main internal conductor. It should be noted that this option does not exclude the case when all the klystron resonators are made in the form of filter systems.

Ниже рассматриваются оптимальные варианты конструкции фильтровой системы, образованной основным и дополнительными внутренними проводниками. The following describes the optimal design options for the filter system formed by the primary and secondary internal conductors.

Вариант 6. Опора основного внутреннего проводника имеет вид кольцевого сегмента, расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом и закреплена на цилиндрической поверхности резонатора, а дополнительный внутренний проводник, повторяет по форме основной внутренний проводник промежуточных резонаторов и установлен со смещением по высоте резонатора таким образом, что разомкнутое кольцо дополнительного проводника находится под (над) разомкнутым кольцом основного проводника, при этом дополнительный проводник соединен кондуктивным элементом связи с внешней нагрузкой. Option 6. The support of the main inner conductor has the form of an annular segment, is located in the same plane as the open ring and is mounted on the cylindrical surface of the resonator, and the additional inner conductor repeats the shape of the main inner conductor of the intermediate resonators and is mounted with a displacement along the height of the resonator so that the open ring of the additional conductor is located under (above) the open ring of the main conductor, while the additional conductor is connected by a conductive elec entom connection with the external load.

Вариант 7. Основной и дополнительные внутренние проводники повторяют по форме основной внутренний проводник в промежуточных резонаторах и укреплены на одной из боковых крышек резонатора со смещением в азимутальном и продольном направлениях с возможностью емкостной подстройки, при этом дополнительный проводник соединен кондуктивным элементом связи с внешней нагрузкой. Option 7. The main and additional internal conductors follow the shape of the main internal conductor in the intermediate resonators and are mounted on one of the side covers of the resonator with displacement in the azimuthal and longitudinal directions with the possibility of capacitive adjustment, while the additional conductor is connected by a conductive coupling element with an external load.

Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, обуславливают соответствие этого решения критерию "новизна". The signs that distinguish the claimed solution from the prototype determine the compliance of this solution with the criterion of "novelty."

Авторам не известны технические решения, имеющие совокупность отличительных признаков заявляемого решения, поэтому делаем вывод, что предполагаемое изобретение отвечает критерию "существенные отличия". На фиг.1 изображен продольный разрез телевизионного клистрона, а на фиг.2 и 3 показаны поперечные сечения входного и промежуточных резонаторов. На фиг.4 показано поперечное сечение выходного резонатора, выполненного по варианту 6. На фиг. 5, 6 изображены поперечные сечения выходного резонатора, выполненного по варианту 7. The authors are not aware of technical solutions having a combination of distinctive features of the proposed solution, therefore, we conclude that the alleged invention meets the criterion of "significant differences". Figure 1 shows a longitudinal section of a television klystron, and figure 2 and 3 show the cross-section of the input and intermediate resonators. FIG. 4 shows a cross section of an output resonator according to embodiment 6. FIG. 5, 6 depict cross sections of the output resonator, made according to option 7.

Телевизионный клистрон содержит электронную пушку 1, ввод СВЧ энергии 2, входной 3, промежуточные 4 и выходной 5 двухзазорные резонаторы с противофазным видом колебаний. Корпус каждого из резонаторов имеет вид цилиндра 6 с внутренним диаметром D и высотой Н и закрыт с двух сторон боковыми крышками 7 с пролетными трубами 8, отверстия 9 в которых соосны отверстиям во втулке 10, симметрично расположенной внутри этого корпуса. Высоты резонаторов, их диаметры и размеры отверстий в пролетных трубах для всех литеров выбраны одинаковыми, а величина эффективного характеристического сопротивления выбирается для каждого литера в соответствии с предложенной формулой за счет изменения длины втулки. A television klystron contains an electron gun 1, input of microwave energy 2, input 3, intermediate 4 and output 5 two-gap resonators with antiphase modes of oscillation. The casing of each of the resonators has the form of a cylinder 6 with an inner diameter D and a height H and is closed on both sides by side covers 7 with span tubes 8, the openings 9 of which are aligned with the openings in the sleeve 10 symmetrically located inside this housing. The heights of the resonators, their diameters and the dimensions of the holes in the passage pipes for all letters are chosen the same, and the value of the effective characteristic resistance is selected for each letter in accordance with the proposed formula by changing the length of the sleeve.

Индуктивная часть резонатора образована короткозамкнутым отрезком ступенчато-неоднородной линии, внешним проводником которой является корпус резонатора. Внутренний проводник состоит из двух частей. Одна часть этого проводника представляет собой закрепленный на корпусе резонатора массивный электрод 11, служащий опорой для другой части внутреннего проводника, имеющей вид разомкнутого кольца 12, расположенного коаксиально втулке и соединенного с ней на свободном конце с помощью радиального стержня 13. Настройка резонаторов на заданный литер осуществляется в заводских условиях за счет изменения длины выреза 1 разомкнутого кольца 12. The inductive part of the resonator is formed by a short-circuited segment of a step-inhomogeneous line, the external conductor of which is the resonator body. The inner conductor consists of two parts. One part of this conductor is a massive electrode 11 mounted on the resonator casing, which serves as a support for the other part of the inner conductor, which has the form of an open ring 12, located coaxially with the sleeve and connected to it at the free end using a radial rod 13. The resonators are tuned to a given letter in the factory due to changes in the length of the cutout 1 open ring 12.

Причем опора в промежуточных резонаторах укреплена на одной из боковых крышек и представляет собой отрезок трубы, установленный соосно корпусу, в которой выполнены сквозные пазы таким образом, что оставшаяся часть этой трубы представляет собой сплошное кольцо 14, составляющее единое целое с продольной частью трубы 15, разделяющей сплошное 14 и разомкнутое 12 кольца, а опора 11 во входном 3 и выходном 5 резонаторах расположена в одной плоскости с разомкнутым кольцом 12 и закреплена на цилиндре 6. Moreover, the support in the intermediate resonators is mounted on one of the side covers and is a pipe segment mounted coaxially to the housing, in which through grooves are made in such a way that the remaining part of this pipe is a continuous ring 14, which is integral with the longitudinal part of the pipe 15 separating solid 14 and open 12 rings, and the support 11 in the input 3 and output 5 resonators is located in the same plane as the open ring 12 and is mounted on the cylinder 6.

Для настройки на заданную частоту в пределах одного литера клистрон снабжен емкостными элементами перестройки частоты 16. To tune to a given frequency within one literal, the klystron is equipped with capacitive frequency tuning elements 16.

Устройства связи с вводом 2 и выводом 17 высокочастотной энергии выполнены в виде кондуктивных элементов 18. Коллектор 19 с воздушным охлаждением предназначен для приема отработанного электронного пучка. Communication devices with input 2 and output 17 of high-frequency energy are made in the form of conductive elements 18. The collector 19 with air cooling is designed to receive the spent electron beam.

Для увеличения произведения коэффициента усиления на полосу пропускания в один из резонаторов (как правило, в выходной или входной) введен дополнительный внутренний проводник 20 (фиг. 5, 6), соединенный кондуктивным элементом связи 18 с внешней нагрузкой и образующий с основным внутренним проводником 12 двухконтурную систему с параметрами полосно-пропускающего фильтра. To increase the gain product by the passband, one of the resonators (usually the output or input) has an additional internal conductor 20 (Fig. 5, 6) connected by a conductive coupling element 18 with an external load and forming a two-loop circuit with the main internal conductor 12 a system with bandpass filter parameters.

Устройство работает следующим образом. В отсутствии усиливаемого сигнала электронный пучок, сформированный электронной пушкой 1, последовательно проходит через пролетные отверстия 9, выполненные во втулках 10 и пролетных трубах 8 резонаторов 3, 4, 5, и рассеивается на коллекторе 19. The device operates as follows. In the absence of an amplified signal, the electron beam formed by the electron gun 1 sequentially passes through the passage openings 9 made in the bushings 10 and passage pipes 8 of the resonators 3, 4, 5, and is scattered by the collector 19.

При подаче сигнала через ввод ВЧ-энергии 2 через элемент связи 18 в двойном зазоре входного резонатора 3 с противофазными напряжениями происходит модуляция электронов по скорости, которая затем переходит в пролетных трубах 8 в модуляцию электронов по плотности. Электронные сгустки дополнительно уплотняются, проходя через пространство взаимодействия, образованное последовательностью промежуточных резонаторов и расположенных между ними пролетных труб. When a signal is supplied through the input of RF energy 2 through a coupling element 18 in the double gap of the input resonator 3 with antiphase voltages, the electrons are modulated in speed, which then passes in transit pipes 8 into the modulation of electrons in density. Electronic bunches are additionally compacted, passing through the interaction space formed by a sequence of intermediate resonators and span tubes located between them.

При этом по длине внутренних проводников всех резонаторов наведенные высокочастотные токи максимальны в области короткого замыкания, то есть в месте закрепления на корпусе резонатора массивного электрода 11, и минимальны в месте контакта разомкнутого кольца 12 с радиальным стержнем 13, а также в области контакта этого стержня с втулкой 10. Это обуславливает устойчивость всех резонаторов к механическим и тепловым (электрическим) нагрузкам и повышает уровень достижимой мощности клистрона в непрерывном режиме до 10-15 кВт. Moreover, the induced high-frequency currents are maximum along the length of the internal conductors of all the resonators in the short circuit region, that is, at the place of attachment of the massive electrode 11 on the resonator body, and are minimal at the contact point of the open ring 12 with the radial rod 13, as well as in the contact region of this rod with sleeve 10. This determines the stability of all resonators to mechanical and thermal (electrical) loads and increases the level of achievable klystron power in continuous mode to 10-15 kW.

Решению этой задачи способствует также оптимальная форма внутреннего проводника, выполненного как часть трубы, в которой ее продольная часть 15 и расположенные на ее концах сплошное 14 и разомкнутое 12 кольца составляют единое целое. Отсутствие разрывов во внутреннем проводнике в местах протекания максимальных ВЧ-токов уменьшает электрические потери. The optimal shape of the inner conductor, which is made as part of the pipe, in which its longitudinal part 15 and the continuous 14 and open 12 rings located at its ends make up a single unit, also contributes to the solution of this problem. The absence of ruptures in the inner conductor in the areas where maximum RF currents flow reduces electrical losses.

В процессе взаимодействия в резонаторах 3-5, помимо основного противофазного вида колебаний возбуждаются высшие гармоники, соответствующие синфазному (Е₀₁₀) и противофазному (обертон) видам. Однако их эффективное взаимодействие со второй и третьей гармониками конвекционного тока электронного пучка исключено. Это объясняется тем, что колебательные системы, выполненные на основе ступенчато-неоднородной линии, какими являются резонаторы в предложенной конструкции прибора, обладают фильтрующими свойствами для нечетных гармоник усиливаемого сигнала, то есть имеют закон распределения собственных резонансных частот, отличающийся от закона нормальных чисел, поэтому уровень третьей гармоники на выходе прибора будет на 2-3 порядка меньше, чем на выходе прибора, выбранного за прототип.In the process of interaction in resonators 3-5, in addition to the main antiphase mode of vibration, higher harmonics are excited corresponding to in-phase (E ₀₁₀ ) and antiphase (overtone) types. However, their effective interaction with the second and third harmonics of the convection current of the electron beam is excluded. This is explained by the fact that oscillatory systems based on a stepwise inhomogeneous line, such as the resonators in the proposed device design, have filtering properties for the odd harmonics of the amplified signal, that is, they have a law of distribution of natural resonance frequencies that differs from the law of normal numbers, therefore, the level the third harmonic at the output of the device will be 2-3 orders of magnitude smaller than at the output of the device selected for the prototype.

Уменьшенный диаметр резонатора, минимально возможное значение которого выбрано из условия D<0,22λ_мин, позволяет сместить вверх частоту синфазного вида колебаний до значения 3.5 f₀ и тем самым, обеспечивается выведение этого паразитного вида колебаний из зоны возможного взаимодействия с электронным пучком.The reduced diameter of the resonator, the minimum possible value of which is selected from the condition D <0.22λ _min , allows you to shift up the frequency of the in-phase mode of vibration to a value of 3.5 f ₀ and thereby, this parasitic mode of vibration can be removed from the zone of possible interaction with the electron beam.

Настройки на заданную рабочую частоту полосы пропускания в пределах одного литера осуществляются механическим путем с помощью емкостных элементов перестройки частоты 16. Settings for a given working frequency of the passband within the same literal are carried out mechanically using capacitive frequency tuning elements 16.

Если угол пролета полной длины двойного зазора в промежуточных резонаторах выбран из известного условия, что активная шунтирующая проводимость, вносимая модулированным электронным пучком, положительна, то на вывод энергии 17 через кондуктивный элемент связи 18 усиливаемый сигнал проходит без искажений, так как условия самовозбуждения этих резонаторов не выполняются. Неизрасходованная часть энергии электронного пучка рассеивается в виде тепла на коллекторе 19, имеющем принудительное воздушное охлаждение. If the angle of flight of the full length of the double gap in the intermediate resonators is selected from the well-known condition that the active shunt conductivity introduced by the modulated electron beam is positive, then the output of the energy 17 through the conductive coupling element 18 passes without distortion, since the self-excitation conditions of these resonators are not are being implemented. The unspent part of the energy of the electron beam is dissipated in the form of heat on the collector 19 having forced air cooling.

Формирование амплитудно-частотной характеристики клистрона при уровнях выходного сигнала (от "белого" до "черного") осуществляется резонаторами группирователя (входной и промежуточные резонаторы) и выходного резонаторов, оптимизированных по комплексу основных параметров (в том числе по параметру ρМ²).The amplitude-frequency characteristics of the klystron are formed at the output signal levels (from white to black) by grouping resonators (input and intermediate resonators) and output resonators optimized for a set of basic parameters (including ρМ ² parameter).

Регулировка связи между резонансными контурами фильтра осуществляется смещением внутренних проводников 12 и 20 в азимутальном и продольном направлениях с целью обеспечения максимальной полосы пропускания при минимальной неравномерности частотной характеристики. The adjustment of the connection between the resonant circuits of the filter is carried out by shifting the internal conductors 12 and 20 in the azimuthal and longitudinal directions in order to ensure maximum bandwidth with minimal uneven frequency response.

Вследствие оптимально выбранных эффективного характеристического сопротивления выходного резонатора и микропервеанса электронного пучка (определенных согласно основной формуле настоящего изобретения) телевизионный многолитерный клистрон с двухзазорными резонаторами обеспечивает в УВЧ-диапазоне при заданных полосе пропускания и уровне выходной мощности максимальный коэффициент усиления на единицу длины прибора. Due to the optimally selected effective characteristic resistance of the output resonator and the electron beam micropervance (determined according to the main formula of the present invention), a multi-polymer klystron with double-gap resonators provides in the UHF range for a given passband and output power level the maximum gain per unit length of the device.

Прибор обеспечивает в единой унифицированной конструкции получение на всех литерах (от 470...790 МГц) выходной мощности не менее 9 кВт с коэффициентом усиления не менее 40 дБ при полной длине резонаторного блока, не превышающей 0.5 м, и диаметре резонаторов, не превышающим 0.12 м. Кроме того, прибор обеспечивает высокое качество усиливаемого сигнала и устойчивость резонаторов к механическим и тепловым нагрузкам. The device provides, in a single unified design, obtaining on all letters (from 470 ... 790 MHz) an output power of at least 9 kW with a gain of at least 40 dB with a total length of the resonator block not exceeding 0.5 m and a diameter of resonators not exceeding 0.12 m. In addition, the device provides high quality amplified signal and the resistance of the resonators to mechanical and thermal loads.

Таким образом, задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, решены. Thus, the tasks to be solved by the claimed invention is directed, are solved.

Конструкция прибора относительно проста, технологична, обеспечивает достижение высокой повторяемости геометрических размеров резонаторов и их настройку на заданный литер. Это позволяет снизить трудоемкость и стоимость работ на изготовление прибора в целом, что важно в условиях серийного производства. The design of the device is relatively simple, technologically advanced, ensures the achievement of high repeatability of the geometric dimensions of the resonators and their tuning to a given character. This allows you to reduce the complexity and cost of work on the manufacture of the device as a whole, which is important in the conditions of mass production.

Claims

1. A television klystron containing inlet, outlet, and intermediate two-gap cylindrical resonators with an antiphase mode of oscillation, the inner conductor of which is connected to the resonator body at one end and with a sleeve having a span hole coaxial with openings in the span tubes fixed to the side covers each resonator, characterized in that each of the klystron resonators has an internal conductor, one part of which is a massive electrode fixed to the resonator body, tinning support for another part of the inner conductor, having the form of an open ring, located coaxially with the sleeve and connected to it at the free end using a radial rod, and the heights of the resonators, their diameters and the dimensions of the holes in the span tubes for all letters of the frequency range are chosen the same, and the value effective characteristic resistance of the output cavity and the parameters of the device are determined from the following relationship:

2. The television klystron according to claim 1, characterized in that the support in all the intermediate resonators is mounted on one of the side covers and is a pipe segment mounted coaxially with the housing, in which through grooves are made so that the remaining part of this pipe is a continuous ring that is integral with the longitudinal part of the pipe separating the continuous and open rings.

3. The television klystron according to claim 1, characterized in that the support in the input and output resonators has the form of an annular segment, is located in the same plane with an open ring and is mounted on the cylindrical surface of the resonator.

4. Television klystron under item 1, characterized in that the diameter of the resonator is selected from the condition
9a <D <0.22 λ _min ,
where D is the diameter of the resonator, m;
λ _min - the minimum working wavelength, m;
a - inner radius of the span pipe, m

5. The television klystron according to claim 1, characterized in that the minimum permissible cavity height satisfies the relation

6. The television klystron according to claim 1, characterized in that at least one of the resonators introduced an additional inner conductor, forming with the main inner conductor a 2-circuit filter system.

7. The television klystron according to claim 1, 2, or 6, characterized in that the support of the main inner conductor has the form of an annular segment, is located in the same plane as the open ring and is mounted on the cylindrical surface of the resonator, and the additional inner conductor repeats in shape the main the inner conductor of the intermediate resonators and is mounted with a displacement along the height of the resonator so that the open ring of the additional conductor is located under the open ring of the main conductor or above it, When this additional conductor is connected to conductive element due to an external load.

8. The television klystron according to claim 1, or 2, or 6, characterized in that the main and additional internal conductors repeat the shape of the main internal conductor in the intermediate resonators and are mounted on one of the side covers of the resonator with displacement in the azimuthal and longitudinal directions with the possibility capacitive tuning of the additional resonant conductor, while the additional conductor is connected by a conductive communication element with an external load.