RU2656707C1 - Klystron type electrovacuum microwave master oscillator - Google Patents
Klystron type electrovacuum microwave master oscillator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2656707C1 RU2656707C1 RU2016150008A RU2016150008A RU2656707C1 RU 2656707 C1 RU2656707 C1 RU 2656707C1 RU 2016150008 A RU2016150008 A RU 2016150008A RU 2016150008 A RU2016150008 A RU 2016150008A RU 2656707 C1 RU2656707 C1 RU 2656707C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electron
- resonant structure
- klystron
- span
- klystrons
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
- H01J23/005—Cooling methods or arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
- H01J25/22—Reflex klystrons, i.e. tubes having one or more resonators, with a single reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the modulator zone
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам генерирования электрических колебаний с использованием изменения времени пролета электронов, а именно к автогенераторным электровакуумным микроволновым приборам клистронного типа, применяемым в качестве источников электромагнитных колебаний в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн. Работа автогенераторных микроволновых приборов клистронного типа (как усилителей, так и генераторов) основана на принципе скоростной модуляции (то-есть, - изменении времени пролета электронов), которая происходит в зазорах резонаторов под действием продольного ВЧ-поля с частотой, соответствующей частоте входного сигнала.The invention relates to devices for generating electrical oscillations using a change in the time of flight of electrons, and in particular to self-generating electro-vacuum microwave devices of a klystron type, used as sources of electromagnetic waves in the ranges of millimeter and submillimeter wavelengths. The operation of klystron type self-generating microwave devices (both amplifiers and generators) is based on the principle of high-speed modulation (that is, a change in the time of flight of electrons), which occurs in the gaps of the resonators under the action of a longitudinal RF field with a frequency corresponding to the frequency of the input signal.
Дальнейшее движение модулированного по скорости электронного пучка в трубах дрейфа приводит к группировке электронов в сгустки и появлению и росту переменной составляющей конвекционного тока. Для передачи энергии от модулированного по плотности электронного потока электромагнитному полю выходного резонатора сгустки электронов должны проходить зазор этого резонатора в максимуме тормозящего полупериода ВЧ напряжения Наличие цепи положительной обратной связи создает возможность для возбуждения устойчивых колебаний без воздействия внешнего сигнала.Further motion of the electron beam modulated by velocity in the drift tubes leads to the grouping of electrons into bunches and the appearance and growth of an alternating component of convection current. To transfer energy from the electron resonator output field modulated by the electron flux density to the electromagnetic field, electron bunches must pass the gap of this resonator at the maximum of the decelerating half-period of the RF voltage. The presence of a positive feedback circuit makes it possible to excite stable oscillations without an external signal.
Выходной сигнал, проходя через цепь положительной обратной связи, сдвигается по фазе на угол ϕ. Проходя через клистронный усилитель, этот сигнал сдвигается на тот же угол и возвращается на выход этого усилителя в той же фазе, в какой начинался цикл прохождения сигнала по петле ПОС. Это условие называют балансом фаз. Кроме того, сигнал, проходя по цепи ПОС, ослабляется с помощью аттенюатора в К раз, а проходя через усилитель, увеличивается в К раз, и приходит на выход усилителя с той же самой амплитудой. Это условие называют балансом амплитуд.The output signal, passing through the positive feedback circuit, is phase shifted by an angle ϕ. Passing through the klystron amplifier, this signal is shifted by the same angle and returns to the output of this amplifier in the same phase as the cycle of signal passage through the POS loop began. This condition is called phase balance. In addition, the signal passing through the PIC circuit is attenuated by an attenuator by a factor of K, and passing through an amplifier, increases by a factor of K, and arrives at the amplifier output with the same amplitude. This condition is called amplitude balance.
Конструктивно клистронный автогенератор (КАГ) обычно содержит однолучевую электронно-оптическую систему (ЭОС), двухрезонаторную резонансную структуру, высокочастотные зазоры в которой образованы между торцевыми частями пролетных труб, укрепленных на боковых крышках резонаторов, а также цепь положительной обратной связи, состоящую из ввода и вывода энергии, соединенных передающими трактами с аттенюатором и фазовращателем. Пучок электронов в клистронных генераторах, построенных по классической кольцевой схеме, формируется с помощью термоэмиссионных катодов. (Ю.А. Кацман. Приборы сверхвысоких частот. М. - Высшая школа. - 1973 [1], И.В. Лебедев. Техника и приборы сверхвысоких частот. М. - Высшая школа. - 1972 [2]).Structurally, a klystron oscillator (KAG) usually contains a single-beam electron-optical system (EOS), a two-cavity resonant structure, high-frequency gaps in which are formed between the end parts of the span tubes mounted on the side covers of the resonators, as well as a positive feedback circuit consisting of input and output energy connected by transmitting paths with an attenuator and a phase shifter. The electron beam in klystron generators constructed according to the classical ring scheme is formed using thermionic cathodes. (Yu.A. Katsman. Microwave instruments. M. - Higher school. - 1973 [1], IV Lebedev. Technique and microwave instruments. M. - Higher school. - 1972 [2]).
Известен, например, многорезонаторный клистронный автогенератор с цепью положительной обратной связью, содержащей последовательно включенные аттенюатор и фазовращатель, соединенные коаксиальными линиями передачи с вводом и выводом энергии клистрона (Б.С. Дмитриев, Ю.Д. Жарков, Д.В. Клокотов, Н.М. Рыскин. Экспериментальное исследование сложной динамики в многорезонаторном клистронном автогенераторе с запаздывающей обратной связью. ЖТФ. - 2003. - Том 73. - Вып. 7. - Стр. 105-110). В этом приборе, наблюдаются режимы стационарной одночастотной генерации в случае, когда ток пучка превышает порог самовозбуждения. Недостатком такой схемы КАГ является большая величина стартового тока.Known, for example, is a multi-cavity klystron oscillator with a positive feedback circuit containing sequentially connected attenuator and phase shifter connected by coaxial transmission lines with input and output of klystron energy (B. S. Dmitriev, Yu.D. Zharkov, D.V. Klokotov, N .M. Ryskin. Experimental study of complex dynamics in a multi-resonator klystron oscillator with delayed feedback. ZhTF. - 2003. - Volume 73. -
Известен также двухкаскадный клистронный автогенератор, состоящей из двух последовательно соединенных многорезонаторных клистронов, когда выход каждого парциального клистрона соединен через цепь обратной связи с входом другого, т.е. соединение клистронов в каскад последовательное [Б.С. Дмитриев, Ю.Д. Жарков, В.Н. Скороходов, П.Ю. Семеновых, А.А. Бирюков / Каскадный клистронный автогенератор с запаздыванием // ЖТФ. 2005. Т. 75. Вып. 12. С. 94-97]. В этом устройстве удается реализовать значительно меньший пусковой ток и больший уровень выходной мощности.Also known is a two-stage klystron oscillator, consisting of two series-connected multi-cavity klystrons, when the output of each partial klystron is connected through the feedback circuit to the input of the other, i.e. the connection of klystrons into a cascade is sequential [B.S. Dmitriev, Yu.D. Zharkov, V.N. Skorokhodov, P.Yu. Semenovs, A.A. Biryukov / Cascade klystron oscillator with delay // ZhTF. 2005.V. 75. Issue. 12. S. 94-97]. In this device, it is possible to realize a significantly lower inrush current and a higher level of output power.
Однако такой каскадный клистронный автогенератор, из-за большого числа резонаторов, имеет большие габариты и массу. Кроме того, его конструкцию сложно реализовать в коротковолновой части микроволнового диапазона.However, such a cascade klystron oscillator, due to the large number of resonators, has large dimensions and mass. In addition, its design is difficult to implement in the short-wave part of the microwave range.
Можно упростить конструкцию прибора, используя схему двухрезонаторного клистрона. Однако это требует значительного увеличения тока электронного потока, что может быть достигнуто путем использования в таких КАГ электронно-оптических систем (ЭОС) с пространственно-развитыми электронными потоками (например, полыми или многолучевыми).It is possible to simplify the design of the device using the two-cavity klystron circuit. However, this requires a significant increase in the electron flux current, which can be achieved by using electron-optical systems (EOS) in spatially developed electron-beam systems with spatially developed electron fluxes (for example, hollow or multipath).
Известен, например, электровакуумный микроволновый автогенератор клистронного типа, содержащий два однозазорных тороидальных резонатора, в которых возбуждается E020 вид колебаний (патент №2000-0039545 Ким, Hyung - Сек),. Резонаторы выполнены с возможностью пропускания через них однонаправленного электронного потока кольцевого сечения и электромагнитно соединены между собой с помощью разомкнутого отрезка коаксиальной линии, установленного по центру этих резонаторов. Отрезок коаксиального кабеля выполняет функцию внешней цепи обратной связи, обеспечивающей выполнение амплитудного и фазового условий самовозбуждения клистрона.Known, for example, is a klystron type electric vacuum microwave oscillator containing two single-gap toroidal resonators in which the E type of oscillations is excited by E 020 (patent Kim 2000, Hyung Sec) ,. The resonators are made with the possibility of passing through them a unidirectional electron stream of circular cross section and are electromagnetically interconnected using an open segment of a coaxial line mounted in the center of these resonators. A piece of coaxial cable performs the function of an external feedback circuit, ensuring the fulfillment of the amplitude and phase conditions of self-excitation of the klystron.
Применение полого пучка позволяет уменьшить его сопротивление по постоянному току и, тем самым, уменьшить величину стартового тока, а также увеличить уровень выходной мощности. Конструктивное размещение цепи обратной связи внутри резонансной системы упрощает конструкцию прибора. В таком устройстве использованы однозазорные тороидальные полые резонаторы, работающие на виде E020. Однако они имеют более низкое характеристическое сопротивление, чем обычные однозазорные резонаторы, работающие на виде E010. Так что рост КПД и уровня выходной мощности при их использовании в конструкции КАГ невелик. Кроме того, источником электронов в КАГ являются громоздкие термоэмиссионные катоды, не позволяющие получить большую плотность тока в пучке из-за ограниченных размеров площади эмиссионной поверхности катодов.The use of a hollow beam makes it possible to reduce its direct current resistance and, thereby, reduce the magnitude of the starting current, as well as increase the level of output power. The structural arrangement of the feedback circuit inside the resonant system simplifies the design of the device. In such a device, single-gap toroidal hollow resonators operating on the form of E 020 are used . However, they have a lower characteristic resistance than conventional single-gap resonators operating in the form of E 010 . So the increase in efficiency and the level of output power when used in the design of the KAG is small. In addition, bulky thermionic cathodes, which do not allow obtaining a high current density in the beam due to the limited size of the area of the emission surface of the cathodes, are the source of electrons in the CAG.
В связи с появлением матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК), появляется возможность создания миниатюрных КАГ с резонаторами, изготавливаемыми в едином технологическом цикле с МАЭК [Analysis of the possibility of performing microminiature low-voltage electronic devices for vacuum millimeter-wavelength integral circuits / Yu.V. Gulyaev et al. // - Proc. from the Int. Conf. on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications. - San-Diego, Calif., USA. - 1994. - pp. 159-165.].In connection with the advent of matrix field emission cathodes (MAEC), it becomes possible to create miniature QAGs with resonators manufactured in a single technological cycle with MAEC [Analysis of the possibility of performing microminiature low-voltage electronic devices for vacuum millimeter-wavelength integral circuits / Yu.V . Gulyaev et al. // - Proc. from the Int. Conf. on Millimeter and Submillimeter Waves and Applications. - San-Diego, Calif., USA. - 1994 .-- pp. 159-165.].
Известен, например, микроволновый электровакуумный генератор с отражением электронного потока (В.А. Царев, Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко. Патент №2485618. РФ, МПК7 H01J 25/20. Заявл. 23.12.2011; опубл. 20.06.2013). Этот автогенератор содержит автоэмиссионный источник первичных электронов в виде отдельных матриц, управляющую сетку с функцией умножителя-концентратора электронов, первую и вторую мелкоструктурную сетки, которые расположены в продольном направлении по ходу движения электронов и образуют емкостный зазор объемного резонатора. Для создания внутренней положительной обратной связи в этом генераторе используется интенсивный отраженный электронный поток, формирование которого производится с помощью отражателя, содержащего на его поверхности источник вторичных электронов в виде тонкой пленки материала с большим коэффициентом вторично-электронной эмиссии.Known, for example, is a microwave electrovacuum generator with reflection of an electron beam (V. A. Tsarev, N. A. Akafiev, A. Yu. Miroshnichenko. Patent No. 2485618. RF, IPC7 H01J 25/20. Declared December 23, 2011; publ. 06/20/2013). This autogenerator contains a field emission source of primary electrons in the form of separate matrices, a control grid with the function of an electron multiplier-concentrator, the first and second fine-structure grids, which are located in the longitudinal direction along the direction of the electrons and form the capacitive gap of the cavity resonator. To create internal positive feedback, this generator uses an intense reflected electron flux, the formation of which is carried out using a reflector containing a source of secondary electrons on its surface in the form of a thin film of material with a large coefficient of secondary electron emission.
Однако такой генератор, несмотря на свою простоту, не позволяет получить КПД более 2%.However, such a generator, despite its simplicity, does not allow to obtain an efficiency of more than 2%.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухкаскадный электровакуумный микроволновый автогенератор (MILLIMETER/SUBMILLIMETER WAVE GENERATOR, патент KR №100656090000), который состоит из, по крайней мере, двух пролетных двухрезонаторных клистронов, охваченных цепью положительной внешней обратной связи, реализуемой за счет того, что вывод энергии выходного однозазорного резонатора первого клистрона соединен с вводом энергии входного однозазорного резонатора второго клистрона, а вывод энергии второго клистрона соединен с вводом энергии первого клистрона, причем электронно-оптические системы, содержащие каждая источник электронов, торцевые пролетные трубы, укрепленные на боковых крышках резонаторов, анод и коллектор, которые подключены к источнику ускоряющего напряжения и выполнены с возможностью пропускания через парциальные клистроны электронных пучков в противоположных направлениях. Возможны также варианты конструкции этого устройства, когда множество подобных по конструкции генераторов симметрично расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения встречных электронных потоков, обеспечивая суммарное сложение мощностей. Это устройство было выбрано в качестве прототипа для настоящего изобретения.Closest to the proposed device is a two-stage electro-vacuum microwave oscillator (MILLIMETER / SUBMILLIMETER WAVE GENERATOR, patent KR No. 100656090000), which consists of at least two span two-cavity klystrons, covered by a positive external feedback circuit, realized due to the fact that the energy of the output single-gap resonator of the first klystron is connected to the input of energy of the input single-gap resonator of the second klystron, and the output of energy of the second klystron is connected to the input of energy of the first ISTRON, wherein the electron-optical system, each containing an electron source end of the pipe span, reinforced on the side covers resonators, an anode and a collector which are connected to the source of the accelerating voltage and configured to pass through the partial klystrons electron beams in opposite directions. Variants of the design of this device are also possible, when many similar in design generators are symmetrically located in a plane perpendicular to the direction of motion of the oncoming electron flows, providing a total power addition. This device was selected as a prototype for the present invention.
Однако в таком устройстве при реализации генераторного режима работы необходимо обеспечить передачу части генерируемой в выходном резонаторе мощности в соответствующий входной резонатор с помощью отверстий связи в стенках соседних резонаторов. Наличие этих элементов в цепи положительной обратной связи вносит дополнительные потери, которые увеличиваются с ростом частоты и с увеличением уровня передаваемой мощности. Выходная мощность генерируемого сигнала в таких устройствах ограничена использованием в их резонансной системе однозазорных резонаторов, электродинамические параметры которых (собственная добротность, характеристическое сопротивление, контурный КПД) резко ухудшаются в миллиметровом диапазоне длин волн (А.Д. Григорьев «Многозазорные резонаторы для мощных усилительных клистронов миллиметрового диапазона длин волн»). Кроме того, из-за малых размеров резонаторов, возникают большие технологические трудности их изготовления обычными методами механической обработки материалов.However, in such a device, when the generator operating mode is implemented, it is necessary to transfer part of the power generated in the output resonator to the corresponding input resonator using the communication holes in the walls of adjacent resonators. The presence of these elements in the positive feedback circuit introduces additional losses that increase with increasing frequency and with increasing level of transmitted power. The output power of the generated signal in such devices is limited by the use of single-gap resonators in their resonant system, the electrodynamic parameters of which (intrinsic Q factor, characteristic resistance, loop efficiency) sharply worsen in the millimeter wavelength range (AD Grigoryev “Multi-gap resonators for powerful millimeter-wave amplification klystrons wavelength range ”). In addition, due to the small size of the resonators, there are great technological difficulties in their manufacture by conventional methods of machining materials.
Техническая задача состоит в совершенствовании конструкции электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа для существенного повышения уровня генерируемой им выходной высокочастотной мощности и улучшения массо-габаритных характеристик.The technical task is to improve the design of the klystron type electric vacuum microwave oscillator to significantly increase the level of the high-frequency output power generated by it and to improve the mass-dimensional characteristics.
Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является повышение электронного КПД и мощности генерируемого излучения электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного при его работе в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн.The expected technical result of the proposed solution is to increase the electronic efficiency and the generated radiation power of the klystron microwave electric oscillator during its operation in the ranges of millimeter and submillimeter wavelengths.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного клистронного генератора, который состоит из, по крайней мере, двух пролетных клистронов с резонансной структурой, помещенной в экранированный корпус, имеющей цепь положительной обратной связи, и электронно-оптическими системами, выполненными с возможностью пропускания через них электронных пучков в противоположных направлениях и содержащими каждая источник электронов, анод, торцевые пролетные трубы, укрепленные на боковых крышках резонаторов и коллектор, подключенные к источнику ускоряющего напряжения.The technical result is achieved in that, in contrast to the known klystron generator, which consists of at least two span klystrons with a resonant structure placed in a shielded case with a positive feedback circuit, and electron-optical systems configured to pass through electron beams in opposite directions and containing each electron source, anode, end span tubes mounted on the side caps of the resonators and a collector are connected to the source of the accelerating voltage.
Клистроны выполнены в едином вакуумном объеме, резонансная структура выполнена общей для всех клистронов и состоит, по крайней мере, из двух, помещенных в общем металлизированном корпусе и встречно включенных высокодобротных полосковых резонансных линий, размещенных каждая на подвешенной керамической подложке, установленной перпендикулярно направлению движения электронных пучков, причем внутренние проводники каждой полосковой линии соединены соответственно с двумя центральными пролетными трубами, установленными на одной оси с торцевыми пролетными трубами так, что одна из центральных пролетных труб находится вблизи разомкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии, а другая - расположена вблизи короткозамкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии, причем между концевыми частями центральных пролетных труб и торцевых пролетных труб образованы N (где, N>2) высокочастотных зазоров, а параметры резонаторов, источника электронов, анода и коллектора согласованы с параметрами источника ускоряющего напряжения и выбраны таким образом, что функцию цепи положительной обратной связи выполняют встречно направленные электронные пучки. Число зазоров может варьироваться от 3 до 5, Причем большее число зазоров выбирается для субмиллиметрового диапазона длин волн.The klystrons are made in a single vacuum volume, the resonant structure is common for all klystrons and consists of at least two high-quality strip resonance lines placed in a common metallized case and counter-turned on, placed each on a suspended ceramic substrate mounted perpendicular to the direction of motion of the electron beams moreover, the inner conductors of each strip line are connected respectively to two central span tubes mounted on the same axis as the torus central span pipes so that one of the central span pipes is near the open end of the corresponding strip resonance line, and the other is located near the short-circuited end of the corresponding strip resonance line, and N (where, N> are formed between the end parts of the central span pipes and end span pipes 2) high-frequency gaps, and the parameters of the resonators, electron source, anode and collector are consistent with the parameters of the accelerating voltage source and are selected in such a way that The function of the positive feedback circuit is performed by counter-directed electron beams. The number of gaps can vary from 3 to 5, and a larger number of gaps is selected for the submillimeter wavelength range.
Для образования внутренней положительной обратной связи параметры резонансной структуры выбраны из следующих оптимальных соотношений:For the formation of internal positive feedback, the parameters of the resonance structure are selected from the following optimal ratios:
a≈7,45⋅106/ƒ+10-4, a ≈ 7.45⋅10 6 / ƒ + 10 -4 ,
d/a=1.4;d / a = 1.4;
L/a=5;L / a = 5;
γ(d+L)=K⋅(0.107⋅N+11.76),γ (d + L) = K⋅ (0.107⋅N + 11.76),
где d - длины высокочастотных зазоров, м; a - радиус пролетных труб, м; L - длины центральных пролетных труб, м, γ=(βe 2-k2)1/2 - радиальное волновое число, βe=ω/V0 - электронная постоянная распространения; k=ω/c - волновое число; ω=2πƒ - угловая частота; ƒ - собственная частота; 
Одним из оптимальных вариантов реализации внутренней положительной обратной связи резонансной структуры, при ее работе на противофазном виде колебаний, является выбор ее параметров из следующего соотношения:One of the optimal options for implementing the internal positive feedback of the resonant structure, when it is operating in the antiphase mode of oscillations, is to select its parameters from the following relation:
K=0.73÷0.75.K = 0.73 ÷ 0.75.
Другим оптимальным вариантом реализации внутренней положительной обратной связи резонансной структуры, при ее работе на синфазном виде колебаний, является выбор ее параметров из следующего соотношения:Another optimal option for the implementation of the internal positive feedback of the resonant structure, when it operates on the in-phase mode of oscillations, is the choice of its parameters from the following relation:
K=0.98÷1.0.K = 0.98 ÷ 1.0.
В предлагаемом устройстве, как и в прототипе, возможен вариант использования в миллиметровом диапазоне длин волн источника электронов в виде термонакального катода.In the proposed device, as well as in the prototype, it is possible to use an electron source in the form of a thermally shielded cathode in the millimeter wavelength range.
Однако в субмиллиметровом диапазоне в предлагаемом устройстве в качестве оптимального варианта предлагается использование в качестве источника электронов матричных автоэмиссионных катодов, не требующих накала и позволяющих получать высокие плотности тока в пучках.However, in the submillimeter range in the proposed device, the use of matrix field emission cathodes, which do not require heating and allow obtaining high current densities in the beams, is proposed as the best option as an electron source.
Для повышения уровня выходной мощности предлагается также выполнение предлагаемого электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа таким, что множество подобных по конструкции генераторов симметрично расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения встречных электронных потоков и включены по схеме сложения мощностей.To increase the level of output power, it is also proposed to carry out the proposed klystron type electric vacuum self-oscillator in such a way that many similar design generators are symmetrically located in a plane perpendicular to the direction of movement of the oncoming electron flows and included in the power addition scheme.
Увеличение числа высокочастотных зазоров, по сравнению с прототипом, позволяет повысить характеристическое сопротивление резонатора пропорционально числу зазоров.The increase in the number of high-frequency gaps, compared with the prototype, allows to increase the characteristic resistance of the resonator in proportion to the number of gaps.
Возросшие электродинамические параметры многозазорной резонансной структуры позволяют за счет оптимального выбора геометрии и размеров катода, анода, резонаторов и труб дрейфа резонансной структуры и согласования их с уровнем питающего напряжения обеспечить реализацию положительной обратной связи непосредственно через электронные пучки. Последнее обстоятельство снимает необходимость в организации искусственной внешней цепи ОС и существенно упрощает конструкцию автогенератора клистронного типа.The increased electrodynamic parameters of the multi-gap resonant structure, due to the optimal choice of the geometry and dimensions of the cathode, anode, resonators and drift tubes of the resonant structure and matching them with the supply voltage level, provide positive feedback directly through electron beams. The latter circumstance removes the need to organize an artificial external circuit of the OS and significantly simplifies the design of a klystron type oscillator.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа, на фиг. 2 - форма резонансного полоскового элемента, размещенного на подвешенной керамической подложке; на фиг. 3 - зависимости коэффициента взаимодействия высокочастотного поля с электронным потоком M и относительной электронной проводимости Ge/G0 для противофазного и синфазного видов колебаний при разном числе высокочастотных зазоров, где G0 - проводимость электронного потока по постоянному току.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the design of a klystron type microwave electric oscillator; FIG. 2 - the shape of the resonant strip element placed on a suspended ceramic substrate; in FIG. 3 - dependences of the coefficient of interaction of the high-frequency field with the electron flux M and the relative electronic conductivity G e / G 0 for the out-of-phase and common-mode modes of oscillation for different numbers of high-frequency gaps, where G 0 is the direct current conductivity of the electron flux.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - источник электронов, 2 - анод, 3 - торцевая пролетная труба, 4 - боковые крышки резонансной структуры, 5 - коллектор, 6 - источник высокого напряжения, 7 - внутренний проводник полосковой резонансной линии, 8 - общий диэлектрический корпус, 9 - металлизированное покрытие, 10 - подвешенная керамическая подложка, 11 - центральные пролетные трубы, 12 - высокочастотные зазоры.The positions in the drawings indicate: 1 - electron source, 2 - anode, 3 - end span tube, 4 - side covers of the resonant structure, 5 - collector, 6 - high voltage source, 7 - internal conductor of the strip resonance line, 8 - common dielectric body , 9 - metallized coating, 10 - suspended ceramic substrate, 11 - central span pipes, 12 - high-frequency gaps.
Электровакуумный микроволновый автогенератор клистронного типа состоит из, по крайней мере, двух пролетных клистронов с резонансной структурой, электронно-оптической системой и цепью положительной обратной связи, каждый из которых содержит источник электронов 1, анод 2, торцевые пролетные трубы 3, которые закреплены на боковых крышках 4 резонансной структуры и коллектор 5, подключенные к источнику высокого напряжения 6.The klystron type microwave vacuum oscillator consists of at least two span klystrons with a resonant structure, an electron-optical system and a positive feedback circuit, each of which contains an
Согласно изобретению, пролетные клистроны конструктивно выполнены в едином вакуумном объеме, а резонансная структура является общей для всех клистронов. Резонансная структура состоит, по крайней мере, из двух, встречно включенных высокодобротных полосковых резонансных линий 7, помещенных в общем диэлектрическом корпусе 8 с металлизированным покрытием 9 и, размещенных каждая на подвешенной керамической подложке 10, установленной перпендикулярно направлению движения электронных пучков. Внутренние проводники каждой полосковой резонансной линии 7 соединены соответственно с двумя центральными пролетными трубами 11, установленными на одной оси с торцевыми пролетными трубами 3 так, что одна из центральных пролетных труб 11 находится вблизи разомкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии, а другая - расположена вблизи короткозамкнутого конца соответствующей полосковой резонансной линии. Это обеспечивает одинаковые условия взаимодействия на противофазном виде колебаний для пучков, движущихся во встречных направлениях. Выполнение резонансной структуры с внутренними проводниками в виде высокодобротных полосковых резонансных линий, размещенных на подвешенных керамических подложках, позволяет миниатюризировать устройство и упростить технологию его изготовления, например с помощью фотолитографического процесса.According to the invention, flying klystrons are structurally made in a single vacuum volume, and the resonant structure is common to all klystrons. The resonance structure consists of at least two high-quality
Между концевыми частями центральных пролетных труб 11 и торцевых пролетных труб 3 образованы N высокочастотных зазоров 12 (где N>2). Параметры источника электронов 1, анода 2 и коллектора 5 согласованы с параметрами источника высокого напряжения 6 и выбраны таким образом, что функцию цепи положительной обратной связи выполняют встречно направленные электронные пучки, а параметры резонансной структуры выбраны из следующих соотношений:Between the end parts of the
где d - длины высокочастотных зазоров, м; a - радиус пролетных труб, м; L - длины центральных пролетных труб, м, γ=(βe 2-k2)1/2 - радиальное волновое число, βe=ω/V0 - электронная постоянная распространения; k=ω/c - волновое число; ω=2πƒ - угловая частота; ƒ - собственная частота; 
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Под действием ускоряющего напряжения, приложенного между источником электронов 1 и анодом 2, подключенных к источнику высокого напряжения 6 происходит электронная эмиссия электронов, формирование и дальнейшее движение электронных пучков в противоположных направлениях.Under the action of an accelerating voltage applied between the
Первоначально модуляция электронов по скорости и по плотности в пучках отсутствует. Электронный поток, проходя через высокочастотные зазоры резонансной структуры начинает взаимодействовать с продольной составляющей высокочастотного электрического поля, появляющегося в резонансной структуре за счет наличия в электронном потоке шумовых колебаний. В результате происходит процесс скоростной модуляции, который приводит к модуляции электронов по плотности, то есть к появлению сгустков электронов, которые при выполнении условия баланса фаз, определяемого выше упомянутыми условиями, поступают в выходной высокочастотный зазор с частотой, соответствующей частоте входного сигнала в ускоряющую фазу высокочастотного поля. В результате образуется внутренняя положительная обратная связь, в результате которой электроны отдают свою энергию высокочастотному полю резонаторной структуры. Индикатором этого процесса является уменьшение коэффициента эффективности взаимодействия M и появление отрицательной электронной проводимости Ge, которая при условии выполнения баланса амплитуд, компенсирует резистивные потери в резонансной структуре, что приводит к появлению автоколебаний в общей колебательной системе.Initially, the modulation of electrons in speed and density in the beams is absent. The electron flux passing through the high-frequency gaps of the resonant structure begins to interact with the longitudinal component of the high-frequency electric field that appears in the resonant structure due to the presence of noise vibrations in the electronic flux. As a result, a high-speed modulation process occurs, which leads to electron density modulation, that is, to the appearance of electron clusters, which, when the phase balance condition defined by the above conditions is met, enter the output high-frequency gap with a frequency corresponding to the frequency of the input signal in the accelerating phase of the high-frequency fields. As a result, an internal positive feedback is formed, as a result of which the electrons give their energy to the high-frequency field of the resonator structure. An indicator of this process is a decrease in the interaction efficiency coefficient M and the appearance of negative electron conductivity Ge, which, provided that the amplitude balance is fulfilled, compensates for resistive losses in the resonance structure, which leads to the appearance of self-oscillations in the general oscillatory system.
Наличие цепи внутренней положительной обратной связи создает возможность для возбуждения устойчивых автоколебаний без воздействия внешнего сигнала.The presence of an internal positive feedback circuit makes it possible to excite stable self-oscillations without the influence of an external signal.
В предлагаемой резонансной структуре, в которой между концевыми частями центральных пролетных труб 11 и торцевых пролетных труб 3 образованы N высокочастотных зазоров, возможно возбуждение разных резонансных мод. Но наилучшие условия для самовозбуждения реализуются только для двух видов: основного (противофазного вида колебаний электрического поля в высокочастотных зазорах) и одного из высших видов (синфазный вид). Так как эти виды колебаний имеют наиболее высокие значения характеристического сопротивления. Противофазный режим работы может быть рекомендован для работы в миллиметровом диапазоне длин волн, а более высоковольтный - синфазный - для работы в субмиллиметровом диапазоне.In the proposed resonant structure, in which N high-frequency gaps are formed between the end parts of the
Режим генерации поясняется на фиг. 3, где приведены зависимости коэффициента взаимодействия и относительной электронной проводимости для противофазного и синфазного видов колебаний.The generation mode is illustrated in FIG. 3, where the dependences of the interaction coefficient and relative electronic conductivity for antiphase and in-phase modes of vibration are given.
За счет использования в приборе многозазорной резонансной структуры с высокими электродинамическими параметрами выходная мощность и кпд электровакуумного микроволнового автогенератора клистронного типа увеличиваются, а массогабаритные характеристики уменьшаются при его работе в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых длин волн.Due to the use of a multi-gap resonant structure with high electrodynamic parameters in the device, the output power and efficiency of the klystron type electro-vacuum microwave oscillator are increased, and the mass-dimensional characteristics are reduced during its operation in the ranges of millimeter and submillimeter wavelengths.
Приведем параметры оптимальной конструкции прибора, рассчитанной для получения устойчивой генерации (Фиг. 3).We give the parameters of the optimal design of the device, calculated to obtain stable generation (Fig. 3).
Пусть частота генерации f=95 ГГц. Число зазоров 3. Вид колебаний - противофазный (К=0,73-0,75).Let the generation frequency f = 95 GHz. The number of
Рассчитаем радиус пролетного канала по эмпирической формуле (4), которая позволяет выбрать этот параметр, исходя из возможности технической реализации прибора при заданной частоте генерацииWe calculate the radius of the passage channel according to the empirical formula (4), which allows you to choose this parameter based on the possibility of technical implementation of the device at a given generation frequency
a≈7,45⋅106/(95⋅109)+10-4=1.78⋅10-4, м a ≈ 7.45⋅10 6 / (95⋅10 9 ) +10 -4 = 1.78⋅10 -4 , m
Рассчитаем длину высокочастотных зазоров по оптимальному соотношению (2), при котором распределение ВЧ поля в бессеточном зазоре наиболее равномерно.We calculate the length of the high-frequency gaps from the optimal relation (2), in which the distribution of the rf field in the meshless gap is most uniform.
d=1.4а=1.4*1.78*10-4=2.5*10-4 м.d = 1.4a = 1.4 * 1.78 * 10 -4 = 2.5 * 10 -4 m.
Определим длины центральных пролетных труб L по соотношению (3), при котором ВЧ поля в смежных зазорах не перекрывают друг друга, то есть осуществляется наиболее эффективная скоростная модуляцияLet us determine the lengths of the central span tubes L by relation (3), at which the RF fields in adjacent gaps do not overlap, i.e., the most effective high-speed modulation is performed
L=5*a=5*1.78*10-4=9*10-4 м.L = 5 * a = 5 * 1.78 * 10 -4 = 9 * 10 -4 m.
Определим оптимальный угол пролетаDetermine the optimal angle of flight
γ(d+L)=K⋅(0.107⋅N+11.76)γ (d + L) = K⋅ (0.107⋅N + 11.76)
0.73*(0.107*3+11.76)=8.81 rad0.73 * (0.107 * 3 + 11.76) = 8.81 rad
0.75*(0.107*3+11.76)=9.14 rad0.75 * (0.107 * 3 + 11.76) = 9.14 rad
Обращаясь к фиг. 3 видим, что это соответствует области, при которой относительная электронная проводимость отрицательна, а коэффициент взаимодействия находится в области приемлемых для миллиметрового диапазона длин волн значений.Turning to FIG. 3 we see that this corresponds to the region in which the relative electronic conductivity is negative, and the interaction coefficient is in the range of values acceptable for the millimeter wavelength range.
Аналогичные расчеты можно провести и для синфазного вида колебаний.Similar calculations can be performed for the in-phase mode of oscillations.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016150008A RU2656707C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Klystron type electrovacuum microwave master oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016150008A RU2656707C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Klystron type electrovacuum microwave master oscillator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2656707C1 true RU2656707C1 (en) | 2018-06-06 |
Family
ID=62560488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016150008A RU2656707C1 (en) | 2016-12-19 | 2016-12-19 | Klystron type electrovacuum microwave master oscillator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2656707C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3487336A (en) * | 1966-11-07 | 1969-12-30 | Trw Inc | Ferrimagnetic microwave generator or amplifier |
| RU2084042C1 (en) * | 1994-06-29 | 1997-07-10 | Саратовский государственный технический университет | Reflection oscillator |
| US7671687B2 (en) * | 2003-06-23 | 2010-03-02 | Lechevalier Robert E | Electron beam RF amplifier and emitter |
| WO2011016885A1 (en) * | 2009-08-03 | 2011-02-10 | David Schulte | Power generator |
| RU2485618C1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина" (СГТУ имени Ю.А. Гагарина) | Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection |
-
2016
- 2016-12-19 RU RU2016150008A patent/RU2656707C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3487336A (en) * | 1966-11-07 | 1969-12-30 | Trw Inc | Ferrimagnetic microwave generator or amplifier |
| RU2084042C1 (en) * | 1994-06-29 | 1997-07-10 | Саратовский государственный технический университет | Reflection oscillator |
| US7671687B2 (en) * | 2003-06-23 | 2010-03-02 | Lechevalier Robert E | Electron beam RF amplifier and emitter |
| WO2011016885A1 (en) * | 2009-08-03 | 2011-02-10 | David Schulte | Power generator |
| RU2485618C1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-06-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина" (СГТУ имени Ю.А. Гагарина) | Microwave electrovacuum generator with electron stream reflection |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2880355A (en) | Backward flow travelling wave oscillators | |
| US2888597A (en) | Travelling wave oscillator tubes | |
| Ishihara et al. | Highly efficient operation of space harmonic peniotron at cyclotron high harmonics | |
| Lin et al. | A 0.3 THz multi-beam extended interaction klystron based on TM 10, 1, 0 mode coaxial coupled cavity | |
| Chong et al. | Nonlinear analysis of high-harmonic slotted gyro-TWT amplifier | |
| US2843791A (en) | Traveling wave tube | |
| RU2656707C1 (en) | Klystron type electrovacuum microwave master oscillator | |
| RU2390870C1 (en) | Microwave klystron-type device (versions) | |
| Migliore et al. | Novel configuration for a C-band axial vircator with high output power | |
| Tsarev et al. | 3-D evaluation of energy extraction in multitube double-gap resonator installed downstream of a multibeam klystron | |
| Warnecke et al. | Some recent work in France on new types of valves for the highest radio frequencies | |
| RU2516874C1 (en) | Travelling-wave tube | |
| RU2396632C1 (en) | Klystron generator | |
| RU2342733C1 (en) | Device for voltage electric pulses generation | |
| US4742271A (en) | Radial-gain/axial-gain crossed-field amplifier (radaxtron) | |
| US2820170A (en) | Spatial harmonic traveling wave tube | |
| US3192430A (en) | Microwave amplifier for electromagnetic wave energy incorporating a fast and slow wave traveling wave resonator | |
| RU2612028C1 (en) | Electrovacuum microwave device | |
| Enderby | Ring-plane traveling-wave amplifier: 40 KW at 9 MM | |
| RU2280293C2 (en) | Sector klystron (alternatives) | |
| RU2723439C9 (en) | Klystron | |
| RU2474914C1 (en) | Powerful microwave generator of monotron type | |
| Gholamrezaei et al. | $\infty $-Shaped (Lemniscatical) Helix Slow-Wave Structure (LH-SWS) for High-Power Traveling-Wave Tubes | |
| US3054018A (en) | Traveling wave amplifier tube | |
| US3383545A (en) | Supported drift tube klystron |