RU2714508C1 - Miniature multi-beam klystron - Google Patents
Miniature multi-beam klystron Download PDFInfo
- Publication number
- RU2714508C1 RU2714508C1 RU2019121595A RU2019121595A RU2714508C1 RU 2714508 C1 RU2714508 C1 RU 2714508C1 RU 2019121595 A RU2019121595 A RU 2019121595A RU 2019121595 A RU2019121595 A RU 2019121595A RU 2714508 C1 RU2714508 C1 RU 2714508C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- resonator
- tuning
- resonators
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
Landscapes
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к миниатюрным многолучевым клистронам, используемым в качестве усилителей мощности электромагнитных волн коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов длин волн в передатчиках радиолокационных станций, системах связи и в источниках СВЧ-мощности, а также в другой радиотехнической аппаратуре, работающей в импульсном или в квазиимпульсном режимах.The invention relates to miniature multipath klystrons used as power amplifiers for electromagnetic waves of the shortwave part of the centimeter and longwave parts of the millimeter wavelength ranges in radar transmitters, communication systems and in microwave power sources, as well as in other electronic equipment operating in pulsed or in quasi-pulse modes.
Основной проблемой при создании многолучевых клистронных СВЧ-усилителей является получение максимально широкой полосы усиления при заданном уровне выходной мощности, низких питающих напряжениях и минимальной массе и габаритах.The main problem in creating multi-beam klystron microwave amplifiers is to obtain the widest possible gain band at a given level of output power, low supply voltages, and minimum weight and dimensions.
Расширение полосы усиливаемых частот обычно достигается использованием в выходной цепи клистронов пассивных резонаторов [Авторское свидетельство SU 880158 А1, опубл. 07.03.1992], образующих единую фильтровую систему с выходным активным однозазорным или двухзазорным резонатором [Патент США 3484861 А, опубл. 16.12.1969], [Патент США 3299312 А, опубл. 17.01.1967].The expansion of the band of amplified frequencies is usually achieved by using passive resonators in the output klystron circuit [Copyright certificate SU 880158 A1, publ. 03/07/1992], forming a single filter system with an output active single-gap or double-gap resonator [US Patent 3484861 A, publ. 12.16.1969], [US Patent 3,299,312 A, publ. 01/17/1967].
Например, переход к двухконтурной фильтровой системе увеличивает относительную полосу частот на уровне 1 дБ в 2,4 раза, а к трехконтурной - в 2,8 раза [Пасманник В.И. Системы связанных контуров. М.: Физматлит., 2005]. Однако конструктивная и технологическая сложность при изготовлении такой системы в многолучевом клистроне значительно возрастают.For example, the transition to a two-loop filter system increases the relative frequency band at the level of 1 dB by 2.4 times, and to a three-loop filter - by 2.8 times [Pasmannik V.I. Connected loop systems. M .: Fizmatlit., 2005]. However, the structural and technological complexity in the manufacture of such a system in a multipath klystron significantly increase.
Известен однолучевой клистрон [Патент США 3375397, опубл. 26.03.1968 г.], в резонаторную систему которого, состоящую из набора однозазорных резонаторов, с целью увеличения полосы усиления и КПД при сохранении габаритов и массы введена прямая электромагнитная связь между предвыходным и выходным активными резонаторами с помощью аксиально-симметричного элемента связи, выполненного в общей для обоих резонаторов стенке. За счет такого элемента электромагнитной связи в полосе пропускания резонансной системы возбуждаются две близко расположенные моды, соответствующие синфазному и противофазному видам колебаний высокочастотного электрического поля в двойном зазоре. Причем для взаимодействия с электронным потоком, как правило, используется синфазный (2π) вид колебаний. Выбор оптимального угла пролета между центрами зазоров осуществляется из условий достижения максимального значения эффективного характеристического сопротивления ρМ2 (где ρ=R/Q0 - характеристическое сопротивление на основном виде колебаний, М - коэффициент эффективности взаимодействия) и отсутствия паразитного самовозбуждения на неосновном виде колебаний. Для выполнения последнего условия возникает необходимость принудительного снижения добротности резонанса на π-виде колебаний, так как связь нерабочего вида с выходным трактом становится малой и его нагруженная добротность стремится к собственной. Снизить добротность можно, например, путем размещения поглощающей керамики в области резонатора. Однако это вызывает значительные конструктивные и технологические проблемы при создании многолучевого прибора, предназначенного для работы на крайне высоких частотах.Known single-beam klystron [US Patent 3375397, publ. 03/26/1968], in the resonator system of which, consisting of a set of single-gap resonators, in order to increase the gain band and efficiency while maintaining the dimensions and mass, a direct electromagnetic coupling was introduced between the output and output active resonators using an axially symmetric coupling element made in a common wall for both resonators. Due to such an element of electromagnetic coupling in the passband of the resonance system, two closely spaced modes are excited corresponding to in-phase and out-of-phase modes of high-frequency electric field oscillations in the double gap. Moreover, in order to interact with the electron beam, as a rule, the in-phase (2π) mode of vibration is used. The optimal angle of flight between the centers of the gaps is selected from the conditions for achieving the maximum value of the effective characteristic resistance ρМ 2 (where ρ = R / Q 0 is the characteristic resistance in the main mode of vibration, M is the coefficient of interaction efficiency) and the absence of spurious self-excitation in the non-main mode of vibration. To fulfill the latter condition, it becomes necessary to forcefully reduce the quality factor of the resonance on the π-type of oscillations, since the connection between the inoperative type and the output path becomes small and its loaded quality factor tends to its own. The quality factor can be reduced, for example, by placing absorbing ceramics in the resonator region. However, this causes significant structural and technological problems when creating a multi-beam device designed to operate at extremely high frequencies.
Известна также конструкция мощного однолучевого клистрона S-диапазона, в которой два связанных активных однозазорных резонатора (выходной и предвыходной) использовались как элементы фильтровой системы [Z. Zhang, В. Shen, X. Yu, F. Zhu, Y. Han, Y. Huang, F. Zhang Development of an S-band 22-kW-averadge-power-klystron with 7.14% relative bandwidth. //IEEE Transaction on Electron Devices. 2011. Vol. 58, No. 8, pp. 2789]. Для получения симметричной амплитудно-частотной характеристики предвыходной резонатор настраивался на более высокую частоту, чем выходной резонатор.The construction of a powerful single-beam S-band klystron is also known, in which two coupled active single-gap resonators (output and pre-output) were used as elements of a filter system [Z. Zhang, B. Shen, X. Yu, F. Zhu, Y. Han, Y. Huang, F. Zhang Development of an S-band 22-kW-averadge-power-klystron with 7.14% relative bandwidth. // IEEE Transaction on Electron Devices. 2011. Vol. 58, No. 8, pp. 2789]. To obtain a symmetric amplitude-frequency characteristic, the pre-output cavity was tuned to a higher frequency than the output cavity.
Однако в этой конструкции так же, как и в предыдущем аналоге, возникает необходимость подавления паразитного самовозбуждения путем принудительного снижения добротности нерабочей моды колебаний, не используемой для взаимодействия с электронами.However, in this design, as well as in the previous analogue, there is a need to suppress spurious self-excitation by forcibly reducing the quality factor of an inoperative mode of vibration, which is not used for interaction with electrons.
Известна конструкция многолучевого миниатюрного низковольтного клистрона 2-х сантиметрового диапазона длин волн, в которой использован традиционный для клистронов способ расширения полосы усиливаемых частот, основанный на использовании в выходной цепи клистронов пассивного резонатора, образующего единую фильтровую систему с выходным активным двухзазорным резонатором [Востров М.С. Широкополосный миниатюрный многолучевой клистрон 2-см диапазона длин волн с полосой рабочих частот не менее 300 МГц и неравномерностью выходной мощности не более 1,5 дБ //Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2018: материалы 13-й междунар. науч.-техн. конф., г. Саратов, 27-28 сент. 2018 г. - Т. 1. С. 232-237].A well-known design of a multi-beam miniature low-voltage klystron of 2 cm wavelength range, which uses the traditional method for klystrons to expand the band of amplified frequencies, based on the use of a passive resonator in the output klystron circuit, forming a single filter system with an output active two-gap resonator [Vostrov M.S. . Broadband miniature multi-beam klystron of 2 cm wavelength range with a working frequency band of at least 300 MHz and uneven output power of not more than 1.5 dB // Actual problems of electronic instrumentation APEP - 2018: materials of the 13th international scientific and technical conf., Saratov, September 27-28. 2018 - T. 1. S. 232-237].
С целью обеспечения полосы пропускания выходной резонансной системы не менее 300 МГц в качестве активного выходного резонатора в клистроне применен двухзазорный резонатор, работающий на первой пространственной гармонике синфазного вида колебаний. Он имеет высоту 3,4 мм и угол пролета между зазорами 5,6 радиан.In order to provide a passband of the output resonant system of at least 300 MHz, a double-gap resonator operating at the first spatial harmonic of the in-phase mode of vibration is used as an active output resonator in the klystron. It has a height of 3.4 mm and an angle of passage between the clearances of 5.6 radians.
Однако возможности дальнейшего повышения рабочей частоты до 35-40 ГГц при сохранении выходной импульсной мощности, полосы усиливаемых частот, малых габаритов и массы прибора практически исчерпаны. Это связано с тем, что с ростом частоты из-за уменьшения размеров резонаторов резко падает эффективное характеристическое сопротивление выходного двухзазорного резонатора ρМ2 и уменьшается его устойчивость к тепловым нагрузкам. Кроме того, для сохранения полосы усиления на уровне 300 МГц необходимо увеличивать число пассивных резонаторов. При этом ухудшаются массогабаритные характеристики клистрона, а технологические трудности изготовления такой резонансной системы, резко возрастающие при переходе в миллиметровый диапазон, обуславливают низкий процент выхода годных приборов и их высокую стоимость. Также в сложной системе последовательно связанных одного активного и нескольких пассивных резонаторов фильтровой системы трудно обеспечить минимальный перепад коэффициента передачи СВЧ-мощности из активного выходного резонатора в выходной тракт в широкой полосе частот.However, the possibility of further increasing the operating frequency to 35-40 GHz while maintaining the output pulse power, the band of amplified frequencies, small dimensions and mass of the device is almost exhausted. This is due to the fact that with an increase in the frequency due to a decrease in the size of the resonators, the effective characteristic resistance of the output double-gap resonator ρМ 2 sharply decreases and its resistance to thermal loads decreases. In addition, in order to maintain the gain band at 300 MHz, it is necessary to increase the number of passive resonators. At the same time, the mass and size characteristics of the klystron deteriorate, and the technological difficulties in manufacturing such a resonant system, which increase sharply when moving into the millimeter range, cause a low percentage of suitable devices and their high cost. Also, in a complex system of one active and several passive resonators of the filter system connected in series, it is difficult to ensure a minimum difference in the microwave power transfer coefficient from the active output resonator to the output path in a wide frequency band.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является конструкция широкополосного многолучевого клистрона с многозвенной фильтровой системой [Патент РФ №2645298, опубл. 20.02.2018].Closest to the claimed invention is the design of a broadband multi-beam klystron with a multi-link filter system [RF Patent No. 2645298, publ. 02/20/2018].
Клистрон предназначен для работы в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов. Он содержит электронную пушку, коллектор и расположенную между ними электродинамическую систему, включающую промежуточные резонаторы, входной и выходной активные резонаторы с узлами ввода и вывода СВЧ-энергии, в состав которых входят: вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, состоящие из круглых диэлектрических стержней и диафрагм, в которых выполнены щели связи пассивных резонаторов с выходным и входным активными резонаторами; отрезки входного и выходного прямоугольных волноводов с пассивными резонаторами в виде настроечных штырей, выполненных с возможностью изменения их длины, а также с настроечными волноводными диафрагмами, по крайней мере одна из которых расположена между первым настроечным штырем, находящимся в непосредственной близости от торцевой части диэлектрического стержня, и последующими настроечными штырями.The klystron is designed to operate in the shortwave of the centimeter and longwave of the millimeter range. It contains an electron gun, a collector, and an electrodynamic system located between them, including intermediate resonators, input and output active resonators with microwave energy input and output nodes, which include: vacuum-tight dielectric microwave windows, consisting of round dielectric rods and diaphragms in which slots for coupling passive resonators with output and input active resonators are made; segments of the input and output rectangular waveguides with passive resonators in the form of tuning pins made with the possibility of changing their length, as well as with tuning waveguide diaphragms, at least one of which is located between the first tuning pin located in the immediate vicinity of the end part of the dielectric rod, and subsequent tuning pins.
Изменение длины первого настроечного штыря позволяет настроить прямоугольный волновод с диэлектрической неоднородностью на резонансную частоту активного выходного резонатора или с заданной отстройкой от этой частоты. Однако в таком приборе трудно обеспечить без применения дополнительных пассивных резонаторов минимальный перепад коэффициента передачи СВЧ-мощности из входного тракта во входной активный резонатор и из выходного активного резонатора в выходной тракт в широкой полосе частот клистрона. Кроме того, достижение в Ku-диапазоне полосы усиливаемых частот более 1,5% при уровне выходной импульсной мощности более 500 Вт затруднено из-за малого эффективного характеристического сопротивления ρМ2 выходного активного однозазорного резонатора (порядка 15-20 Ом).Changing the length of the first tuning pin allows you to configure a rectangular waveguide with a dielectric inhomogeneity to the resonant frequency of the active output resonator or with a given offset from this frequency. However, in such a device, it is difficult to ensure, without the use of additional passive resonators, the minimum difference in the microwave power transfer coefficient from the input path to the input active resonator and from the output active resonator to the output path in a wide klystron frequency band. In addition, achieving a band of amplified frequencies in the Ku band of more than 1.5% at an output pulse power level of more than 500 W is difficult due to the small effective characteristic resistance ρМ 2 of the output active single-gap resonator (of the order of 15–20 Ω).
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение полосы усиления низковольтного многолучевого широкополосного клистрона без увеличения габаритов и массы его входной и выходной резонаторных систем при сохранении уровня выходной мощности, повышение надежности и качества радиосвязи при сохранении тепловой устойчивости резонаторного блока.The technical result of the present invention is to expand the gain band of a low-voltage multipath broadband klystron without increasing the size and mass of its input and output resonator systems while maintaining the output power level, increasing the reliability and quality of radio communications while maintaining the thermal stability of the resonator block.
Технический результат достигается тем, что в миниатюрном многолучевом клистроне, предназначенном для работы в коротковолновой части сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, содержащем электронную пушку, коллектор и расположенную между ними электродинамическую систему, включающую промежуточные резонаторы, входной и выходной активные резонаторы с узлами ввода и вывода СВЧ-энергии, в состав которых входят вакуумно-плотные диэлектрические СВЧ-окна, состоящие из круглых диэлектрических стержней и выходной диафрагмы с щелями связи. При этом миниатюрный многолучевой клистрон также содержит отрезки входного и выходного прямоугольных волноводов с пассивными резонаторами в виде настроечных штырей, выполненных с возможностью изменения их длины, а также с настроечными волноводными диафрагмами, по крайней мере одна из которых расположена между первым настроечным штырем, находящимся в непосредственной близости от торцевой части диэлектрического стержня, и последующими настроечными штырями, настроечные волноводные диафрагмы выполнены в виде пластин, изогнутых в средней их части в сторону диэлектрических стержней под углом 45÷50 градусов, а щель связи, по крайней мере в выводе СВЧ энергии, выполнена так, что поперечные размеры этой щели выбраны из условия обеспечения дополнительной электромагнитной связи между выходным активным резонатором и предвыходным промежуточным резонатором, причем расстояние между центрами зазоров этих резонаторов S и максимальный продольный размер щели Lmax в диафрагме выбраны из следующих соотношений:The technical result is achieved by the fact that in a miniature multipath klystron designed to operate in the short-wavelength part of the centimeter and long-wavelength parts of the millimeter ranges, containing an electron gun, a collector and an electrodynamic system located between them, including intermediate resonators, input and output active resonators with input and output nodes Microwave energy, which includes vacuum-tight dielectric microwave windows, consisting of round dielectric rods and output diaphragm Agma with communication slots. Moreover, the miniature multipath klystron also contains segments of the input and output rectangular waveguides with passive resonators in the form of tuning pins made with the possibility of changing their length, as well as with tuning waveguide diaphragms, at least one of which is located between the first tuning pin located in the immediate proximity to the end part of the dielectric rod, and subsequent tuning pins, tuning waveguide diaphragms are made in the form of plates curved in the middle its parts to the side of the dielectric rods at an angle of 45 ÷ 50 degrees, and the coupling gap, at least in the output of microwave energy, is made so that the transverse dimensions of this gap are selected from the condition of providing additional electromagnetic coupling between the output active resonator and the pre-output intermediate resonator, and the distance between the centers of the gaps of these resonators S and the maximum longitudinal size of the slit L max in the diaphragm are selected from the following relations:
где R - радиус диэлектрического стержня, м; d - длина зазора, м; - длина пролетной трубы, м; βе=2πƒ0/ν0 - постоянная распространения электронного потока, ƒ0 - центральная частота полосы усиления, Гц; ν0 - скорость электронного потока, м/с.where R is the radius of the dielectric rod, m; d is the length of the gap, m; - the length of the span pipe, m; β e = 2πƒ 0 / ν 0 is the propagation constant of the electron beam, ƒ 0 is the center frequency of the gain band, Hz; ν 0 - electron flow velocity, m / s.
Другим отличием от прототипа является то, что ширина щели связи имеет разную форму на различных расстояниях от центра выходного резонатора, так что в области, примыкающей к центру зазора предвыходного резонатора, она имеет форму эллипса, большая ось которого ориентирована в перпендикулярном направлении по отношению к линии, проходящей через центры зазоров, а в области, примыкающей к центру зазора выходного резонатора, щель имеет форму прямоугольника, вертикальная сторона которого равна расстоянию между фокусами эллипса; причем размеры эллипса выбраны из следующих соотношений:Another difference from the prototype is that the width of the coupling slit has a different shape at different distances from the center of the output resonator, so that in the region adjacent to the center of the gap of the output cavity, it has the shape of an ellipse, the large axis of which is oriented in the perpendicular direction with respect to the line passing through the centers of the gaps, and in the region adjacent to the center of the gap of the output cavity, the slit has the shape of a rectangle, the vertical side of which is equal to the distance between the foci of the ellipse; and the dimensions of the ellipse are selected from the following relationships:
где b - большая полуось эллипса, a - малая полуось, с - половина фокусного расстояния.where b is the semimajor axis of the ellipse, a is the semimajor axis, c is half the focal length.
Следующим отличием от прототипа является то, что резонансная частота предвыходного промежуточного резонатора f5 выбрана выше на 3-4% по частоте, чем частота выходного активного резонатора f6; резонансная частота настроечной волноводной диафрагмы соответствует частоте fн нижнего края полосы пропускания, а резонансная частота диэлектрического стержня fc находится на склоне левой ветви амплитудно-частотной характеристики.Another difference from the prototype is that the resonant frequency of the pre-output intermediate resonator f 5 is selected higher by 3-4% in frequency than the frequency of the output active resonator f 6 ; the resonant frequency of the tuning waveguide diaphragm corresponds to the frequency f n the lower edge of the passband, and the resonant frequency of the dielectric rod f c is located on the slope of the left branch of the amplitude-frequency characteristic.
Указанные существенные признаки отличают заявляемое решение от прототипа и обусловливают соответствие этого решения критерию «новизна».These essential features distinguish the claimed solution from the prototype and determine the compliance of this solution with the criterion of "novelty."
Предлагаемое изобретение позволяет при работе в Ku- диапазоне примерно в два раза расширить широкую полосу усиливаемых частот без увеличения габаритов и массы его входной и выходной резонаторных систем при сохранении уровня выходной мощности и тепловой устойчивости резонаторного блока.The present invention allows, when working in the Ku-range, to approximately double the wide band of amplified frequencies without increasing the size and mass of its input and output resonator systems while maintaining the level of output power and thermal stability of the resonator block.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведен общий вид многолучевого клистрона. На фиг. 2а изображено поперечное сечение выходной части клистрона с новой конфигурацией настроечной волноводной диафрагмы. На фиг. 2б показан внешний вид вакуумно-плотных диэлектрических СВЧ-окон с отрезками входного и выходного прямоугольных волноводов. На фиг. 3а показан внешний вид выходной диафрагмы, а на фиг. 3б изображена форма поперечного сечения щелей связи в этой диафрагме и ее характерные размеры. Зависимости коэффициента взаимодействия М и относительной электронной проводимости Ge/Go от угла пролета между центрами зазоров выходного и предвыходного резонаторов приведены на фиг. 4. На этом рисунке показаны оптимальные области выбора углов пролета соответственно для I и II (рабочая область) пространственных гармоник.The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a General view of the multipath klystron. In FIG. 2a shows a cross section of the output part of the klystron with a new configuration of the tuning waveguide diaphragm. In FIG. 2b shows the appearance of vacuum-tight dielectric microwave windows with segments of the input and output rectangular waveguides. In FIG. 3a shows the appearance of the output diaphragm, and FIG. 3b shows the cross-sectional shape of the communication slots in this diaphragm and its characteristic dimensions. The dependences of the interaction coefficient M and the relative electron conductivity Ge / Go on the angle of flight between the centers of the gaps of the output and pre-output cavities are shown in FIG. 4. This figure shows the optimal span selection angles for I and II (work area) spatial harmonics, respectively.
На фиг. 5 приведена экспериментально полученная на этапе «холодных» измерений амплитудно-частотная характеристика выходной резонансной системы, подтверждающая расширение полосы усиления. На фиг. 6 показаны экспериментально измеренные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) прибора: 1 - АЧХ прибора без цепочки пассивных резонаторов в случае отсутствия электромагнитной связи между выходным активным и предвыходным промежуточным резонаторами; 2 - АЧХ прибора с многозвенной фильтровой системой на выходе прибора при наличии электромагнитной связи между выходным активным и предвыходным промежуточным резонаторами (резонансная частота диэлектрического стержня fc находится на склоне левой ветви амплитудно-частотной характеристики); 3 - АЧХ прибора с многозвенной фильтровой системой на выходе прибора при наличии электромагнитной связи между выходным активным и предвыходным промежуточным резонаторами (резонансная частота диэлектрического стержня fc находится в центре амплитудно-частотной характеристики).In FIG. Figure 5 shows the amplitude-frequency characteristic of the output resonance system experimentally obtained at the stage of “cold” measurements, confirming the expansion of the gain band. In FIG. 6 shows the experimentally measured amplitude-frequency characteristics (AFC) of the device: 1 - AFC of the device without a chain of passive resonators in the absence of electromagnetic coupling between the output active and pre-output intermediate resonators; 2 - frequency response of the device with a multi-link filter system at the output of the device in the presence of electromagnetic coupling between the output active and the output intermediate resonators (the resonant frequency of the dielectric rod f c is on the slope of the left branch of the amplitude-frequency characteristic); 3 - frequency response of the device with a multi-link filter system at the output of the device in the presence of electromagnetic coupling between the output active and pre-output intermediate resonators (the resonant frequency of the dielectric rod f c is in the center of the amplitude-frequency characteristic).
Позициями на фиг. 1, фиг. 2 а-б, фиг. 3 а-б, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 обозначены:With reference to FIG. 1, FIG. 2 a-b, FIG. 3 a-b, FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6 are indicated:
1 - электронная пушка;1 - electron gun;
2 - коллектор;2 - collector;
3 - промежуточные резонаторы;3 - intermediate resonators;
4 - входной активный резонатор;4 - input active resonator;
5 - выходной активный резонатор;5 - output active resonator;
6 - узел ввода СВЧ энергии;6 - node input microwave energy;
7 - узел вывода СВЧ энергии;7 - node output microwave energy;
8 - круглый диэлектрический стержень;8 - round dielectric rod;
9 - выходная диафрагма;9 - output aperture;
10 - щель связи входного активного резонатора;10 - coupling gap of the input active resonator;
11 - щель связи выходного активного резонатора;11 - coupling gap of the output active resonator;
12 - входной прямоугольный волновод;12 - input rectangular waveguide;
13 - выходной прямоугольный волновод;13 - output rectangular waveguide;
14 - пассивные резонаторы в виде настроечных штырей;14 - passive resonators in the form of tuning pins;
15 - настроечные волноводные диафрагмы;15 - tuning waveguide diaphragms;
16 - первый настроечный штырь.16 - the first tuning pin.
Работа миниатюрного многолучевого клистрона осуществляется следующим образом. С помощью электронной пушки (1) под воздействием ускоряющего напряжения формируется многолучевой электронный поток, который пропускается через каналы для пролета электронных лучей, выполненные во входном (4), промежуточных (3) и выходном (4) активных резонаторах. После прохождения резонаторов электронные лучи рассеиваются на коллекторе (2).The operation of the miniature multipath klystron is as follows. Using an electron gun (1), under the influence of an accelerating voltage, a multipath electron beam is formed, which is passed through channels for the passage of electron beams made in the input (4), intermediate (3) and output (4) active resonators. After the passage of the resonators, the electron beams are scattered on the collector (2).
Входной СВЧ-сигнал подается в отрезок прямоугольного волновода (12), входящего в состав узла ввода энергии (6), и возбуждает в нем электромагнитное поле волны типа Н10, которое, в свою очередь, возбуждает многозвенную широкополосную фильтровую систему, состоящую из пассивных резонаторов в виде настроечной волноводной диафрагмы 15 и первого настроечного штыря 16, образующего вместе с круглым диэлектрическим стержнем 8 перестраиваемый металло-диэлектрический резонатор, резонансная частота которого fc настраивается на склон левой ветви амплитудно-частотной характеристики.The input microwave signal is supplied to a segment of a rectangular waveguide (12), which is part of the energy input unit (6), and excites in it an electromagnetic field of an H 10 type wave, which, in turn, excites a multi-link broadband filter system consisting of passive resonators in the form of a
Возбуждение активного входного резонатора происходит через щель связи 10, обеспечивающую дополнительную электромагнитную связь между входным активным резонатором и вторым промежуточным резонатором. Ширина щели связи имеет разную форму на различных расстояниях от центра входного резонатора. В области второго резонатора она расширяется. При этом нагруженная добротность второго резонатора уменьшается и становится примерно равной добротности входного активного резонатора, связанного с нагрузкой.The excitation of the active input resonator occurs through a
Расстояние между центрами зазоров этих резонаторов выбирают из условия отсутствия самовозбуждения, что соответствует положительным значениям относительной электронной проводимости Ge/Go (фиг. 4).The distance between the centers of the gaps of these resonators is chosen from the condition of lack of self-excitation, which corresponds to positive values of the relative electronic conductivity of Ge / Go (Fig. 4).
При реализации указанных условий входная резонансная система обеспечивает возбуждение во входном двойном ВЧ-зазоре продольного электрического СВЧ-поля примерно одинаковой напряженности на всех частотах рабочего диапазона клистрона. Формирование плотных электронных сгустков происходит при последовательном прохождении электронными лучами промежуточных резонаторов (3), где осуществляется дополнительная модуляция электронов по скорости, и труб дрейфа, в которых происходит модуляция электронов по плотности.When these conditions are met, the input resonant system provides excitation in the input double RF gap of the longitudinal electric microwave field of approximately the same intensity at all frequencies of the operating range of the klystron. The formation of dense electron bunches occurs when the electron beams pass sequentially through the intermediate resonators (3), where the electrons are additionally modulated by velocity, and drift tubes in which the electrons are modulated by density.
Для создания примерно одинаковой амплитуды первой гармоники наведенного тока в выходной колебательной системе клистрона на всех частотах рабочего диапазона с помощью механизмов настройки частот производят соответствующую настройку резонансных частот промежуточных резонаторов (3). Пролетая через зазор выходного активного резонатора (5), сгустки электронов попадают в тормозящую фазу СВЧ-поля двойного ВЧ-зазора, образованного между выходным и предвыходным резонаторами.To create approximately the same amplitude of the first harmonic of the induced current in the output klystron oscillatory system at all frequencies of the working range using the frequency tuning mechanisms, the resonant frequencies of the intermediate resonators are adjusted accordingly (3). Passing through the gap of the output active resonator (5), electron bunches fall into the braking phase of the microwave field of the double RF gap formed between the output and pre-output resonators.
Вследствие сильного торможения сгустков высокочастотным полем скорость электронов в этой области взаимодействия уменьшается примерно в 1,2-1,3 раза по сравнению с областью входного резонатора. Это приводит к увеличению угла пролета. Поэтому в выходной области расстояние между центрами зазоров этих резонаторов выбирают из условия отсутствия самовозбуждения, соответствующего отрицательным значениям относительной электронной проводимости Ge/Go (фиг. 4).Due to the strong deceleration of the bunches by a high-frequency field, the electron velocity in this interaction region decreases by about 1.2-1.3 times in comparison with the region of the input resonator. This leads to an increase in the angle of flight. Therefore, in the output region, the distance between the centers of the gaps of these resonators is chosen from the condition of the absence of self-excitation corresponding to negative values of the relative electron conductivity Ge / Go (Fig. 4).
Оптимальным для реализации широкополосного усиления режимом работы является выбор резонансной частоты предвыходного промежуточного резонатора f5 на 3-4% выше по частоте, чем частота выходного активного резонатора f6. При этом резонансная частота настроечной волноводной диафрагмы соответствует частоте fн нижнего края полосы пропускания, а резонансная частота диэлектрического стержня fc может с помощью первого настроечного штыря 16, настраиваться на склон левой ветви амплитудно-частотной характеристики (см. фиг. 5). В этом случае реализуется однополосный режим усиления с широкой полосой усиливаемых частот более 2%.The optimal operating mode for implementing broadband amplification is the choice of the resonant frequency of the pre-output intermediate resonator f 5 3-4% higher in frequency than the frequency of the output active resonator f 6 . In this case, the resonant frequency of the tuning waveguide diaphragm corresponds to the frequency f n of the lower edge of the passband, and the resonant frequency of the dielectric rod f c can be tuned to the slope of the left branch of the amplitude-frequency characteristic using the first tuning pin 16 (see Fig. 5). In this case, a single-band amplification mode is implemented with a wide band of amplified frequencies of more than 2%.
Возможен также режим настройки выходной фильтровой системы, при которой резонансная частота диэлектрического стержня fc может с помощью первого настроечного штыря 16 механически (или электрически) настраиваться на любую рабочую частоту, находящуюся в полосе усиления. В этом случае возможен режим работы клистрона в двух близко расположенных полосах усиления (фиг. 6).A tuning mode of the output filter system is also possible, in which the resonant frequency of the dielectric rod f c can be mechanically (or electrically) tuned to the first operating pin in the gain band using the
Так как конструкция выходной фильтровой системы многолучевого широкополосного клистрона полностью идентична входной, то в ней благодаря оптимальной форме щели связи 11 происходит передача электромагнитных волн из выходного активного резонатора через узел вывода энергии 7 в выходной прямоугольный волновод 13, связанный нагрузкой с заданным коэффициентом передачи во всем рабочем диапазоне клистрона.Since the design of the output filter system of the multi-beam broadband klystron is completely identical to the input, in it, thanks to the optimal shape of the
Переход к многозвенной фильтровой системе, состоящей из предвыходного промежуточного 3, выходного активного резонатора 4 и пассивных резонаторов 14, 16 и настроечных волноводных диафрагм 15, расположенных в узле вывода энергии приводит к расширению полосы усиления этого прибора (примерно в 2,8-3 раза) без увеличения его габаритов и массы.The transition to a multi-link filter system consisting of a pre-output intermediate 3, an output active resonator 4 and
Вследствие того, что предложенный низковольтный клистрон работает на второй пространственной гармонике (зона II на фиг. 4) высоты предвыходного промежуточного и выходного активного резонаторов, а также толщина перегородки между ними могут быть увеличены примерно в 1,5 раза. Это позволяет увеличить в коротковолновой части сантиметрового и миллиметровом диапазонах длин волн, где размеры резонаторов малы, величину эффективного характеристического сопротивления этих резонаторов. В конечном счете это способствует достижению широкой полосы, без увеличения габаритов и массы прибора, при сохранении уровня его выходной мощности порядка 300-500 Вт.Due to the fact that the proposed low-voltage klystron operates at the second spatial harmonic (zone II in Fig. 4), the heights of the pre-output intermediate and output active resonators, as well as the thickness of the partition between them, can be increased by about 1.5 times. This makes it possible to increase the effective characteristic resistance of these resonators in the short-wavelength part of the centimeter and millimeter wavelength ranges, where the dimensions of the resonators are small. Ultimately, this contributes to the achievement of a wide band, without increasing the dimensions and mass of the device, while maintaining the level of its output power of the order of 300-500 watts.
Источники информацииSources of information
1. Авторское свидетельство SU 880158 А1, опубл. 07.03.1992.1. Copyright certificate SU 880158 A1, publ. 03/07/1992.
2. Патент США 3484861 А, опубл. 16.12.1969.2. US patent 3484861 A, publ. 12/16/1969.
3. Патент США 3299312 А, опубл. 17.01.1967.3. US patent 3299312 A, publ. 01/17/1967.
4. Пасманник В.И. Системы связанных контуров. М.: Физматлит., 2005.4. Pasmannik V.I. Connected loop systems. M .: Fizmatlit., 2005.
5. Патент США 3375397 А, опубл. 26.03.1968.А5. US patent 3375397 A, publ. 03/26/1968.A
6. Z. Zhang, В. Shen, X. Yu, F. Zhu, Y. Han, Y. Huang, F. Zhang Development of an S-band 22-kW-averadge-power-klystron with 7.14% relative bandwidth. //IEEE Transaction on Electron Devices. 2011. Vol. 58, No. 8, pp. 2789.6. Z. Zhang, B. Shen, X. Yu, F. Zhu, Y. Han, Y. Huang, F. Zhang Development of an S-band 22-kW-averadge-power-klystron with 7.14% relative bandwidth. // IEEE Transaction on Electron Devices. 2011. Vol. 58, No. 8, pp. 2789.
7. Востров М.С. Широкополосный миниатюрный многолучевой клистрон 2-см диапазона длин волн с полосой рабочих частот не менее 300 МГц и неравномерностью выходной мощности не более 1,5 дБ //Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2018: материалы 13-й междунар. науч.-техн. конф., г. Саратов, 27-28 сент. 2018 г. - Т. 1. -. С. 232-237.7. Vostrov M.S. Broadband miniature multi-beam klystron of 2 cm wavelength range with a working frequency band of at least 300 MHz and uneven output power of not more than 1.5 dB // Actual problems of electronic instrumentation APEP - 2018: materials of the 13th international scientific and technical conf., Saratov, September 27-28. 2018 - T. 1. -. S. 232-237.
8. Патент РФ №2645298, опубл. 20.02.2018.8. RF patent No. 2645298, publ. 02/20/2018.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019121595A RU2714508C1 (en) | 2019-07-09 | 2019-07-09 | Miniature multi-beam klystron |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019121595A RU2714508C1 (en) | 2019-07-09 | 2019-07-09 | Miniature multi-beam klystron |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2714508C1 true RU2714508C1 (en) | 2020-02-18 |
Family
ID=69625713
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019121595A RU2714508C1 (en) | 2019-07-09 | 2019-07-09 | Miniature multi-beam klystron |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2714508C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2749453C1 (en) * | 2020-11-12 | 2021-06-11 | Акционерное общество "Плутон" | Broadband klystron |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3375397A (en) * | 1964-04-30 | 1968-03-26 | Varian Associates | Extended interaction klystron having inductive coupling means communicating between adjacent cavity resonators |
RU2239256C1 (en) * | 2003-03-24 | 2004-10-27 | Государственное учреждение Саратовское отделение института радиотехники и электроники РАН | Multibeam klystron |
RU78986U1 (en) * | 2008-07-18 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий" | MULTI-BEAM PACKAGED KLISTRON |
CN106997838A (en) * | 2017-04-18 | 2017-08-01 | 电子科技大学 | A kind of millimeter wave extension interaction device of use coaxial resonant cavity and many electrons’ system |
RU2645298C2 (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-20 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Broadband multiport klystron with a multilink filter system |
-
2019
- 2019-07-09 RU RU2019121595A patent/RU2714508C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3375397A (en) * | 1964-04-30 | 1968-03-26 | Varian Associates | Extended interaction klystron having inductive coupling means communicating between adjacent cavity resonators |
RU2239256C1 (en) * | 2003-03-24 | 2004-10-27 | Государственное учреждение Саратовское отделение института радиотехники и электроники РАН | Multibeam klystron |
RU78986U1 (en) * | 2008-07-18 | 2008-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Торий" | MULTI-BEAM PACKAGED KLISTRON |
RU2645298C2 (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-20 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (АО "НПП "Алмаз") | Broadband multiport klystron with a multilink filter system |
CN106997838A (en) * | 2017-04-18 | 2017-08-01 | 电子科技大学 | A kind of millimeter wave extension interaction device of use coaxial resonant cavity and many electrons’ system |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2749453C1 (en) * | 2020-11-12 | 2021-06-11 | Акционерное общество "Плутон" | Broadband klystron |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4567401A (en) | Wide-band distributed rf coupler | |
US3387169A (en) | Slow wave structure of the comb type having strap means connecting the teeth to form iterative inductive shunt loadings | |
US5015914A (en) | Couplers for extracting RF power from a gyrotron cavity directly into fundamental mode waveguide | |
US3221205A (en) | Traveling-wave tube with trap means for preventing oscillation at unwanted frequencies | |
RU2714508C1 (en) | Miniature multi-beam klystron | |
EP0417205B1 (en) | High performance extended interaction output circuit | |
US3365607A (en) | Electron discharge device | |
EP0660363B1 (en) | Linear-beam cavity circuits with non-resonant RF loss slabs | |
US4263566A (en) | Backward wave oscillator tube utilizing successive delay line sections for increased power | |
US3684913A (en) | Coupled cavity slow wave circuit for microwave tubes | |
RU2645298C2 (en) | Broadband multiport klystron with a multilink filter system | |
US4019089A (en) | Wideband multi-cavity velocity modulation tube | |
US3594605A (en) | Mode suppression means for a clover-leaf slow wave circuit | |
US11545329B2 (en) | THz vacuum electronic devices with micro-fabricated electromagnetic circuits | |
US3237046A (en) | Slow wave structures including a periodically folded coaxial cable | |
WO1989012906A1 (en) | Coupled cavity circuit with increased iris resonant frequency | |
US3289032A (en) | Microwave hybrid tube apparatus | |
RU2483386C2 (en) | Powerful wideband klystron | |
US3248597A (en) | Multiple-beam klystron apparatus with periodic alternate capacitance loaded waveguide | |
US5162697A (en) | Traveling wave tube with gain flattening slow wave structure | |
US3278795A (en) | Multiple-beam klystron apparatus with waveguide periodically loaded with resonant elements | |
US3192430A (en) | Microwave amplifier for electromagnetic wave energy incorporating a fast and slow wave traveling wave resonator | |
RU2239256C1 (en) | Multibeam klystron | |
Nalos | A hybrid type traveling-wave tube for high-power pulsed amplification | |
US3354346A (en) | Traveling-wave tube having loss-filled, capacitively-coupled cavities coupled to the interaction cells of the slowwave structure |