RU2808235C1 - Extra-power klystron output system - Google Patents
Extra-power klystron output system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808235C1 RU2808235C1 RU2023113482A RU2023113482A RU2808235C1 RU 2808235 C1 RU2808235 C1 RU 2808235C1 RU 2023113482 A RU2023113482 A RU 2023113482A RU 2023113482 A RU2023113482 A RU 2023113482A RU 2808235 C1 RU2808235 C1 RU 2808235C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- resonator
- output system
- power
- rectangular waveguide
- Prior art date
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при создании сверхмощных клистронов. The invention relates to electronic technology and can be used to create high-power klystrons.
Известно техническое решение, в котором выходная электродинамическая система усилительного клистрона содержит активный резонатор, выходной тракт и пассивные резонаторы (Патент РФ № 1419405 на изобретение «Выходная электродинамическая система усилительного клистрона», МПК H01J 25/00). Однако, подобная конструкция не удовлетворяет требованиям, предъявляемым при проектировании сверхмощных клистронов.A technical solution is known in which the output electrodynamic system of an amplifying klystron contains an active resonator, an output path and passive resonators (RF Patent No. 1419405 for the invention “Output electrodynamic system of an amplifying klystron”, IPC H01J 25/00). However, such a design does not meet the requirements for the design of high-power klystrons.
Традиционная выходная система мощного клистрона, например, клистронов, выпускаемых фирмой THOMSON (Faillon G.J. THOMSON high peak power klystrons / Ps Klystron Modulator Technical Meeting October 7th And 5th 1991 - Cern. P. 239.), принятая за прототип, не может обеспечить электропрочность при импульсной мощности, превышающей 25 МВт.The traditional output system of a powerful klystron, for example, klystrons produced by THOMSON (Faillon G.J. THOMSON high peak power klystrons / Ps Klystron Modulator Technical Meeting October 7th And 5th 1991 - Cern. P. 239.), adopted as a prototype, cannot provide electrical strength at pulse power exceeding 25 MW.
Предложена новая конструкция выходной системы сверхмощного клистрона, которая не имеет недостатков аналога и прототипа.A new design of the output system of a heavy-duty klystron is proposed, which does not have the disadvantages of the analogue and prototype.
Техническим результатом изобретения является повышение электропрочности выходной системы, повышение выходной мощности прибора, увеличение надежности прибора и увеличение КПД.The technical result of the invention is to increase the electrical strength of the output system, increase the output power of the device, increase the reliability of the device and increase efficiency.
Технический результат достигается тем, что в выходной системе сверхмощного клистрона, содержащей выходной резонатор, соединенный через щель связи с выходным волноводом, дополнительно содержится, по крайней мере, один закороченный отрезок прямоугольного волновода, связанный с выходным резонатором через индуктивную щель связи, расположенную на боковой стенке резонатора, причем, щели расположены на равном расстоянии друг от друга, при этом нормированный размер прямоугольного волновода определяется как:The technical result is achieved by the fact that the output system of a heavy-duty klystron containing an output resonator connected through a coupling slot to the output waveguide additionally contains at least one short-circuited section of a rectangular waveguide connected to the output resonator through an inductive coupling slot located on the side wall resonator, and the slots are located at equal distances from each other, while the normalized size of the rectangular waveguide is defined as:
и , And ,
где - длина волны в центре рабочего диапазона выходной системы,Where - wavelength at the center of the operating range of the output system,
, - ширина и высота прямоугольных волноводов; , - width and height of rectangular waveguides;
длина отрезка закороченного отрезка прямоугольного волновода определяется соотношением:length of a shorted section of a rectangular waveguide is determined by the relation:
; ;
а угол раскрыва щели связи выбирается из интервала:and the opening angle of the communication slit selected from the interval:
. .
Сущность изобретения состоит в следующем. Наличие дополнительно, по крайней мере, одного закороченного отрезка прямоугольного волновода, соединённого с выходным резонатором через дополнительную щель связи, за счёт отражения части мощности позволяет обеспечить азимутальную однородность продольной компоненты электрического поля в области взаимодействия с электронным потоком, что приводит к улучшению взаимодействия и, следовательно, к повышению КПД прибора.The essence of the invention is as follows. The additional presence of at least one short-circuited section of a rectangular waveguide connected to the output resonator through an additional coupling slot, due to the reflection of part of the power, makes it possible to ensure azimuthal uniformity of the longitudinal component of the electric field in the region of interaction with the electron flow, which leads to improved interaction and, therefore, , to increase the efficiency of the device.
Количество дополнительных закороченных отрезков прямоугольного волновода, связанных через щель с выходным резонатором, определяется размерами элементов выходной системы (резонатора и прямоугольных волноводов), при этом, щели должны быть расположены на равном расстоянии друг от друга на боковой стенке резонатора для обеспечения азимутальной однородности продольной компоненты электрического поля в области взаимодействия с электронным потоком.The number of additional short-circuited sections of a rectangular waveguide connected through a slot to the output resonator is determined by the dimensions of the elements of the output system (resonator and rectangular waveguides), while the slots must be located at an equal distance from each other on the side wall of the resonator to ensure azimuthal uniformity of the longitudinal component of the electrical fields in the region of interaction with the electron flow.
Нормированные ширина и высота прямоугольных волноводов, длина закороченного отрезка прямоугольного волновода, зависящие от длины волны в центре рабочего диапазона выходной системы, а также нормированный угол раскрыва щели, определяют нагруженную добротность выходной системы и, тем самым, влияют на величины электрического поля в полости и токов на поверхностях выходной системы. Выбор величин этих параметров из указанных интервалов позволяет минимизировать вероятность появления СВЧ пробоев и перегревов, что повышает электропрочность и надёжность при высоких выходных СВЧ мощностях.The normalized width and height of the rectangular waveguides, the length of the short-circuited section of the rectangular waveguide, depending on the wavelength in the center of the operating range of the output system, as well as the normalized opening angle of the slit, determine the loaded quality factor of the output system and, thereby, affect the magnitude of the electric field in the cavity and currents on the surfaces of the outlet system. Selecting the values of these parameters from the specified intervals allows us to minimize the likelihood of microwave breakdowns and overheating, which increases electrical strength and reliability at high output microwave powers.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена выходная система сверхмощного клистрона, где 1 - выходной резонатор; 2 - выходной прямоугольный волновод; 3 - щель связи; 4 - индуктивная щель связи; 5 - закороченный отрезок прямоугольного волновода.The invention is illustrated by drawings. In fig. Figure 1 shows the output system of a heavy-duty klystron, where 1 is the output resonator; 2 - output rectangular waveguide; 3 - communication slot; 4 - inductive coupling gap; 5 - short-circuited section of a rectangular waveguide.
На фиг. 2 приведены рассчитанный и измеренный коэффициенты передачи мощности выходной системы сверхмощного клистрона.In fig. Figure 2 shows the calculated and measured power transfer coefficients of the output system of a heavy-duty klystron.
На фиг. 3 представлено распределение электрического поля в центре щели связи.In fig. Figure 3 shows the distribution of the electric field at the center of the communication gap.
Устройство работает следующим образом. В выходном резонаторе 1 формируется переменное электромагнитное поле (с рабочей частотой f0). Отбор СВЧ мощности из выходного резонатора (1) в выходной прямоугольный волновод (2) осуществляется через щель связи (3). Часть мощности через индуктивную щель связи (4) попадает в закороченный отрезок прямоугольного волновода (5). Закорачивающая стенка отражает попавшую в этот отрезок СВЧ мощность и возвращает в выходной резонатор (1), из которого СВЧ мощность выводится через щель связи (3) в выходной прямоугольный волновод (2).The device works as follows. An alternating electromagnetic field (with operating frequency f0) is formed in the output resonator 1. Microwave power is taken from the output resonator (1) to the output rectangular waveguide (2) through the coupling slot (3). Part of the power through the inductive coupling gap (4) enters the short-circuited section of the rectangular waveguide (5). The short-circuiting wall reflects the microwave power that has entered this section and returns it to the output resonator (1), from which the microwave power is output through the coupling slot (3) into the output rectangular waveguide (2).
Пример исполнения. Было проведено математическое моделирование выходной системы сверхмощного клистрона методом конечных элементов и проведены измерения электродинамических характеристик на опытном образце.Execution example. Mathematical modeling of the output system of a heavy-duty klystron was carried out using the finite element method and measurements of electrodynamic characteristics were carried out on a prototype.
Выходная система сверхмощного клистрона изготовлена из меди марки МВ (вакуумная). Пайка выходного прямоугольного волновода (2) и закороченного отрезка прямоугольного волновода (5) к выходному резонатору (1) реализована с помощью припоя ПСр72.The output system of the heavy-duty klystron is made of MV grade copper (vacuum). Soldering of the output rectangular waveguide (2) and a short-circuited section of the rectangular waveguide (5) to the output resonator (1) is realized using PSr72 solder.
Выходная система сверхмощного клистрона по предложенному техническому решению содержит один дополнительный закороченный отрезок (5) прямоугольного волновода, соединённый с выходным резонатором (1) через индуктивную щель связи (4).The output system of a heavy-duty klystron according to the proposed technical solution contains one additional short-circuited section (5) of a rectangular waveguide connected to the output resonator (1) through an inductive coupling slot (4).
Элементы выходной системы имеют следующие размеры: ширина и высота выходного прямоугольного волновода (2) и закороченного отрезка прямоугольного волновода (5) - 90×45 мм, длина закороченного отрезка прямоугольного волновода (5) - 30.4 мм, радиус выходного резонатора (1) - 34.1 мм, высота выходного резонатора (1) - 26 мм, зазор выходного резонатора - 18 мм, угол раскрыва щелей связи (3, 4) - 720 (1.26 рад).The elements of the output system have the following dimensions: the width and height of the output rectangular waveguide (2) and the short-circuited section of the rectangular waveguide (5) - 90×45 mm, the length of the short-circuited section of the rectangular waveguide (5) - 30.4 mm, the radius of the output resonator (1) - 34.1 mm, the height of the output resonator (1) is 26 mm, the gap of the output resonator is 18 mm, the opening angle of the coupling slits (3, 4) is 720 (1.26 rad).
На фиг. 2 представлены результаты моделирования и измерений на опытном образце коэффициента передачи мощности выходной системы СМК. Результаты испытаний имеют хорошее совпадение с результатами моделирования, что позволяет использовать результаты моделирования для оценки напряжённости электрических полей в критических областях выходной системы сверхмощного клистрона при высоких мощностях.In fig. Figure 2 presents the results of modeling and measurements on a prototype of the power transfer coefficient of the output system of the QMS. The test results are in good agreement with the simulation results, which makes it possible to use the simulation results to estimate the electric field strength in critical regions of the output system of a high-power klystron at high powers.
На фиг. 3 представлено распределение электрического поля в центре щели связи на рабочей частоте при выходной мощности 20 МВт, где 1 - прототип, 2 - предложенная конструкция, 3 - уровень СВЧ пробоя в вакууме. Очевидно наличие большего запаса до уровня СВЧ пробоя по сравнению с прототипом, что говорит о повышении электропрочности конструкции.In fig. Figure 3 shows the distribution of the electric field in the center of the communication slot at the operating frequency with an output power of 20 MW, where 1 is the prototype, 2 is the proposed design, 3 is the level of microwave breakdown in a vacuum. It is obvious that there is a larger margin to the level of microwave breakdown compared to the prototype, which indicates an increase in the electrical strength of the structure.
В таблице 1 представлены результаты расчёта характеристического сопротивления нагруженного выходного резонатора и предельной величины выходной мощности.Table 1 presents the results of calculating the characteristic impedance of the loaded output resonator and the maximum output power value.
Повышение характеристического сопротивления ведёт к увеличению КПД прибора в целом.An increase in characteristic resistance leads to an increase in the efficiency of the device as a whole.
Таким образом, можно утверждать, что предложенное техническое решение позволяет достигнуть заявленного технического результата.Thus, it can be argued that the proposed technical solution allows one to achieve the stated technical result.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808235C1 true RU2808235C1 (en) | 2023-11-28 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1419405A1 (en) * | 1986-12-04 | 1995-12-27 | О.В. Геращенко | Output electrodynamic system of amplifying klystron |
| US6777877B1 (en) * | 2000-08-28 | 2004-08-17 | Communication & Power Industries, Inc. | Gun-only magnet used for a multi-stage depressed collector klystron |
| JP2008147027A (en) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Toshiba Corp | Multi-beam klystron |
| RU2364978C1 (en) * | 2008-02-07 | 2009-08-20 | Александр Николаевич Королев | Klystron type superhigh frequency device |
| RU2554106C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина (АО "НПП "Исток" им. А.И. Шокина") | Klystron-type superpower multibeam uhf instrument |
| RU2723439C9 (en) * | 2019-10-22 | 2020-10-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Klystron |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1419405A1 (en) * | 1986-12-04 | 1995-12-27 | О.В. Геращенко | Output electrodynamic system of amplifying klystron |
| US6777877B1 (en) * | 2000-08-28 | 2004-08-17 | Communication & Power Industries, Inc. | Gun-only magnet used for a multi-stage depressed collector klystron |
| JP2008147027A (en) * | 2006-12-11 | 2008-06-26 | Toshiba Corp | Multi-beam klystron |
| RU2364978C1 (en) * | 2008-02-07 | 2009-08-20 | Александр Николаевич Королев | Klystron type superhigh frequency device |
| RU2554106C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-06-27 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина (АО "НПП "Исток" им. А.И. Шокина") | Klystron-type superpower multibeam uhf instrument |
| RU2723439C9 (en) * | 2019-10-22 | 2020-10-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Klystron |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА, СЕР. 1, СВЧ-ТЕХНИКА, ВЫП. 4(547), 2020, c. 64-75. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Amjadi et al. | Design of a broadband eight-way coaxial waveguide power combiner | |
| Levy et al. | Bandstop filters with extended upper passbands | |
| del Olmo-Olmeda et al. | A novel band-pass filter topology for millimeter-wave applications based on the groove gap waveguide | |
| Wang et al. | Wideband circular TE 21 and TE 01 mode converters with same exciting topologies | |
| Liu et al. | Design and microwave measurement of a novel compact TE $ _ {0n} $/TE $ _ {1n'} $-mode converter | |
| Burt et al. | A millimeter-wave klystron upconverter with a higher order mode output cavity | |
| KR100893319B1 (en) | Compact band stop filter using a spiral resonator | |
| Sullca et al. | Hybrid wideband staircase filters in rectangular waveguide with enhanced out-of-band response | |
| Morales-Hernández et al. | Peak power handling capability in groove gap waveguide filters based on horizontally polarized resonators and enhancement solutions | |
| RU2808235C1 (en) | Extra-power klystron output system | |
| Arndt et al. | Computer-optimized multisection transformers between rectangular waveguides of adjacent frequency bands (short papers) | |
| KR100739382B1 (en) | Non-Radiative Microstrip Line | |
| Moulay et al. | Oversized Substrate-Integrated Waveguide for High-Power Millimeter-Wave Systems | |
| Dydyk | Efficient power combining | |
| Joshi et al. | Design of coaxial cavity for high power magnetron | |
| CN115249603B (en) | U-shaped microwave pulse compression device applied to magnetron | |
| Naidu et al. | Enhancement of Bandwidth of an Extended Interaction Klystron by Symmetric Loading | |
| Kim et al. | Partial $ H $-Plane Filters With Multiple Transmission Zeros | |
| Bilik | High-power in-line waveguide to coaxial adapter | |
| RU2453018C1 (en) | Microwave cyclotron protection device | |
| Benedicto et al. | Quarter-wavelength coaxial SIRs for space tx bandpass filters | |
| Krishna et al. | Design of Dual-Mode Substrate Integrated Coaxial Line (SICL) Cavity Filter for Millimeter-wave Applications | |
| US11764454B1 (en) | Compact impedance transforming combiner/divider and method of making | |
| RU2777656C1 (en) | Waveguide energy output of a microwave device | |
| US20240178541A1 (en) | Method and apparatus for a coaxial high power rf combiner |