RU2815625C1 - Cyclotron protective device resonator - Google Patents

Cyclotron protective device resonator Download PDF

Info

Publication number
RU2815625C1
RU2815625C1 RU2023116035A RU2023116035A RU2815625C1 RU 2815625 C1 RU2815625 C1 RU 2815625C1 RU 2023116035 A RU2023116035 A RU 2023116035A RU 2023116035 A RU2023116035 A RU 2023116035A RU 2815625 C1 RU2815625 C1 RU 2815625C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonator
electron beam
cyclotron
protective device
electrons
Prior art date
Application number
RU2023116035A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Евгеньевич Котов
Сергей Васильевич Быковский
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина"
Application granted granted Critical
Publication of RU2815625C1 publication Critical patent/RU2815625C1/en

Links

Abstract

FIELD: high-frequency radio electronics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of high-frequency radio electronics, namely to devices for protection of input cascades of microwave radio receiving devices, in particular, radar station receivers, from the effect of high-level input power in the centimetre and millimetre wavelength ranges. Resonator for a cyclotron protective device has a housing, the sides of which are closed by covers, each having a rectangular hole for passage of an electron beam. In the housing there are two opposite plates oriented along the direction of the electron beam and forming a capacitive gap between them; along the direction of the electron beam at a distance from the first pair, an additional pair of plates is installed, which forms a second capacitive gap. Parts of the resonator are made of copper with high conductivity, the resonator is placed in a vacuum and in a longitudinal magnetic field, wherein the resonator is made with the time of flight of electrons of the beam in the space between the first and second gaps equal to an odd number of half-periods of cyclotron oscillations of electrons in the resonator.
EFFECT: increased characteristic impedance of the resonator and increased bandwidth of the cyclotron protective device, and consequently improved electrical parameters of the cyclotron protective device.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области высокочастотной радиоэлектроники, а именно к устройствам защиты входных каскадов СВЧ радиоприемных устройств, в частности, приемников радиолокационных станций, от воздействия входной мощности высокого уровня в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.The invention relates to the field of high-frequency radio electronics, namely to devices for protecting the input stages of microwave radio receiving devices, in particular, radar receivers, from the effects of high-level input power in the centimeter and millimeter wavelength ranges.

В современных радиолокационных станциях (РЛС) предъявляются жесткие требования к входным каскадам приемника. Наряду с малым коэффициентом шума в рабочей полосе частот они должны быть надежно защищены от СВЧ-мощности высокого уровня при предельно малом времени восстановления параметров после окончания СВЧ-импульса.Modern radar stations (RLS) place stringent requirements on the receiver input stages. Along with a low noise figure in the operating frequency band, they must be reliably protected from high-level microwave power with an extremely short recovery time for parameters after the end of the microwave pulse.

Всем этим требованиям в значительной степени удовлетворяют циклотронные защитные устройства (ЦЗУ), работающие на быстрой циклотронной волне (БЦВ) электронного луча.All these requirements are largely satisfied by cyclotron protective devices (CPDs) operating on a fast cyclotron wave (FCW) of an electron beam.

Известно ЦЗУ в основу работы которого положено взаимодействие электродинамической структуры с БЦВ электронного луча. Это устройство обеспечивает надежную защиту от СВЧ мощности высокого уровня при малом времени восстановления [Патент РФ №2167480, МПК Н02Н 7/12]. Резонаторы устройства выполнены в виде элементов связи с быстрой циклотронной волной.It is known that the CZU is based on the interaction of an electrodynamic structure with the BCV of an electron beam. This device provides reliable protection against high-level microwave power with short recovery time [RF Patent No. 2167480, IPC N02N 7/12]. The resonators of the device are made in the form of coupling elements with a fast cyclotron wave.

В качестве входных и выходных устройств связи с электронным лучом используются резонаторы Куччиа [Радиотехника, 1999, №4, С.33; Успехи физических наук, 2005, Т. 175, №9, С.964]. Резонатор Куччиа является устройством, наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом).Cuccia resonators are used as input and output communication devices with the electron beam [Radio Engineering, 1999, No. 4, P. 33; Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 2005, T. 175, No. 9, P.964]. The Cuccia resonator is the device closest to the proposed invention (prototype).

Резонатор Куччиа представляет собой объемный резонатор, который выполнен в металлическом корпусе с боковыми крышками, имеющими отверстия для прохождения электронного луча. В корпусе, противоположно одна другой расположены пластины, ориентированные вдоль направления электронного луча. Пластины между собой образуют емкостной зазор. В емкостном зазоре проходит электронный луч, при этом высокочастотное электрическое поле, возникающее в зазоре, направлено перпендикулярно к направлению движения электронного луча.The Cuccia resonator is a volumetric resonator, which is made in a metal case with side covers that have holes for the passage of the electron beam. In the housing, plates are located opposite one another, oriented along the direction of the electron beam. The plates form a capacitive gap between themselves. An electron beam passes through the capacitive gap, and the high-frequency electric field arising in the gap is directed perpendicular to the direction of motion of the electron beam.

Недостатком прототипа является невозможность в необходимой мере расширить рабочую полосу частот ЦЗУ.The disadvantage of the prototype is the inability to sufficiently expand the operating frequency band of the DZU.

Для увеличения рабочей полосы частот следует увеличивать и электронную нагрузку резонаторов, и их характеристическое сопротивление. При этом для увеличения электронной нагрузки целесообразно уменьшать величину зазора, то есть приближать стенки зазора к электронному лучу, однако, это приводит к увеличению емкости резонатора и, следовательно, к уменьшению его характеристического сопротивления. Соответственно, увеличение зазора с целью возрастания характеристического сопротивления резонатора приводит к снижению его электронной нагрузки.To increase the operating frequency band, both the electronic load of the resonators and their characteristic impedance should be increased. In this case, to increase the electronic load, it is advisable to reduce the size of the gap, that is, to bring the walls of the gap closer to the electron beam; however, this leads to an increase in the capacitance of the resonator and, consequently, to a decrease in its characteristic resistance. Accordingly, increasing the gap in order to increase the characteristic resistance of the resonator leads to a decrease in its electronic load.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение характеристического сопротивления резонатора и полосы рабочих частот ЦЗУ, а, следовательно, улучшение электрических параметров устройства.The technical result of the proposed invention is to increase the characteristic resistance of the resonator and the operating frequency band of the digital control unit, and, consequently, to improve the electrical parameters of the device.

Технический результат достигается тем, что резонатор для циклотронного защитного устройства, содержит корпус, боковые стороны которого закрыты крышками, в каждой выполнено прямоугольное отверстие для прохождения электронного луча, в корпусе противоположно расположены две пластины, ориентированные вдоль направления электронного луча и образующие емкостной зазор между ними, вдоль направления электронного луча на расстоянии от первой пары установлена дополнительная пара пластин, образующая второй емкостной зазор. Детали резонатора выполнены из меди с высокой проводимостью, резонатор размещен в вакууме и в продольном магнитном поле, при этом резонатор выполнен с временем пролета электронов луча в пространстве между первым и вторым зазорами равным нечетному количеству полупериодов циклотронных колебаний электронов в резонаторе.The technical result is achieved in that the resonator for a cyclotron protective device contains a housing, the sides of which are closed with covers, each with a rectangular hole for the passage of an electron beam; two plates are located oppositely in the housing, oriented along the direction of the electron beam and forming a capacitive gap between them, An additional pair of plates is installed along the direction of the electron beam at a distance from the first pair, forming a second capacitive gap. The resonator parts are made of copper with high conductivity, the resonator is placed in a vacuum and in a longitudinal magnetic field, and the resonator is made with a time of flight of the beam electrons in the space between the first and second gaps equal to an odd number of half-periods of cyclotron oscillations of the electrons in the resonator.

Наличие второго зазора позволяет возбудить в резонаторе тип колебаний с увеличенным характеристическим сопротивлением резонатора, а, следовательно, позволяет получить большую полосу рабочих частот ЦЗУ.The presence of a second gap makes it possible to excite in the resonator a type of oscillation with an increased characteristic impedance of the resonator, and, therefore, allows one to obtain a larger operating frequency band of the DZU.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показан предлагаемый резонатор ЦЗУ, где:Figure 1 shows the proposed DZU resonator, where:

- корпус 1;- building 1;

- крышка 2;- cover 2;

- отверстие для электронного луча 3;- hole for electron beam 3;

- пластина первой пары 4;- plate of the first pair 4;

- первый емкостной зазор 5;- first capacitive gap 5;

- пластина второй пары 6;- plate of the second pair 6;

- второй емкостной зазор 7;- second capacitive gap 7;

- расстояние между парами пластин 8.- distance between pairs of plates 8.

На фиг.2 показано схематическое изображение рабочей области предлагаемого резонатора с результатами трехмерного электромагнитного моделирования структуры электрической составляющей высокочастотного поля на резонансной частоте синфазного типа колебаний, где колебания в первом зазоре и во втором зазоре показаны стрелочками.Figure 2 shows a schematic representation of the working area of the proposed resonator with the results of three-dimensional electromagnetic modeling of the structure of the electric component of the high-frequency field at the resonant frequency of in-phase oscillations, where oscillations in the first gap and in the second gap are shown by arrows.

На фиг.3 показано схематическое изображение рабочей области предлагаемого резонатора с результатами электромагнитного моделирования структуры электрической составляющей высокочастотного поля на резонансной частоте противофазного типа колебаний, где колебания в первом зазоре и во втором зазоре показаны стрелочками.Figure 3 shows a schematic representation of the working area of the proposed resonator with the results of electromagnetic modeling of the structure of the electric component of the high-frequency field at the resonant frequency of antiphase oscillations, where oscillations in the first gap and in the second gap are shown by arrows.

ПримерExample

Детали резонатора выполнены из меди с высокой проводимостью. Цилиндрический корпус резонатора 1 закрыт боковыми крышками 2. В крышках 2 выполнены прямоугольные отверстия с размерами, обеспечивающими прохождение ленточного электронного луча. Оси электронного луча и резонатора совпадают. Пластины 4 первой пары образуют первый емкостной зазор 5. На расстоянии 8 вдоль оси электронного луча расположена вторая пара пластин 6, которая образует второй емкостной зазор 7. В ЦЗУ резонатор находится в вакууме и в продольном однородном магнитном поле. Резонатор размещен в вакууме и в продольном магнитном поле Уровень магнитной индукции обеспечивает циклотронный резонанс на резонансной частоте рабочего типа колебаний резонатора. Время пролета электронов луча в пространстве между первым 5 и вторым 7 зазорами равно нечетному количеству полупериодов циклотронных колебаний электронов в резонаторе.The resonator parts are made of highly conductive copper. The cylindrical body of the resonator 1 is closed by side covers 2. The covers 2 have rectangular holes with dimensions that ensure the passage of the ribbon electron beam. The axes of the electron beam and the resonator coincide. The plates 4 of the first pair form the first capacitive gap 5. At a distance 8 along the axis of the electron beam there is a second pair of plates 6, which forms the second capacitive gap 7. In the CCD, the resonator is in a vacuum and in a longitudinal uniform magnetic field. The resonator is placed in a vacuum and in a longitudinal magnetic field. The level of magnetic induction provides cyclotron resonance at the resonant frequency of the operating type of oscillation of the resonator. The flight time of the beam electrons in the space between the first 5 and second 7 gaps is equal to an odd number of half-periods of cyclotron oscillations of electrons in the resonator.

Сверхвысокочастотное циклотронное защитное устройство с входным и выходным предлагаемыми резонаторами работает следующим образом.An ultra-high-frequency cyclotron protective device with input and output resonators operates as follows.

В режиме пропускания входной сигнал на частоте рабочего типа колебаний резонатора поступает по тракту передачи сигнала во входной резонатор. Под его воздействием в электронном луче возбуждается БЦВ электронного луча, которая передает энергию сигнала в выходной резонатор, который по конструкции аналогичен входному резонатору. В выходном резонаторе сигнал выводится из БЦВ и по тракту передачи передается во внешнюю СВЧ-линию.In the transmission mode, the input signal at the frequency of the operating type of oscillation of the resonator enters the signal transmission path into the input resonator. Under its influence, the BCV of the electron beam is excited in the electron beam, which transfers the signal energy to the output resonator, which is similar in design to the input resonator. In the output resonator, the signal is output from the BCV and is transmitted through the transmission path to an external microwave line.

Во входном и выходном предлагаемых двухзазорных резонаторах рабочими являются противофазные типы колебаний. Для обеспечения эффективного взаимодействия с электронным лучом при противофазных колебаниях электрического поля в первом и втором зазорах каждого из резонаторов необходимо обеспечить время пролета электронов луча в пространстве между первым и вторым зазорами равным нечетному количеству полупериодов циклотронных колебаний электронов в резонаторе.In the input and output of the proposed two-gap resonators, the operating modes are antiphase types of oscillations. To ensure effective interaction with the electron beam during antiphase oscillations of the electric field in the first and second gaps of each of the resonators, it is necessary to ensure that the time of flight of the beam electrons in the space between the first and second gaps is equal to an odd number of half-cycles of the cyclotron oscillations of the electrons in the resonator.

Техническая возможность реализации предлагаемого резонатора с двумя зазорами подтверждена методом компьютерного моделирования.The technical feasibility of implementing the proposed resonator with two gaps is confirmed by computer simulation.

Трехмерное электромагнитное моделирование структуры электрической составляющей высокочастотного поля на резонансной частоте предлагаемого резонатора представлено на Фиг. 2 и Фиг. З.Three-dimensional electromagnetic modeling of the structure of the electrical component of the high-frequency field at the resonant frequency of the proposed resonator is presented in Fig. 2 and Fig. Z.

На Фиг. 2 колебания в первом 5 и во втором 7 зазорах синфазны, сдвиг фазы между колебаниями составляет 0π. Данный тип колебаний полностью аналогичен рабочему типу колебаний в резонаторе Куччиа - прототипе. В пространстве на расстоянии 8 между первой и второй парами пластин практически полностью отсутствует электромагнитное поле. Зазоры 5 и 7 для данного типа колебаний включены параллельно. Возбуждение синфазного типа колебаний со сдвигом фаз 0π в предлагаемом двухзазорном резонаторе не имеет практического интереса.In FIG. 2 oscillations in the first 5 and in the second 7 gaps are in phase, the phase shift between the oscillations is 0π. This type of oscillation is completely similar to the working type of oscillation in the prototype Cuccia resonator. In the space at a distance of 8 between the first and second pairs of plates, there is almost no electromagnetic field. Gaps 5 and 7 for this type of vibration are connected in parallel. Excitation of in-phase oscillations with a phase shift of 0π in the proposed two-gap resonator is of no practical interest.

На Фиг. 3 колебания в первом 5 и во втором 7 зазорах имеют сдвиг фаз равный π. В пространстве на расстоянии 8 между первой и второй парами пластин присутствует высокочастотное поле, что свидетельствует о том, что зазоры 5 и 7 для данного противофазного типа колебаний включены последовательно. Характеристическое сопротивление резонатора на данном типе колебаний существенно увеличено. Это позволяет увеличить рабочую полосу частот циклотронного защитного устройства и, следовательно, улучшить его электрические характеристики.In FIG. 3 oscillations in the first 5 and second 7 gaps have a phase shift equal to π. In the space at a distance of 8 between the first and second pairs of plates there is a high-frequency field, which indicates that gaps 5 and 7 for this antiphase type of vibration are connected in series. The characteristic resistance of the resonator for this type of oscillation is significantly increased. This makes it possible to increase the operating frequency band of the cyclotron protective device and, consequently, improve its electrical characteristics.

Увеличенное характеристическое сопротивление входного и выходного двухзазорных резонаторов позволяет обеспечить согласование проводимостей электронного луча и каждого из резонаторов в увеличенной полосе рабочих частот ЦЗУ.The increased characteristic impedance of the input and output double-gap resonators makes it possible to ensure matching of the conductivities of the electron beam and each of the resonators in the increased operating frequency band of the DCU.

Таким образом, предлагаемая двухзазорная конструкция каждого из двух резонаторов ЦЗУ позволяет существенно увеличить их характеристическое сопротивление и, следовательно, расширить рабочую полосу частот ЦЗУ - улучшить его электрические параметры.Thus, the proposed two-gap design of each of the two DZU resonators makes it possible to significantly increase their characteristic impedance and, consequently, expand the operating frequency band of the DZU - improve its electrical parameters.

Claims (1)

Резонатор для циклотронного защитного устройства, содержащий корпус, боковые стороны которого закрыты крышками, в каждой выполнено прямоугольное отверстие для прохождения электронного луча, в корпусе противоположно расположены две пластины, ориентированные вдоль направления электронного луча и образующие емкостной зазор между ними, вдоль направления электронного луча на расстоянии от первой пары установлена дополнительная пара пластин, образующая второй емкостной зазор, отличающийся тем, что детали резонатора выполнены из меди с высокой проводимостью, резонатор размещен в вакууме и в продольном магнитном поле, при этом резонатор выполнен с временем пролета электронов луча в пространстве между первым и вторым зазорами равным нечетному количеству полупериодов циклотронных колебаний электронов в резонаторе.A resonator for a cyclotron protective device, containing a housing, the sides of which are closed with covers, each with a rectangular hole for the passage of an electron beam, two plates located oppositely in the housing, oriented along the direction of the electron beam and forming a capacitive gap between them, along the direction of the electron beam at a distance An additional pair of plates is installed from the first pair, forming a second capacitive gap, characterized in that the resonator parts are made of copper with high conductivity, the resonator is placed in a vacuum and in a longitudinal magnetic field, and the resonator is made with the time of flight of the beam electrons in the space between the first and the second gaps are equal to an odd number of half-periods of cyclotron oscillations of electrons in the resonator.
RU2023116035A 2023-06-19 Cyclotron protective device resonator RU2815625C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2815625C1 true RU2815625C1 (en) 2024-03-19

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2832001A (en) * 1954-08-27 1958-04-22 Zenith Radio Corp Electron discharge systems
US3230473A (en) * 1961-12-18 1966-01-18 Zenith Radio Corp Electron beam signal generators using parametric pump or similar amplifying section
US3233182A (en) * 1958-05-28 1966-02-01 Zenith Radio Corp Parametric electronic signal amplifying methods and apparatus
US3260961A (en) * 1965-01-13 1966-07-12 Burton J Udelson Microwave oscillator
US3315117A (en) * 1963-07-15 1967-04-18 Burton J Udelson Electrostatically focused electron beam phase shifter
US3315174A (en) * 1960-06-09 1967-04-18 Zenith Radio Corp Multiple resonant cyclotron wave coupler for nondegenerate parametric amplifier
RU2239256C1 (en) * 2003-03-24 2004-10-27 Государственное учреждение Саратовское отделение института радиотехники и электроники РАН Multibeam klystron
RU2319274C1 (en) * 2006-06-28 2008-03-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" Protective cyclotron unit characterized in enhanced operating frequency band

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2832001A (en) * 1954-08-27 1958-04-22 Zenith Radio Corp Electron discharge systems
US3233182A (en) * 1958-05-28 1966-02-01 Zenith Radio Corp Parametric electronic signal amplifying methods and apparatus
US3315174A (en) * 1960-06-09 1967-04-18 Zenith Radio Corp Multiple resonant cyclotron wave coupler for nondegenerate parametric amplifier
US3230473A (en) * 1961-12-18 1966-01-18 Zenith Radio Corp Electron beam signal generators using parametric pump or similar amplifying section
US3315117A (en) * 1963-07-15 1967-04-18 Burton J Udelson Electrostatically focused electron beam phase shifter
US3260961A (en) * 1965-01-13 1966-07-12 Burton J Udelson Microwave oscillator
RU2239256C1 (en) * 2003-03-24 2004-10-27 Государственное учреждение Саратовское отделение института радиотехники и электроники РАН Multibeam klystron
RU2319274C1 (en) * 2006-06-28 2008-03-10 Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радий" Protective cyclotron unit characterized in enhanced operating frequency band

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Xiaopeng Yin, Wenxiang Wang, Jin Xu, Lingna Yue, Jinchi Cai, Hairong Yin, Guoqing Zhao. Research and Design of Cyclotron Wave Protector Cavity at 5.54GHz //2023 24th International Vacuum Electronics Conference (IVEC). 25-28 April 2023. Ванке В.А. Поперечные волны электронного потока в микроволновой электронике // Успехи физических наук, 2005, Т. 175, 9, С. 964. Быковский С.В. Циклотронные защитные устройства приемников радиолокационных систем сверхвысокочастотного диапазона // АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ИСТОК" ИМЕНИ А.И.ШОКИНА", 2021 г. *
Минаев С.А., Ситников А.Л., Голубев А.А., Кулевой Т.В. Журнал технической физики, 2012, том 82, вып. 9. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/10701. *
Чигуров И.О. Улучшение выходных параметров и характеристик миниатюрных многолучевых низковольтных клистронов СГТУ им. Гагарина Ю. А. 2015. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yabuki et al. Stripline dual-mode ring resonators and their application to microwave devices
Wang et al. Design and microwave measurement of a broadband compact power coupler for sheet beam traveling wave tubes
Arregui et al. High-power filter design in waveguide technology: Future generation of waveguide satellite filters in payloads handling increasing bit rates and numbers of channels
Bondarenko et al. Forming the powerful microwave pulses using resonator storage
RU2815625C1 (en) Cyclotron protective device resonator
US3980920A (en) Multi-resonator microwave oscillator
KR100714048B1 (en) High frequency circuit device and transmitting/receiving device
Joshi et al. A new approach for high-power coaxial magnetron using stacked anode resonators
Xu et al. A low phase-noise SIW reflection oscillator with hexagonal resonator
US3334266A (en) Coaxial output line for a magnetron
Huang et al. Study of a 35-GHz third-harmonic low-voltage complex cavity gyrotron
RU2319274C1 (en) Protective cyclotron unit characterized in enhanced operating frequency band
Naidu et al. Enhancement of Bandwidth of an Extended Interaction Klystron by Symmetric Loading
RU2453018C1 (en) Microwave cyclotron protection device
US3445778A (en) Wall current amplifier and oscillator
RU2738775C1 (en) Device for tuning proper q-factor of volumetric resonators of vtd
US2859411A (en) Modulated traveling-wave tube
JP2010252182A (en) Harmonic cutoff filter, and radar device
US3230413A (en) Coaxial cavity slow wave structure with negative mutual inductive coupling
US2630533A (en) Magnetron frequency stabilization apparatus
Leggieri et al. Magnetron high power system design
JP4252274B2 (en) Magnetron
RU57981U1 (en) CYCLOTRONIC PROTECTIVE DEVICE WITH INCREASED OPERATING STRIP
US9035707B2 (en) Method for varying oscillation frequency of high frequency oscillator
CN114464515B (en) Frequency-locking phase-locking and allocating structure of different-cavity magnetron