Двухмодовые пространственно-развитые двухзазорные резонаторы для многолучевых приборов клистронного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Корчагин, Алексей Игоревич

• Корчагин, Алексей Игоревич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Корчагин, Алексей Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Многомодовые режимы взаимодействия в СВЧ приборах клистронного

типа

1.1 Классификация СВЧ приборов клистронного типа

1.1.1 Клистроны

1.1.2 Гибридные приборы

1.3 Резонаторы для двухмодовых СВЧ приборов клистронного типа

1.5 Выводы

1.6. Задачи исследований

Глава 2. Оценка эффективности многомодовых двухзазорных резонаторов по комплексу электрических и массогабаритных параметров

2.1 Критерии оценки эффективности двухмодовых двухзазорных многоканальных резонаторных систем

2.2 Критерий устойчивости двухзазорных резонаторов к тепловым нагрузкам

2.3 Выводы

Глава 3. Трехмерное моделирование резонансных систем с разной формой корпуса и плотностью упаковки каналов

3.1 Многолучевые двухзазорные двухмодовые резонаторы полоскового типа

3.1.1 Результаты моделирования

3.1.2 Уменьшение неоднородности ВЧ электрического поля в зазорах резонаторов полоскового типа

3.2 Пятнадцатилучевые двухзазорные двухмодовые резонаторы фрактального типа

3.2.1 Синтез режима с кратными резонансными частотами

3.2.2 Моделирование резонансной системы

3.3 Двадцатилучевые двухзазорные двухмодовые резонаторы фрактального типа

3.3.1 Синтез режима с кратными резонансными частотами

3.3.2 Моделирование резонансной системы

3.3.3 Уменьшение неоднородности ВЧ электрического поля в зазорах резонаторов фрактального типа

3.4 Выводы

Глава 4. Оценка выходных параметров двухрежимных многолучевых приборов

4.1 Двухрежимный многолучевой клистрод - умножитель частоты

4.4.1 Оценка выходных параметров многолучевого клистрода -умножителя с двухзазорными двухмодовыми фрактальными резонаторами

4.1.2 Расчет триодной части клистрода

4.1.3 Расчет электронных параметров промежуточного резонатора

4.1.4 Расчет электронных параметров выходного резонатора

4.2 Двухрежимный клистрон для устройств СВЧ нагрева

4.2.1 Оценка выходных параметров двухрежимного клистрона

4.3 Рекомендации

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Двухмодовые пространственно-развитые двухзазорные резонаторы для многолучевых приборов клистронного типа»

Введение

В последние годы во всем мире проявляется значительный интерес к разработке мощных многолучевыхэлектровакуумныхСВЧприборов клистронного типа- клистронов (МЛК)и клистродов (МЛКД).

Преимуществами таких приборов, по сравнению с однолучевыми приборами этого класса, являютсяболеенизкиерабочие напряжения, высокий электронный КПД, широкая полоса усиления, малыегабариты и масса. Благодаря этим преимуществам МЛК и МЛКД находят все более широкое применение в различных информационных и телекоммуникационных системах (например, втелевизионных передатчиках и в специальных системах связи и радиолокации);вустройствах промышленного СВЧ-нагрева и ускорительной технике.

Исследованиявозможности создания МЛК с высоким комплексом энергетических и массогабаритных параметров начались в СССРв 60-е и 70-е годы прошлого века, благодаря работам С.А. Зусмановского, C.B. Королева и др. Большой вклад в исследование и развитие МЛКД внесли российские ученые: А.Н. Королев, М.П. Лопин, К.Г. Симонов, A.B. Галдецкий, В. А. Царев, и др.

Развитие электровакуумных приборов СВЧклистронного типана современном этапе сопровождается повышением их мощности и эффективности, расширением частотных диапазонов, использованием новых режимов работы и конструкций электродинамическихсистем.

Одним из таких режимов работы этих приборов является многомодовый режим, при котором взаимодействие электронов с СВЧполем осуществляется не только на основном, но и на высших видах колебаний резонаторов, когда частоты высших типов кратны частоте основного сигнала.Многомодовые резонаторы(ММР)могут быть однозазорными и многозазорными. Наибольшие возможности для реализации многочастотного взаимодействия представляют многомодовые многоканальныедвухзазорные резонаторы (ММДР).

Однако волновые и колебательные процессы, сопровождающие усиление или самовозбуждение колебаний в мощных МЛК и МЛКДнедостаточно изучены.ММДРхарактеризуются наличием сложной геометрии и требуют высокой точности расчета и оптимального выбора комплекса электронных и электродинамических параметров на основной и высших модах колебаний.В связи с вышеизложенным, появляется необходимость в разработке новых типов двухрежимных СВЧ многолучевых приборов клистронного типа (клистронов, клистродов), и создание новых типов многомодовых двухзазорных фрактальных резонансных систем для этих приборов. При этом возникает необходимость в исследовании комплекса электронных и электродинамических свойств таких систем с учетом многомодовости взаимодействия электромагнитных полей с многолучевым потоком.

Однако принципы построениямноголучевых клистронов и клистродов на ММДР не определены. В частности, не определены критерии выбора конкретных типов резонаторов, а также не проведено сравнения параметров разных модификаций ММДР, ориентированных на применение в разных частотных диапазонах. В настоящее время исследованы только простейшие конструкции двухмодовыхрезонаторов с плотной упаковкой лучей в пределах одной пролетной трубы. Фрактальные двухзазорныемногомодовые резонаторы, применение которыхдает дополнительную свободу выбора количества многолучевых пролетных труб и уменьшает габариты, совершенно не изучены.

Основной целью работы является разработка и исследование новых типов многоканальных двухзазорных пространственно-развитых резонаторов (МДПР), предназначенных для применения в многолучевых СВЧ приборах с двухмодовым режимом работы на основном и высших видах колебаний.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

исследование поведения комплекса электронных и электродинамических параметров для основного и высших видов колебаний в двухзазорных многоканальных аксиально-несимметричных резонаторах и поиск способов управления спектром этих колебаний для настройки на две заданные рабочие частоты;

оптимизация многоканальных двухмодовых резонаторов различных форм по комплексу электродинамических, электронных и массогабаритных параметров;

поиск путей устранения неоднородности ВЧ электрического поля в продольном и поперечном сечениях распределенного пространства взаимодействия многоканальных двухзазорных резонаторах;

оценка энергетических, массогабаритных и эксплуатационных параметров двухрежимных микроволновых приборов клистронного типа;

выработка практических рекомендаций для создания новых типов многолучевых двухрежимных приборов с улучшенными, по сравнению с магнетронами, выходными и эксплуатационными характеристиками.

Объектом исследования являются многомодовые двухзазорные пространственно-развитые резонансные системы, используемые в многолучевых СВЧ приборах клистронного типа (клистронах и клистродах), использующихмодуляцию потока заряженных частиц по плотности и по скорости.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1. Исследованы закономерности поведения основного и высших видов колебаний во фрактальных двухзазорных многоканальных резонаторах «древовидного» типа, построенные на основе детерминированных нерегулярных структур — древовидных фракталов Пифагора. Показана возможность независимого управления частотами собственных видов колебаний в этих резонаторах, чтонеобходимо для достижения условий кратности основного и

высших видов колебаний и повышения эффективности взаимодействия с электронным потоком на кратных частотах.

2. Для приборов клистронного типа с многолучевыми электронными потоками найдены оптимальные, пригодные для эффективного взаимодействия на двух модах, соотношения электродинамических, электронных и массогабаритных параметров и конструкции пространственно-развитых двухзазорных резонаторов.

3. Найдены значения электронных параметров и определены формы электродов резонаторов, позволяющие уменьшить неодородность ВЧ электрического поля в радиальном и продольном направлениях двойного пространства взаимодействия и улучшить эффективность обмена энергией между многолучевым потоком и электромагнитными полями в двухмодовом режиме.

4. Показана возможность повышениякомплекса энергетических, массогабаритных и эксплуатационных параметровновых двухмодовых источников СВЧ энергии за счет применениядвухзазорных многоканальных резонаторов, возбуждаемых одновременно на двух рабочих частотах, вместо известных однозазорных колебательных систем.

Достоверность полученных результатов обеспечивается построением математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, а также соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.

Практическая значимостьработы состоит в следующем:

1. Предложенные и исследованные конструкции пространственно-развитых двухзазорных резонаторов с кратными резонансными частотами и способы их настройки на бигармонические режимы работы могут быть использованы для создания новых типов двухрежимных СВЧ клистродов и клистронов,

перспективных для применения в системах связи, радиолокации и ускорительной технике.

2. Найденные условия достижения кратности противофазного (основного) исинфазного (высшего) видов колебаний для фрактальных двухзазорных резонаторов позволяют реализовать в СВЧ приборах клистронного типа режим умножения частоты, режим несинусоидальной скоростной модуляции, а также режим двухчастотного усиления сигналас повышенным в 3-5 раз комплексом электронных и массогабаритных параметров.

3. Полученные в ходе исследований, знания по электродинамическим свойствам исследованных аксиально-несимметричных резонансных систем и особенностям их взаимодействия с электронным потоком могут быть использованы в учебном процессе ВУЗов страны, ведущих подготовку молодых специалистов по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Реализация результатов работы.

В настоящее время результаты работыприменяются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ им. Гагарина Ю.А. при чтении лекционных курсов в рамках дисциплин «Новые типы электровакуумных приборов», «Микроволновые приборы и устройства», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Материалы, приведенные в работе, использованы при выполнении НИОКР по теме «Исследование физических процессов в мощных многолучевых СВЧ электровакуумных приборах с электродинамическими системами, выполненными на основе многомодовых резонаторов», выполненной при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.0909.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Предложенный критерий оценки эффективности резонаторов многолучевых приборов, включающий в себякомплекс электронных, электродинамических и геометрических параметров, позволяет найти оптимальную конструкцию резонансной системы для многолучевых двухмодовых СВЧ приборов клистронного типа, обеспечивающуюмаксимальную величину отношения коэффициента усиления на единицу массы.

2. Уменьшения на 5-10%степенинеоднородности ВЧ электрического поля вразных пролетных каналах в четвертьволновыхдвухзазорных многоканальных резонаторах полоскового типас плотным расположением пролетных каналов можнодостичь за счетперехода от прямоугольной к клиновидной формецентрального электрода (втулки) и боковых крышек.Оптимальным углом наклона кромок втулки, обеспечивающим равномерное распределение напряженности поляодновременно на противофазном и синфазном видах колебаний является 20°.

3. В двухзазорных фрактальных резонаторах «древовидного» типа, отличающихся многомодовостью, миниатюрностью и высоким характеристическим сопротивлением, возможно управление пространственно-частотными характеристиками без изменения внутреннего объема и формы корпуса резонатора, что позволяет использовать такие конструкции при разработкереконфигурируемых двухмодовых резонаторныхсистем с кратностью частотЗ и 4.

4. Уменьшения на 5-10%степенинеоднородности ВЧ электрического поля вразных пролетных каналах в двухзазорных фрактальных резонаторах «древовидного» типа одновременно на противофазном и синфазном видах колебанийвозможно добиться при угле наклона боковых крышек около 5°.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6 конференциях:

Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2010);

XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2011);

XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2012);

XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2013);

Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010);

Всероссийской научно-технической конференции «Микроэлектроника СВЧ» (Санкт-Петербург, 2012).

Также результаты диссертационной работы были представлены на Международной научно-технической конференции

«ШЕЕШегпайопа^асиитЕксй-ошсзСопГегепсе» (Бангалор, Индия, 2010).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения,содержит 115 страниц, включая 5 таблиц, 80 рисунков, 62 формулы, список использованной литературы состоит из 69 наименований.

Глава 1.Многомодовые режимы взаимодействия в СВЧ приборах

клистронного типа

1.1 Классификация СВЧ приборов клистронного типа

Микроволновые приборы клистронного типа [1,2,3], к которым относятся клистроны и клистроды,применяются в различных областях науки и техники: радиолокации, радиовещании, телевидении, телеметрической связи, радиоастрономии, радиоспектроскопии, ядерной физике (ускорителях элементарных частиц); а также в устройствах СВЧ энергетики и медицинской технике.

Улучшение комплекса выходных параметров этих приборов: увеличение КПД, расширение полосы частот, уменьшение габаритов и массы было и остается в настоящее время одним из направлений дальнейшего совершенствования этого класса приборов.

1.1.1 Клистроны

Одна их главных особенностей клистрона - возможность получения очень больших мощностей в импульсном и непрерывном режимах [4,5]. Объясняется это тем, что при хорошей фокусировке практически не происходит перехвата электронов пучка в зазорах взаимодействия [6], а отработанный пучок выводится из пространства взаимодействия на хорошо охлаждаемый коллектор. При этом коллектор может быть достаточно большим, так как он физически отделенот

пространства взаимодействия. Поскольку развязка между выходом и входом усилительного клистрона очень велика, относительно легко включить параллельно большое число приборов. Вследствие высокого усиления, входная СВЧ мощность может быть очень малой.

Эксплуатационные характеристики клистронов, их электрические и конструктивные параметры определяются областью применения и диапазоном рабочих частот и существенно зависят от типа и геометрических размеров резонаторов и электронно-оптических систем (ЭОС) [7]. В настоящее время в приборах клистронного типа применяют различные колебательные системы: однозазорныекоаксиальные и радиальныерезонаторы, квазистационарные резонаторы, многозазорные резонаторы с синфазным и противофазным возбуждением, резонаторы с распределенным взаимодействием [8].

Высокий первеанс всегда был очень важным параметром мощных клистронов, так как от него зависела широкополосность лампы и возможность использования источника питания с меньшим напряжением. Одним из путей увеличения первеанса является переход к многолучевым клистронам (МЛК) [9,10] с периодическим расположением по азимуту электронных лучей в кольцевых резонаторах на азимутально-однородном виде колебаний с плотной упаковкой каналов в пределах поперечного сечения пролетных труб.

Другой путь повышения мощности клистрона без увеличения ускоряющего напряжения связан с переходом к пространственно развитым резонаторным системам с использованием в одной лампе нескольких пучков [11]. При этом не только возрастает эффективный первеанс прибора, но и повышается надежность, так как в данном случае имеет место внутреннее резервирование элементов.

По конструктивному исполнению МЛК делятся на приборы, работающие на высших видах колебаний, и приборы,работающие на основном виде колебаний резонаторов [12]. Для расширения полосы усиливаемых частот МЛК возможно использование двухзазорных выходного и промежуточных резонаторов, позволяющих осуществлять догруппировку электронов на высших гармониках конвекционного тока (рисунок 1.1) Для этого применяют одновременное

возбуждение в их резонаторах рабочих мод с частотами / и 2/или / и 3/, кратными входному сигналу с частотой /[13].

В режиме несинусоидальной скоростной модуляции форма модулирующего напряжения в резонаторах близка к пилообразной (рисунки 1.2-1.3), что позволяет более эффективно осуществлять догруппировку электронов на высших гармониках конвекционного тока [14, 15].

К

1

1 1 _Ьп

' f 2f

3

:>—*

1 +

1

4-

f

й К ~

а К2,

>

-х

Рисунок 1.1 Принципиальные схемы многорезонаторного клистрона, содержащие дополнительные резонаторы высших видов колебаний.

-^—I-

зт(^)+—зт(2й^)

-*--3-

зт(со1)+—зш(2со1)+ -зт(Зсо1)

_±_____

Рисунок 1 ^Напряженности электрических полей в зазоре между трубками дрейфа при возбуждении резонатора на одной, двух и трех кратных частотах. Соотношение амплитуд гармоник: 1; 1/2; 1/3.

-

1 х>\

1 о 5 4 \ / N. XV

ЭТК -150 -120 -90 -60 \\ у «Г 30 60 90 120 \150 180

Ч>\ А-'У \ \ . 1 1 4 зт(со1)+—зт(2ю0+ - зш(Зсо1:)

г \ -1 зт(ю!) -

Рисунок 1.3Напряженности электрических полей в зазоре между трубками дрейфа при возбуждении резонатора на одной, двух и трех кратных частотах. Соотношение амплитуд гармоник: 1; 1/4; 1/6.

Выходной резонатор для повышения КПД целесообразно возбуждать на двух кратных частотах с коэффициентом кратности к = 3(рисунок 1.4).

Рисунок 1 ^Напряженности электрических полей в зазоре между трубками дрейфа в выходном резонаторе при возбуждении на двух кратных частотах с

коэффициентом кратности к = 3.

Это позволит осуществлять более эффективный отбор энергии электронного потока за счет того, что форма ВЧ напряжения в выходном

резонаторе становится близкой к идеальной (прямоугольной форме), при которой все электроны, приходящие в выходной зазор в разные моменты времени тормозятся полем одинаковой амплитуды (рисунок 1.4).

Рисунок 1.5Принципиальная схема многорезонаторного клистрона-умножителя.

Другим путем увеличения электронного КПД является использование удлиненных труб дрейфа, однако при этом, также как и при введении в состав прибора дополнительных резонаторов высших гармоник, сильно возрастает длина резонаторного блока, что приводит к увеличению массы и габаритов прибора в целом.

При разработке приборов СВЧ разработчики сталкиваются с проблемой уменьшения габаритов при высоком КПД. Одним из путей решения этой проблемы было создание гибридного прибора - клистрода, объединяющего в себе элементы конструкции и принцип действия тетродов и пролетных клистронов. Клистрод - это гибридный прибор, в состав которого входят триодная часть с сеточным СВЧ управлением катодным током, пролетная труба, выходной однозазорный резонатор и коллектор (рисунок 1.6).

Разработки клистродов начались с конца 80 годов двадцатого века и завершились созданием однолучевых клистродов, получивших название Inductive Output Tube (ЮТ) - прибор с индуктивным выходом [16]. В известных конструкциях клистродов в основном используются тороидальные однозазорные

f f yf f f nf

1.1.2 Гибридные приборы

внешние резонаторы [17, 18].

I

Рисунок 1.6 Принципиальная схема однолучевого клистрода: 1-катод; 2-сетка; 3-ввод энергии; 4- вывод энергии; 5-коллектор;

6-входной резонатор; 7-выходной резонатор.

Такой прибор позволяет сохранять достоинства клистронов, а габариты его не превышают габариты тетродных усилителей. Характерная особенность конструкции такого прибора состоит в том, что катод расположен непосредственно в области действия переменного электрического поля и в режиме с отсечкой тока образуются сгустки с высокими значениями амплитуд гармоник тока, что без дополнительной группировки дает высокие значения КПД

У клистродов, также как и у клистронов, продольный размер коллектора не связан с длиной волны. Поэтому при мощностях 10-20 кВт может быть использовано воздушное охлаждение.

Для технологических целей становится целесообразным применение автогенераторных многолучевых клистродов с малым числом резонаторов и большим КПД (до 80%) вместо клистронов. При этом не требуется дополнительный полупроводниковый возбудитель, а требования обеспечения широкой полосы и большого коэффициента усиления отпадают. Такие автогенераторы будут лишены упомянутых выше недостатков, по сравнению с

[19].

магнетронами. При этом вместо 5-6 резонаторов может быть использовано всего два (тристрод), или даже один резонатор (клистрод), что позволяет снизить габариты, массу и стоимость приборов [20].

Несмотря на то, что приборы клистронного типа разрабатываются за рубежом уже много лет [21, 22, 23], их интенсивное развитие в настоящее время свидетельствует о том, что возможности, заложенные в этом направлении,далеко не исчерпаны.

а)

ч

ш \

8

б)

Рисунок 1.7 Принципиальные схемы тристрона (а) и тристрона-умножителя (б): 1-катод; 2-сетка; 3-ввод энергии; 4- вывод энергии; 5-коллектор; 6-входной резонатор; 7-промежуточный резонатор; 8-выходной резонатор.

Как и в случае с многорезонаторным клистроном, для повышения эффективности группировки электронов в клистродах добавляется промежуточный (индуктивно настроенный) резонатор [24]. Такой однолучевой прибор, в состав которого входят триодная часть с сеточным СВЧ управлением катодным током, группирующая секция с промежуточным резонатором и пролетной трубой, выходной однозазорный резонатор и коллектор, получилв отечественной научной литературе название - тристрон (рисунок 1.7а). Гибридный механизм последовательной модуляции электронного потока по плотности, осуществляемый в триодной ступени, и по скорости, осуществляемый в клистронной ступени, позволяет получать высокое качество электронных сгустков в широком диапазоне рабочих частот, начиная от 300-400 МГц до 1-2 ГГц.Клистрод, при настройке выходного резонатора на частоту одной из высших гармоник конвекционного тока, может работать в качестве высокоэффективногоумножителя частоты (рисунок 1.76).

Для повышения предельной рабочей частоты многолучевых клистродов до 3 ГГц и реализации одночастотного режима с высоким КПД [25] целесообразно использовать режим «умножения частоты» с использованием несинусоидальной скоростной модуляции. Это достигаетсяза счет перехода к конструкциям приборов, содержащих резонаторы высших гармоник (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 Возможные варианты повышения эффективности однолучевого

клистрода.

Умножители частоты, или как их еще иначе называют, в более развернутом виде, системы формирования дискретного множества частот, в настоящее время

1

2f

* 15

1

получили очень широкое распространение в самых разнообразных видах радиоэлектронной аппаратуры.

Одним из путей уменьшения выходной мощности, габаритов и массы клистродов, при одновременном улучшении их электрических параметров (полосы пропускания и коэффициента усиления), является применение многолучевого электронного потока. При разделении потока на п - отдельных лучей первеанс многолучевого потока увеличивается в п раз, что позволяет создавать малогабаритные низковольтные многолучевые СВЧ приборы с высокой эффективностью взаимодействия. Конструкция многолучевого клистрода (МЛКД) с однозазорным выходным резонатором описана в работе [26](рисунок 1.9).

Для расширения полосы усиливаемых частот в МЛКД применяют пространственно-развитые двухзазорные резонаторы. Такой конструкцией

прибора является тристрод (рисунок 1.10) - многолучевой клистрод, в состав которого входят триодная часть с сеточным управлением катодным током, промежуточный резонатор, выходной резонатор и коллектор [27].

2 7 8

/ ж 7............ / /

Ул

Рисунок 1.10 Конструкции высокоэффективного мощного генератора электромагнитного излучения на основе многолучевого тристрода - умножителя частоты: 1-катод; 2-сетка; 3-ввод энергии; 4- вывод энергии; 5-коллектор; 6-входной резонатор; 7-промежуточный резонатор; 8-выходной резонатор.

Такой прибор может также эффективно работать в режиме умножения частоты [28].

Рисунок 1.11 Изменение амплитуд десяти гармоник конвекционного тока в трубе дрейфа группирующей секции при угле отсечки катодного тока 45°.

В этом режиме процессыпервичного формирования электронных сгустков,происходящиев промежуточной секции,будут осуществляться наосновной частоте /, а отбор энергии будет происходитьв выходном зазоренаболее высокой частоте kf, кратнойчастотеосновного сигнала, где к - коэффициент умножения [48]. На рисунке 1.12 показано изменение амплитуд десяти гармоник конвекционного тока в трубе дрейфа группирующей секции при угле отсечки катодного тока 45°.

Рисунок 1.12Изменение амплитуд пяти гармоник конвекционного тока вдоль пространства взаимодействия с ВЧ электрическим полем.

Рисунок иллюстрирует принципиальную возможность получения в тристроде импульсов конвекционного тока, близких к 8 - функции, с амплитудами гармоник тока, близких к 2 /0, где /0 - постоянная составляющая тока.

За счет догруппирования амплитуда первой гармоники конвекционного тока возросла в 1.2 раза, а третьей гармоники- в 3.4 раза. Электронный КПД, определенный по величине кинетической энергии, отданной потоком полю выходного зазора на частоте 3-ей гармоники, составил 60%, а полный КПД - 54%, выходная мощность на один луч составила 210 КВт. Такой результат является очень обнадеживающим, т.к. получен для неизмененной базовой конструкции многолучевого тристрода, разработанного профессором Царевым В. А.[28].

1.2 Области применения многомодовых приборов СВЧ

Приборы клистрониого типа находят широкое применение в различных отраслях СВЧ энергетики [29, 30]. В космических системах, снабженных ионными ракетными двигателями, можно использовать ионизацию рабочего газа от одного СВЧ источника одновременно на двух рабочих частотах (2450 и 5800 МГц), чтопозволит уменьшить массогабаритные характеристики источника микроволновой энергии (рисунок 1.13).

О оеШга! ргореНаш аКхн

Рисунок 1.13Принцип ионизации рабочего газа в ионных двигателях.

Особый интерес представляет применение двухрежимных СВЧ источников микроволновой энергии в устройствах промышленного СВЧ нагрева для обработки наноструктурных диэлектриков одновременно на двух рабочих частотах (2450 и 5800 МГц) и в двухрежимных бытовых СВЧ печах (в качестве альтернативы установок на магнетронах).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Корчагин, Алексей Игоревич, 2013 год

Список литературы

1. Пат. RU2364978, МПК Н 01 J 25/10.СВЧ - прибор клистронного типа[Текст] / Королев А. Н., Симонов Г. К., Симонов К. Г.; опубл. 2009 г.

2. Пат. RU 2390870, МПК Н 01 J 25/02. ВЧ - прибор клистронного типа (варианты) [Текст] / Королев А. Н., Лямзин В. М., Мамонтов А. В., Симонов К. Г.; опубл. 2010 г.

3. Лебедев, И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. / И. В. Лебедев под. ред. Девяткова Н.Д. // Изд. 2-е Электровакуумные приборы СВЧ, Т. 2. - М.: Высшая школа, 1972.

4. Варнавский, А.Н. Оптимальное группирование в широкополосных клистронах. - «Электронная техника» сер.1 Электроника СВЧ; 1983, №12, с. 3-14.

5. Канавец, В.И. Мощные многорезонаторные клистроны с высоким КПД / В.И. Канавец, С.В. Лебединский и др. // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, 1976 .-N 11 .-С. 33-45.

6. Пат. US 3811065,МПК H01J25/10. Velocity modulation microwave tube employing a harmonic prebuncher for improved efficiency [Текст]/ Erling L. Lien; опубл. 1974.

7. Трубецков Д.И., Храмов A.E. Лекции по СВЧ электронике для физиков. Т.1. - М.: Физматлит, 2003.

8. Федоров, Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы: 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1979.

9. A. c.SU 1075860 А1, МКИ Н 01 J 25/10. Мощный пролетный многорезонаторный клистрон с повышенным КПД [Текст] / Кацман Ю.Л., Мовнин С.М., Иванов А.В., Лебединский С.В., Павлов О.И.; опубл. 1993г.

10. Канавец, В. И. Мощные многорезонаторные клистроны с высоким КПД /

B.И. Канавец и др. // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1976. №11.

C. 33-45.

11. Горлин, О.А. Проектирование многолучевого автогенератора СВЧ на двухзазорном резонаторе / О. А. Горлин, В. Ю. Мишин, В. К. Федяев, А. А. Шиков // Ветник РГРТУ, 2010, №1, вып. 31, с.69-72.

12. Зусмановский, С. А. Взаимодействие электронного потока с полем двухзазорного резонатора, работающего на противофазном виде колебаний / С.А. Зуманский, С.Ф. Зимин, К.Г. Симонов // «Электронная техника», серия 1, «Электроника СВЧ», 1967, вып. 6 с.58-71.

13. Мучкаев, В.Ю.Управление спектром основного и высших видов колебаний в двухзазорных одноканальных и многоканальных резонаторах / Мучкаев В.Ю., Царев В.А. // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. -2010.-Вып. 5.-С. 68-73.

14. А. с. СССР 527769, МКИН 01 J 25/10. Объемный резонатор для несинусоидальной периодической формы сигнала[Текст]/ Кацман Ю.А., Андожский С.О., Требич В.Д., Лебединский С.В., Кучугурный В.И.; опубл. 1976г.

15. Пат. RU 930428, МПК Н 01 J 23/18. Резонатор для несинусоидального периодического сигнала[Текст] / Царев В.А., Голубев С.Н.; опубл. 1982г.

16. Haeff А. V. Electronics. 1939. V. 12. № 12. Р. 30.

17. Resonator for non-sinusoidal periodic waveforms: пат. № 3359452 USA: МПК H 01J 25/10 / Quentin A. Kerns.; опубл. California, 1967.

18. A. c.SU 1279441 Al, МПК H 01 J 23/18. Тороидальный резонатор СВЧ-прибора[Текст] / Андреев В.Г., Белугин В.М., Андреев Н.В.; опубл. 1990г.

19. Козлов, В.Н. Методика численного моделирования клистродов / В.Н. Козлов, В.А. Баранов // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы Международной научно-технической конференции, Саратов, 20-22 сент., 2000: АПЭП- 2000. Саратов: Изд-во СГТУ. 2000, с. 264-266, Рус:, рез.

20. Прист Д.Х. Клистрод необычайно мощная лампа, потенциально пригодная для ТВ-вещания в УВЧ-диапазоне // ТИИЭР, т. 70, 1982, с. 84-92

21. Chandra К., Gavin M. R. Klystrons with Double-gap Bunchers / Journ. of electronics and control. First series. 1964. V. 16, №1. P. 65-75.

22. Bramanti C., Walker R., Fearn D The innovative Dual Stage 4-Grid Ion Thruster Concept -Theory and experimental results, 2007.

23. Bramanti C., Fearn D. The Design and Operation of Beam Diagnostics for the Dual Stage 4-Grid Ion Thruster // 30th International Electric Propulsion Conference. Florence, Italy, 2007.

24. Федяев, В.К. Исследование электронной проводимости и КПД двухзазорного резонатора в режиме генерации и усиления / В.К. Федяев, А.А. Пашков, В.О. Кадушкин // Материалы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2004», Саратов: СГТУ, 2004. С. 109-115.

25. Горлин, О. А. Исследование КПД двухзазорных резонаторов // VII всероссийская научная конференция. Таганрог, 2006. С. 263-264.

26. Пат. RU 2152102, МПК Н 01 J 25/00.Электровакуумный прибор СВЧ, истрон / Лопин М.И., Победоносцев А.С., Королев А.Н., Мишкин Т.А.; опубл. 27.06.2000.

27. Tsarev, V.A. Analytical Calculations of Efficiency and Comparison with Experimental Data for Inductive Output Tube / V.A. Tsarev, A.Yu. Miroshnichenko // Proceedings IEEE International Vacuum Electronics Conference. Rome, Italy, 2009. P. 375-377.

28. Пат-RU 2084042, МПКН 01 J 25/04. Клистрод[Текст] / В.А. Царев, А.Ю. Мирошниченко; опубл. 10.07.1997.

29. СВЧ энергетика под ред. Э. Окресса Том 1. Издательство «Мир» Москва 1971г.

30. Пчелинцев, Г.А. Перспектива применения клистродов для целей СВЧ энергетики / Г.А. Пчелинцев, Д. А. Сальникова, В. А. Царев // Радиотехника и связь: Материалы Международной научно-технической конференции, Саратов 1820 мая, 2005: Радиотехника и связь 2005. Саратов: Изд-во СГТУ. 2005, с. 382-385.

31. Пат. RU 2297686, МПК H 01 J 025/00. Многодиапазонный электровакуумный СВЧ-прибор типа 0[Текст] / Копылов В. В.,Письменко В. Ф.; опубл. 2007г.

32. Галдецкий, А. В. О генерации сверхкоротких импульсов сгруппирированным электронным пучком / А. В. Галдецкий // Электронная техника серия 1 СВЧ-техника научно-технический сборник. Выпуск 5 (493) 2007 с.11-15.

33. Пат. SU 930428, МПК Н 01 J 23/18. Резонатор для несинусоидального периодического сигнала[Текст] / Царев В. А., Голубев С. Н.; опубл. 23.05.1982, N 19.

34. Царев, В.А. Синтез однозазорных резонаторов с кратными резонансными частотами для многолучевых СВЧ приборов клистронного типа / В. А. Царев, В. А. Сенчуров // Материалы Всероссийской науч.-практ. конф., Саратов, 2009, с. 247.-249.

35. Царев, В.А. Исследование характеристик двухзазорных многолучевых пространственно-развитых резонаторов / В. А. Царев, В. А. Сенчуров // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. - №4 (51). -Вып.З. — С. 66-70.

36. Мучкаев, В.Ю. Полосовые свойства системы связанных секторных двухзазорных клистронных резонаторов / В. Ю. Мучкаев, В. А. Царев // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии - КрыМиКо'2009: материалы 19 Междунар. Крымской конф. в 2 т. - Севастополь, 2009. - Т.1 - С. 141-142.

37. Банков С.Е. Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ-структур с помощью HFSS: HPSS-эвристический подход к проектированию; Точность и наглядность моделирования; Пошаговое обучение работе с HFSS и др. 2-е изд. М.: C0J10H-ПРЕСС, 2005.

38. Банков С.Е., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с AnsoftHFSS. М: ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009.

39. Зильберман И.И. Расчет параметров двойного высокочастотного зазора с противофазными напряжениями // «Электронное приборостроение», 1968, вып. 5, «Энергия», с.59-76.

40. Царев В.А., Сенчуров В.А. «BEZONE» / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011613602 от 10.05.2011.

41. Фаронов В.В. Delphi. Программирование на языке высокого уровня: Учебник для вузов, СПб.: Питер, 2003г., 640с.

42. Голубев С.Н., Лошакова И.И., Царев В.А. Многорезонаторный пролетный клистрон - Саратов: Ротапринт, 1984.

43. Голант М.Б., Бобровский Ю.Л.Генераторы СВЧ малой мощности. Вопросы оптимизации параметров. М.: Сов.радио, 1977. — 336 с.

44. Гаврилов, Н. М. Расчёт многолучевого ускорительного модуля. Вопросы атомной науки и техники. / Н. М. Гаврилов, Н. А. Нечаев, Д. А. Комаров, Ю. Н. Струков // Сер.: Ядерно- физические исследования, вып. 7(8), 2000, стр. 76-78.

45. Пат. RU2436181, МПК H01J25/10, Н 01 J 25/12. Широкополосный многолучевой клистрон [Текст] / В.А. Царев, В.Ю. Мучкаев; опубл. 10.12.2011.

46. Frequency multiplier including grid having plural segments: пат. US№5589736 /Lien Erling L., Karp Arthur; опубл. 13.12.1996.

47. Tsarev, V. A. Analytical Calculations of Efficiency and Comprasion with Experimental Data for Inductive Output Tube / V. A. Tsarev, A. Yu. Miroshnichenko // Proceeding IEEE International Vacuum Electronics Conference. Rome, Italy, 2009. P. 357-377.

48. Федяев, В. К. Тристрон - утроитель частоты / В. К. Федяев, В. Н. Козлов// СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 15-й Междунар. Крымской конф. Севастополь, 2005. С. 203-205.

49. Chodorow S. Fan, "A floating-drift-tube klystron," Proc. I. R. E., vol. 41, №1, 1953, pp. 25-31., в 1962 г.

50. R. В. Nelson, "A hihg-power floating-drift-tube klystron," Proc. of the 4-th Int. Congressonmicrowavetube. Holland. Sept. 1962, pp. 49-54.

51. Семенов, A.C. Перспективы применения клистродов в качестве мощных усилителей модулированных колебаний в телевизионных передатчиках УВЧ-диапазона/ А. С. Семенов, В. А. Царев // Доклады Российской академии естественных наук. Саратов: СГТУ, - 1999, № 7. - С. 153-157.

52. Корчагин, А. И. Исследование режима двухмодового взаимодействия полей фрактального двухзазорного резонатора с электронами в многолучевом клистроде / А. И. Корчагин, В. А. Царев, А. Ю. Мирошниченко // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал). - 2012. -№ 12. ISSN 1684-1719.

53. Юрасов, Е. В. Ламповые генераторы и передатчики / Е. В. Юрасов // Издательство: Государственноео военное издательство НКО СССР Год издания: 1938 Страниц: 337

54. Федяев, В.К. Коэффициент полезного действия питрона - двухзазорного автогенератора с противофазным видом колебаний / В. К. Федяев, O.A. Горлин // Труды российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. 2008. - вып. 63. - С. 338-340.

55. Балакин, В. Е. Численное моделирование пролетного клистрона мощностью 300 кВт с использованием программы DISKLY / В. Е. Балакин, С.В. Березовский, И.М. Карнаухов и др. // Радиотехника и радиоэлектроника. -1995. - Вып. 10. - С. 1561.

56. Корчагин, А. И. Результаты математического моделирования двухзазорных резонаторов для мощных многолучевых клистродов, работающих в режиме умножения частоты / А. И. Корчагин, А. Ю. Мирошниченко, В. А. Царев // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. -№ 51. -С. 61-66. ISSN 1999-8341

57. Корчагин, А. И. Двухзазорные резонаторы фрактального типа / А. Ю. Мирошниченко, В. А. Царев, А. И. Корчагин // Антенны. - 2011. - № 11 (174). -С. 63-67. ISSN 0320-9601

58. Корчагин, А. И. Двухзазорные пространственно-развитые резонаторы для клистрода-утроителя частоты / А. Ю. Мирошниченко, В. А. Царев, А. И. Корчагин // Антенны. - 2012. - № 3. - С. 33-35. ISSN 0320-9601

59. Korchagin, A. I. The results of numerical modeling of two-gaps cavity for powerful multi-beam IOT working as the frequency multiplier / Alexey I. Korchagin, Vladislav A. Tsarev, Alexey Yu. Miroshnichenko // IEEE International Vacuum Electronics Conference: материалыМеждунар. науч.-техн. конф. Бангалор, Индия. 2011. С. 453-454.

60. Корчагин, А. И. Двухзазорный резонатор для мощных многолучевых клистродов, работающих в режиме умножения частоты / В. А. Царев, А. И. Корчагин // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010: материалы Междунар. науч.-техн. конф., г. Саратов, 22-23 сент. 2010 г. / СГТУ. -Саратов, 2010. - С. 252-257.

61. Корчагин, А. И. Математическое моделирование двухзазорных резонаторов «древовидного» типа / А. И. Корчагин, В. А. Царев // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий : материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, г. Саратов, 26-29 окт. 2010 г.: в 2 т. / СГТУ. - Саратов, 2010. -Т. 1. -С. 318321.

62. Корчагин, А. И. Исследование двухзазорного пространственно-развитого резонатора для приборов клистронного типа с полым электронным потоком / В. А. Царев, А. И. Корчагин // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2010. - С. 102-104.

63. Корчагин, А. И. Простые аппроксимирующие выражения для электронных параметров бессеточногоклистронного резонатора, нагруженного пучком / С. С. Шевченко, В. А. Царев, А. И. Корчагин // Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К. : сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24» / СГТУ. - Саратов, 2011. - С. 109112.

64. Корчагин, А. И. Исследование влияния размеров щели связи на поведение противофазного и синфазного видов колебаний в двухзазорном однолучевом резонаторе волноводного типа / А. И. Корчагин, В. А. Царев // Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К. : сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф.

«Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24» / СГТУ. -Саратов, 2011.-С. 120-121.

65. Корчагин, А. И. Исследование многоканальных двухзазорных резонаторов с двумя кратными резонансными частотами / А. И. Корчагин, В. А. Царев // Микроэлектроника СВЧ: материалы Всерос. науч.-техн. конф. Т. 2. г. Санкт-Петербург, 4-7 июня 2012 г. - СПб., 2012. - С. 286-292.

66. Корчагин, А. И. Многолучевой клистрод для устройств микроволнового нагрева одновременно на двух рабочих частотах / А. И. Корчагин, В. А. Царев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф. : в 10 т. г. Волгоград, 29-31 мая 2012 г. - Саратов, 2012. -Т. 9.-С. 170-172.

67. Корчагин, А. И. Моделирование колебательных процессов в двухзазорном однолучевом резонаторе волноводного типа / А. И. Корчагин, В. А. Царев // Математические методы в технике и технологиях технологиях - ММТТ-24: сб. тр. ХХГ/Междунар. науч. конф. Саратов: СГТУ, 2012. С. 77.

68. Корчагин, А. И. Фрактальные резонаторы для двухчастотных устройств микроволнового нагрева / А. И. Корчагин, В. А. Царев // А. И. Корчагин, В. А. Царев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26 : сб. тр. ХХУ1Междунар. науч. конф., г. Саратов, 24-26 апреля 2013 г. - Саратов, 2013. -Т. 12.-С. 9-12.

69. Корчагин, А. И. Многолучевой клистрод на фрактальных резонаторах для двухчастотных устройств микроволнового нагрева / А. И. Корчагин, В. А. Царев // Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К.: сб. тр. XXVI Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-26» / СГТУ. - Саратов, 2013. - С. 237-239.