Моделирование многомодовых резонаторных систем и процессов взаимодействия в СВЧ приборах клистронного типа, построенных на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Нестеров Дмитрий Анатольевич

• Нестеров Дмитрий Анатольевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Нестеров Дмитрий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МНОГОМОДОВЫЙ РЕЖИМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

1.1. Теория многомодового режима взаимодействия

1.2. Многомодовые резонаторные системы и приборы клистронного типа с их использованием

1.3. Обзор методов компьютерного моделирования

1.4. Обзор программных средств моделирования

1.5. Выводы

ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЗОНАТОРНЫХ СИСТЕМ И МНОГОЛУЧЕВЫХ КЛИСТРОНОВ НА ИХ ОСНОВЕ

2.1. Общее описание алгоритма

2.2. Аналитический расчет геометрии пространства взаимодействия и эксплуатационных параметров

2.3. Аналитический расчет размеров внутренней структуры резонаторов

2.4. Анализ электродинамических и электронных параметров резонаторов

2.5. Проверка адекватности алгоритма

2.6. Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЧАСТОТНЫХ РЕЖИМОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДВУХЗАЗОРНЫХ РЕЗОНАТОРОВ С ПЛОТНОЙ УПАКОВКОЙ ЛУЧЕЙ

3.1. Общие положения

3.2. Двухзазорный выходной клистронный резонатор с устройствами вывода энергии на две кратные частоты

3.3. Исследование электронных и электродинамических характеристик двухзазорного резонатора

3.4. Щелевой шестиканальный двухзазорный резонатор

3.5. Щелевой тридцатишестилучевой двухзазорный резонатор

3.6. Двухзазорный резонатор с цилиндрическими индуктивными стержнями

3.7. Двухзазорный резонатор с полуцилиндрическими индуктивными стержнями

3.6. Выводы

ГЛАВА 4. ДВУХЗАЗОРНЫЕ КВАЗИФРАКТАЛЬНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

4.1. Общие положения

4.2. Выходной резонатор многопучкового клистрода с бигармоническим полем

4.3. Десятилучевой квазифрактальный резонатор

4.4. Двухзазорные квазифрактальные резонаторы для многолучевых клистронов

4.5. Двухмодовые квазифрактальные двухзазорные резонаторы для мощных многолучевых клистронов

4.6. Многолучевой клистрон с двухзазорным квазифрактальным выходным резонатором

4.7. Квазифрактальный резонатор многолучевого клистрона с предельно высоким КПД

4.8. Тридцатилучевой квазифрактальный резонатор высокомощного МЛК

4.9. Выводы

ГЛАВА 5. УЛУЧШЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОЛУЧЕВЫХ СВЧ ПРИБОРОВ КЛИСТРОННОГО ТИПА

5.1. Общие сведения

5.2. Улучшение выходных характеристик мощного широкополосного клистрона

5.3. Улучшение выходных характеристик многолучевого монотрона '-диапазона

5.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование многомодовых резонаторных систем и процессов взаимодействия в СВЧ приборах клистронного типа, построенных на их основе»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Мощные электровакуумные СВЧ приборы (ЭВП СВЧ) клистронного типа, благодаря высоким значениям мощности, коэффициента усиления и КПД по-прежнему востребованы и продолжают непрерывно совершенствоваться. В настоящее время к приборам клистронного типа предъявляют следующие требования: переход к терагерцовым частотам, повышение выходной мощности и КПД, миниатюризация, расширение рабочей полосы частот и улучшение эксплуатационных характеристик. Эти требования отражены в государственной программе РФ «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013 - 2025 годы» как «снижение в 4-5 р. стоимости мощных СВЧ усилителей с одновременным увеличением выходной мощности в 5-10 раз».

Одним из главных направлений развития клистронов, способных удовлетворить приведенные требования, является переход к многолучевым клистронам (МЛК) с двухзазорными многоканальными полигармоническими резонаторами (ДМПР) и многоствольным клистронам (МСК) с ДМПР, в которых пролетные каналы расположены в нескольких пролетных трубах. Полигармонический режим позволяет полезно использовать эффект взаимодействия электромагнитного поля с высокочастотными полями высших гармоник, возбуждаемых в резонаторной системе (РС), что эффективно повышает КПД при одновременном уменьшении габаритов и массы клистронов.

Однако такие резонаторные системы характеризуются сложной трехмерной конфигурацией. Многомодовые режимы взаимодействия в МЛК мало исследованы, а их оптимизация при использовании 3D численного моделирования чрезвычайно трудоемка. При рассмотрении многомодового взаимодействия в известных работах рассматривались лишь упрощенные модели резонаторных систем. Подробные исследования картины нелинейной динамики ранее не проводились.

Приборам клистронного типа посвящены работы многих отечественных ученых: С. Н. Голубев, А.Д. Григорьев, С.С. Зырин, Ю.А. Кацман, Д.А. Комаров, А.Н. Королев, В.И. Пасманик, В.И. Пугнин, В.П. Сазонов, А.Н. Сандалов, К.Г. Симонов, И.А. Фрейдович, А.Э. Хайков, А.Н. Юнаков и др. Разработками МЛК занимались также зарубежные ученые: А. Дженсен, Б. Левуш, Дж. Кариотакис и др.

Необходимость в разработке и усовершенствовании современных приборов клистронного типа требует проведения комплексных исследований физических явлений, происходящих при многомодовом взаимодействии электронных потоков с СВЧ полем в многоствольных и многолучевых клистронах с двухзазорными многоканальными полигармоническими резонаторами. Для новых типов резонаторных систем - фрактальных - требуется разработка методики их построения и изучение их свойств.

Обе приведенные научно-технические проблемы определяют актуальность диссертационного исследования, имеющую важное народнохозяйственное и оборонное научно-техническое значение.

Область и объект исследований. Объектами исследования являются многолучевые и многоствольные усилительные и генераторные СВЧ приборы клистронного типа. Предмет исследования - многомодовые резонаторные системы и процессы взаимодействия в многолучевых и многоствольных клистронах.

Цель диссертационной работы: создание резонаторных систем для новых типов многоствольных и многолучевых клистронов, удовлетворяющих современным требованиям по комплексу массогабаритных и энергетических параметров.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Разработать методику проектирования МЛК, сочетающую Ш и 3D анализ, а также оптимизацию выходных параметров.

2. Исследовать комплекс параметров двухзазорных многоканальных полигармонических резонаторов для устранения неоднородности СВЧ поля в разных каналах.

3. Разработать методику проектирования и алгоритм расчета новых типов резонаторов - квазифрактальных резонаторов.

4. Разработать методики настройки на кратные рабочие частоты и резонансные системы с их использованием.

5. Исследовать возможность создания МЛК с использованием двухзазорных квазифрактальных резонаторов с КПД 80%.

6. Исследовать возможность улучшения выходных параметров мощного широкополосного клистрона Х-диапазона.

7. Исследовать многолучевой монотронный автогенератор с четырехзазорным резонатором в W-диапазоне частот.

8. Выработать рекомендации, повышающие выходные параметры клистронов без увеличения их массы и габаритов.

Методологическая основа исследований. Поставленные в работе задачи были решены с использованием различных программ, основанных на: Ш приближенных аналитических моделях с применением метода эквивалентных схем; 3D моделей пространственно-развитых резонансных структур, Ш дисковых моделях клистронов. Выдвинутые в данной работе теоретические положения обосновываются путем сравнения полученных результатов компьютерного моделирования с аналогичными результатами, полученными другими авторами, а также сравнением с экспериментальными данными.

Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата, основанного на уравнениях электровакуумной СВЧ электроники и законах электродинамики; сравнением с расчетными и экспериментальными данными, приведенных в отечественных и зарубежных публикациях по клистронам; а также

соответствием данных компьютерного эксперимента результатам экспериментов, выполненных на предприятии АО «НПП «Контакт».

Научная новизна работы. Научная новизна результатов исследования теоретического характера заключается в следующем:

- Впервые разработана методика расчета и оптимизации резонаторов и многолучевых клистронов на их основе с применением программ с возрастающей степенью сложности расчетов, сочетающая Ш, 3D анализ и оптимизацию выходных параметров.

- Предложены методики частотно-независимой настройки на кратность частот к=2 в двухзазорных двухчастотных резонаторах МЛК с использованием индуктивных стержней и проводящих держателей.

- Предложен критерий эффективности резонатора, позволяющий сравнить резонаторы МЛК по комплексу выходных электрических и массогабаритных параметров.

- Впервые создана методика построения внутренней конструкции двухзазорных квазифрактальных резонаторов.

- Исследована возможность создания на 91 ГГц мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором. Прибор имеет выходную мощность 1.8 кВт и КПД в нагрузку 40%.

Научная новизна результатов исследования прикладного характера заключается в следующем:

- Предложена конструкция выходного клистронного резонатора с раздельными устройствами вывода энергии для кратных рабочих частот с независимыми элементами настройки (патент РФ № 153442).

- Обоснованы пути модернизации резонаторной системы однолучевого клистрона X-диапазона без увеличения продольной длины прибора за счет использования многозазорных двухчастотных резонаторов и двухтрубной РС.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту (соответствуют пунктам 1, 2, 3 паспорта специальности 05.27.02):

1. Блочно-иерархический подход к проектированию многолучевых клистронов с использованием комплекса программ моделирования с возрастающей степенью сложности, основанных на:

- приближенных аналитических моделях (для выбора оптимальных параметров рабочего режима МЛК);

- численных 3Б моделях резонаторных систем моделях (для анализа электродинамических параметров);

- одномерных дисковых моделях процессов взаимодействия с электронным потоком в клистронах (для определения выходных параметров прибора).

2. Среди исследованных полуволновых конструкций двухмодовых двухзазорных резонаторов для многолучевых клистронов с плотной упаковкой пролетных каналов, обеспечивающих оперативную настройку на кратность частот, равную двум, максимальную величину критерия миниатюризации (определяемого отношением эффективного характеристического сопротивления резонатора к массе резонаторной системы) имеют:

- двухзазорный выходной клистронный резонатор с независимой оперативной настройкой на рабочую частоту ^-вида колебаний, реализуемой за счет за счет изменения угла поворота держателя (патент РФ № 153442).

- двухзазорный резонатор с настройкой на вторую кратную частоту (2ят-вид) за счет подбора поперечного размера цилиндрических индуктивных стержней.

3. Предложенная методика и алгоритм построения многоканальных двухзазорных резонаторов древовидного типа позволяют создать компактные многомодовые квазифрактальные резонаторы для мощных МЛК S-диапазона с выходной мощностью около 70-75 кВт и предельно высоким электронным КПД до 80%.

4. Увеличение выходных параметров клистрона Х-диапазона, с непрерывной выходной мощностью 12 кВт и КПД 32%, возможно за счет:

- использования в конструкции группирователя многозазорных двухчастотных резонаторов, что повышает электронный КПД и выходную мощность на 11% при тех же габаритах и массе;

- двухствольной конструкции РС с двухзазорными резонаторами, в которой выходная мощность увеличивается на величину свыше 24 кВт при той же длине прибора.

Научная и практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

- Теоретическая значимость состоит в моделировании физических процессов многолучевых клистронов с многозазорными полигармоническими резонаторами сложной конфигурации, в исследовании проблем настройки этих резонаторов на кратность частот и в определении путей устранения неоднородностей СВЧ поля в пространстве взаимодействия резонаторов, в разработке методики конструирования нового типа резонаторов - двухзазорных фрактальных резонаторов.

- Практическая значимость заключается в выработке рекомендаций для модернизации резонаторной системы мощного СВЧ клистрона X-диапазона, повышающих надежность и энергоэффективность систем космической связи (акт внедрения). Результаты, полученные в данной работе, используются при выполнении гранта в рамках Всероссийского инновационного конкурса «УМНИК-2017».

- Практическая значимость также заключается в использовании разработанного макета двухзазорного двухчастотного резонатора в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ имени Гагарина Ю.А. (акт внедрения) при выполнении практических работ по дисциплине М.1.1.5 «Проектирование и технология электронной компонентной базы», изучаемой в рамках направления «11.04.04 Электроника и наноэлектроника». Двухзазорный двухмодовый выходной клистронный резонатор (патент РФ № 153442) может быть использован в клистронах с выходной мощностью 10-15 кВт для СВЧ энергетики.

Результаты исследований диссертации были использованы при выполнении гранта РФФИ № 16-07-00048 А «Моделирование электромагнитных явлений в СВЧ системе «фрактальный резонатор-многолучевой электронный поток».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 научно-технических конференциях и 5 конкурсах:

- Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 55-летию ОАО «НПП «Контакт» (ОАО «НПП «Контакт», Саратов, 2014);

- XXVII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-27» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2014);

- II международной научно-практической конференции «Инжиниринг техно 2014» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2014);

- XI международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2014)» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2014);

- Всероссийской школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы электроники СВЧ и ТГц диапазонов» (Пансионат «Волжские Дали», Село Пристанное, Саратовская область, 2015);

- Международной конференции «Science and Technology» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015);

- XIII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2016)» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2016);

- III Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы СВЧ электроники им. В.А. Солнцева 2017» (Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва, 2017);

- Всероссийском инновационном конкурсе «УМНИК-2015» (Весна) (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015);

- Всероссийском инженерном конкурсе студентов и аспирантов (ВИК) (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 2015).

- Всероссийском инновационном конкурсе «УМНИК-2015» (Осень) (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015);

- Всероссийском инновационном конкурсе «УМНИК-2016» (Весна) (СГУ имени Н. Г. Чернышевского, Саратов, 2016);

- Всероссийском инновационном конкурсе «УМНИК-2017» (Осень) (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2017).

Автор диссертации является победителем конкурса 2015 года на получение стипендии Президента РФ для молодых ученых и аспирантов, а также является победителем Всероссийского инновационного конкурса «УМНИК-2017».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 5 статей в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 2 работы в единой реферативной базе данных Scopus и 1 патент на полезную модель.

Авторский вклад. Задачи исследования были сформулированы научным руководителем работы. Автору диссертации принадлежат следующие результаты: вывод соотношений, разработка алгоритмов и методик расчета, реализующих блочно-иерархический подход к проектированию многолучевых клистронов. Автором были выполнены численные расчеты для определения оптимальных режимов работы клистронов с многомодовыми резонаторами, настроенными на кратные рабочие частоты.

Кроме того, вклад автора заключается в разработке алгоритма построения и методики оперативного расчета квазифрактальных двухзазорных резонаторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, содержит 171 страницы, включая 32

таблицы, 125 рисунка, 86 формул, список литературы состоит из 103 наименований.

ГЛАВА 1. МНОГОМОДОВЫЙ РЕЖИМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Целью данного обзора литературы является рассмотрение конструктивных решений полигармонических РС и приборов клистронного типа, выполненных на их основе, а также описание существующих методов их расчета и анализ соответствующих программ.

1.1. Теория многомодового режима взаимодействия

Как известно, в резонаторах приборов клистронного типа возникает множество резонансных мод (основная и высшие), причем раньше высшие моды обычно являлись нежелательными.

Развитие современных электровакуумных приборов СВЧ клистронного типа сопровождается повышением их мощности и эффективности, расширением частотных диапазонов, использованием новых режимов работы и конструкций электродинамических систем.

Одним из таких режимов является многомодовый режим, при котором взаимодействие электронов с СВЧ-полем осуществляется не только на основном, но и на высших видах колебаний резонаторов [1].

Селекция мод является главной проблемой сложных резонаторных структур приборов клистронного типа. В общем случае, резонаторы представляют собой цилиндры с определенной внутренней структурой. Существует большая вероятность вырождения мод и связи по мощности между модами. Иногда в резонатор требуется добавить металлическую структуру или напыление, которая выборочно вносит затухание в конкурирующие моды [2].

Группирование в клистронах осуществляется за счет взаимодействия СВЧ поля с потоком электронов. При этом в пространстве взаимодействия происходит группирование медленных и быстрых электронов в сгустки в области перехода от отрицательной полуволны синусоидального модулирующего напряжения к положительной полуволне. Некоторая часть

электронов не попадает в сгустки и летит к коллектору, перегревая его и ограничивая КПД прибора.

Однако более эффективным модулирующим напряжением в резонаторах клистрона является напряжение, имеющее временную зависимость, показанную на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Группировка электронов при идеальной форме модулирующего напряжения

В этом случае доля электронов, не попадающих в сгустки, значительно

сокращается. Для получения пилообразной формы напряжения необходимо суммировать бесконечный ряд кратных гармонических составляющих с определенными амплитудами и фазовыми сдвигами между синусоидальными напряжениями различных частот. Однако на практике достаточно ограничиться добавлением нескольких гармонических составляющих малой кратности.

Поэтому для эффективной группировки электронов можно использовать модулирующее устройство, состоящее из нескольких резонаторов, настроенных на основную частоту и высшие гармоники. Общий эффект воздействия полей таких резонаторов на электронный поток в первом приближении аналогичен действию идеального модулирующего напряжения.

Из рисунка 1.2, а видно, что добавление к основному сигналу только второй гармоники уже позволяет приблизится к пилообразной форме напряжения. Практически для повышения КПД в клистронах, помимо резонаторов, настроенных на основную частоту, применяются дополнительные резонаторы, настроенные на удвоенную частоту. Дополнительный резонатор, возбуждающийся на второй гармонике, как правило, размещают после третьего резонатора (рисунок 1.2, а).

а б

Рисунок 1.2. - Схема устройства каскадного клистрона с дополнительным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники (а), и высокочастотные поля, действующие на электроны (б): штрихпунктирные линии - гармонические составляющие; неразрывные линии - суммарное напряжение; пунктирные линии - пилообразное напряжение

В работах Д.М. Петрова показано, что введение дополнительных резонаторов, настроенных на вторую гармонику, обеспечивает увеличение КПД на 15-20% [1].

На рисунке 1.3 представлено разложение в ряд Фурье переменных напряжений или токов с различными гармониками, а также соответствующие эквивалентные схемы.

О//1

ж

Рисунок 1.3 - Разложенные в ряд Фурье кривые переменного напряжения и токов для различных полигармонических режимов, а также соответствующие эквивалентные схемы резонаторов: а и б - для третьей гармоники, в и г - для второй гармоники, д и е - для второй и четвертой гармоник, ж - для первой, второй и третьей гармоник

Первый вариант полигармонического режима (рисунок 1.3, а) позволяет увеличить КПД и выходную мощность, второй (рисунок 1.3, в) -повышает эффективность отбора энергии. В последнем случае форма высокочастотного (ВЧ) напряжения в выходном резонаторе приближается к прямоугольной форме, при которой все электроны, попадающие в ВЧ зазор выходного резонатора, тормозятся полем одинаковой амплитуды в разные моменты времени. Третий (рисунок 1.3, д) и четвертый (рисунок 1.3, ж) -еще больше увеличивают КПД, и, соответственно, выходную мощность [5].

Данный метод получения пилообразного напряжения уже потерял востребованность ввиду усложнения конструкции, увеличения массогабаритных характеристик и низких энергетических параметров. Вместо резонаторов второй гармоники сейчас применяются компактные многочастотные (многомодовые) резонаторы, работающие на нескольких кратных рабочих частотах и имеющие более высокие энергетические характеристики.

Многомодовые резонаторы могут быть однозазорными и многозазорными. Наибольшие возможности для реализации многочастотного взаимодействия представляют двухзазорные резонаторы (ДЗР). Такие резонаторы характеризуются наличием сложной геометрии и требуют высокой точности расчета и оптимального выбора комплекса электронных и электродинамических параметров. Использование четвертьволнового ДЗР с двумя кратными противофазным и синфазным видами колебаний дает возможность получить режим несинусоидальной скоростной модуляции при устранении самовозбуждения прибора на этих видах колебаний [1].

Кроме того, режим с кратностью частот к=2 может быть использован для повышения КПД генераторных и усилительных приборов [5].

Однако разработка подобных резонансных систем для двухмодового режима работы СВЧ приборов наталкиваются на большие трудности, связанные со сложным спектром собственных частот и с неоднородным характером распределения ВЧ электрического поля. Многомодовый резонатор имеет несколько рабочих резонансов, поэтому увеличивается

вероятность его самовозбуждения в режимах работы, соответствующих области отрицательной электронной проводимости [6].

Расширение полосы рабочих частот и повышение КПД при понижении питающих напряжений, сокращении габаритов прибора и увеличении срока службы катодов возможно при переходе от однолучевых приборов клистронного типа к многолучевым. Многолучевые усилительные клистроны и клистроды являются основой передатчиков современных перспективных бортовых, морских и наземных радиоэлектронных систем [7].

1.2. Многомодовые резонаторные системы и приборы клистронного

типа с их использованием

В [8] приведен клистрон, который может быть использован в качестве умножителя частоты. Клистрон (рисунок 1.4) содержит электронную пушку, входной и выходной резонаторы, настроенные на основную частоту, а также коллектор. Три промежуточных резонатора, настроенные на частоту выше основной, позволяют осуществить индуктивную настройку. Резонатор второй гармоники 19 имеет емкостную настройку по электронному пучку и возбуждается на частоте несколько ниже удвоенной основной частоты. Соединительный переходник 20 включен во входной резонатор для приложения модулирующего входного сигнала к входному резонатору, петля связи 21 используется для отбора энергии из выходного резонатора.

Рисунок 1.4 - Клистрон с двухчастотным выходным резонатором: 12 - электронная пушка, 13 - входной резонатор, 14 - выходной резонатор, 15 - коллектор, 16-18 - промежуточные резонаторы, 19 - резонатор второй гармоники, 20 - соединительный переходник, 21 - петля связи, 22 - предпоследний резонатор, 23, 24 - зазоры трубы дрейфа

Предпоследний резонатор 22 настроен на частоту чуть выше удвоенной основной частоты, обеспечивая индуктивную настройку на частоту второй гармоники. Данный прибор позволяет повысить величину КПД.

В [9] приведен клистрон (рисунок 1.5), в котором использован гармонический предгруппирователь для повышения КПД. Прибор включает электронную пушку, входной, промежуточный и выходной резонаторы, коллектор. Резонансная система предгруппирователя (входной резонатор) включает резонатор основной гармоники и резонатор, настроенный на частоту второй гармоники. Такая конструкция обеспечивает пилообразное напряжение для скоростной модуляции, что повышает КПД прибора.

Рисунок 1.5 - Конструкция клистрона: 1 - клистрон; 2 - электронная пушка; 3 - поток электронов; 4 - коллектор; 5 - источник питания; 6 - входной резонатор, 7 и 9 -коаксиальная линия передачи, 8 - выходной резонатор, 11 - резонатор второй гармоники, 13 - группирователь (промежуточные резонаторы), 14 - предпоследний резонатор, 15 -дополнительный резонатор основной частоты, 16 - предгруппирователь

В [10] описан мощный пролетный многорезонаторный клистрон с увеличенным КПД (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 - Мощный пролетный многорезонаторный клистрон: 1 - резонаторный блок, 2-5 резонаторы, 6-9 - узлы настройки, 10 - устройство связи с нагрузкой, 11 - каналы охлаждения

Прибор состоит из входного резонатора, промежуточного резонатора, резонатора с удвоенной частотой колебаний и выходного резонатора. Величина зазоров и расстояния между зазорами в промежуточном резонаторе и резонаторе второй гармоники выбираются из условия оптимального группирования электронного потока после предвыходной системы (зазоры

которой на рисунке 1.6 обозначены цифрами 3 и 4) и получения максимальной амплитуды первой гармоники конвекционного тока в выходном резонаторе. Приведенная конструкция позволяет повысить КПД клистрона без изменения габаритных размеров и режима питания.

Общим недостатком описанных приборов с резонаторами основной и удвоенной (кратной) частоты является увеличение массогабаритных характеристик и увеличение продольного размера прибора.

Для обеспечения полигармонического режима можно использовать один однозазорный резонатор или блок однозазорных резонаторов.

На рисунке 1.7 изображен тороидальный резонатор СВЧ-прибора [11]. Он состоит из половины тороидального резонатора и соосного с ним разомкнутого четвертьволнового коаксиального резонатора. Такой резонатор позволяет повысить КПД прибора путем получения требуемого отношения резонансных частот Е020 к Е010.

Настройка каждого резонатора проводится отдельно с использованием технологического днища, которое представляет собой проводящий диск, у которого одна из торцевых поверхностей тщательно обработана и установлена в плоскости, которая проходит через середину зазора между трубами дрейфа перпендикулярно оси резонатора. Половину тороидального резонатора можно настраивать, изменяя его диаметр, а коаксиальный резонатор - изменяя его высоту.

В [12] представлен однозазорный двухчастотный резонатор (рисунок 1.8, а). Электронные и электродинамические характеристики резонатора приведены

а

Рисунок 1.7 - Конструкция резонатора

в таблице 1.1, где/- рабочая частота, р - характеристическое сопротивление, М -коэффициент взаимодействия, Q0 - собственная добротность.

Структура №1 Структура №2 Структура №3

а б в

Рисунок 1.8 - Однозазорные и двухзазорные резонаторы

Таблица 1.1. Параметры эталонного резонатора

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нестеров Дмитрий Анатольевич, 2019 год

/ /

4 * V

т * % /

г, ГГц Г, ГГц

а б

Рисунок 3.7 - Зависимости коэффициента взаимодействия и относительной активной электронной проводимости от частоты для п-мод (а) и 2п-мод (б)

а б

Рисунок 3.8 - Зависимости коэффициента взаимодействия и относительной активной электронной проводимости от напряжения для п-мод (а) и 2п-мод (б)

Данный резонатор позволяет создать новые многофункциональные

многолучевые усилительные и генераторные клистроны и клистроды, позволяющие получить вывод СВЧ-мощности в нагрузку одновременно на двух кратных частотах, соответствующих противофазному и синфазному видам колебаний [39].

3.3. Исследование электронных и электродинамических характеристик

двухзазорного резонатора

Цель исследования - проверка возможности реализации многомодового режима в двухзазорном резонаторе с кратностью мод 1, 2, 3, 4 и проведение анализа условий его устойчивости к самовозбуждению за счет возникновения «монотронных» колебаний.

На рисунке 3.9, а представлена 3Б модель исследуемого двухзазорного полуволнового семилучевого резонатора. Геометрические размеры двойного зазора следующие: длина зазора d=2.6 мм, радиус пролетного канала а=1.75

мм, длина втулки 1=9.8 мм. Размеры выбраны из условия достижения при ускоряющем напряжении 8 кВ эффективного взаимодействия на основной частоте (2450 МГц) и высших модах, соответствующих противофазным (7350 МГц) и синфазным (4900 МГц, 9800 МГц) видам колебаний. На рисунке 3.9, б приведен чертеж соответствующей модели резонатора с двумя индуктивными стержнями.

а

б

Рисунок 3.9 - Двухзазорный резонатор: а - 3Б модель; б - чертеж В таблице 3.2 приведены параметры рабочих видов колебаний. В

таблице 3.3 представлены характеристики паразитных видов колебаний [40]. Таблица 3.2. Параметры рабочих видов колебаний

Мода ¥ /0, ГГц р, Ом М рМ2, Ом 0е/00 60

1 (к = 1) п 2.450 82.456 0.905 67.536 0.241 1169

3 (к = 2) 2п 4.900 41.174 0.678 18.927 0.565 1018

3) 1 1 1л п 7.350 27.642 0.442 5.400 0.560 2970

10 (к = 4) 2п 9.800 20.491 0.226 1.047 0.326 5500

Таблица 3.3. Параметры паразитных видов колебаний

Мода ¥ /0, ГГц р, Ом М рМ2, Ом 60

2 2п 3.569 56.881 0.767 33.462 2454

4 п 5.300 38.315 0.528 10.682 1094

6 п 7.623 26.636 0.348 3.226 2748

7 2п 7.711 26.333 0.473 5.891 2389

8 2п 7.974 25.463 0.507 6.545 3868

9 п 9.685 20.965 0.327 2.242 5214

Зависимость относительных значений коэффициента взаимодействия для кратных частот с кратностью к приведена на рисунке 3.10. На рисунке 3.11 показаны зависимости коэффициента взаимодействия М и относительной активной электронной проводимости Ое/О0 от частоты для

всех видов колебаний, позволяющие определить зоны, опасные для самовозбуждения. На рисунке 3.11 красными вертикальными линиями (положительная область по ординате) отмечены рабочие виды колебаний, синими вертикальными сплошными - паразитные моды (отрицательная область по ординате), влияющие на рабочие моды, синими вертикальными пунктирными - паразитные моды, не влияющие на рабочие виды колебаний (цифрами указаны порядковые номера мод). Опасными для работы прибора являются 2 (3.569 ГГц), 4 (5.300 ГГц) и 7 (7.711 ГГц) моды.

Рисунок 3.10 - Частотная зависимость относительного произведения рМ для рабочих

видов колебаний

а б

Рисунок 3.11 - Зависимости коэффициента взаимодействия и относительной активной электронной проводимости от частоты для н-мод (а) и 2н-мод (б)

На рисунке 3.12 представлены зависимости напряженности поля от координаты 2 при кратности мод п = 1, 2, 3, 4, показывающие значительную неравномерность в различных каналах на всех рабочих частотах, кроме первой.

(и=3) (п=4)

Рисунок 3.12 - Зависимость напряженности поля от расстояния в четырех каналах Разработанный резонатор за счет высокого характеристическое

сопротивления обеспечивает эффективное взаимодействие на двух кратных

частотах (п=1, п=2), а при устранении влияния паразитных мод 2, 4 и 7 - на

четырех частотах с кратностью мод 1, 2, 3, 4. Для этого необходимо ввести

потери в резонатор на паразитных видах колебаний [41]. Данный резонатор

может использоваться в приборах для СВЧ нагрева и в приборах с

ограничением массы.

3.4. Щелевой шестиканальный двухзазорный резонатор

Особенностью щелевых резонаторов является то, что у них отсутствуют центральная пролетная труба - ее заменяет крышка, разделяющая соседние однозазорные резонаторы. Рассмотрим параметры объемного резонатора щелевого типа, представленного на рисунке 3.13.

2гг

а б

Рисунок 3.13 - Модель щелевого двухзазорного резонатора: а - 3Б модель, б - разрез с

обозначением размеров

Целью исследования щелевого шестиканального двухзазорного резонатора является изучение его свойств и настройка на кратные частоты. Исследуемый резонатор имеет 6 лучей, равноудаленных от центра из-за сильной неоднородности СВЧ поля в области взаимодействия.

Электронные и электродинамические параметры указанного резонатора представлены в таблице 3.4. Щелевой резонатор имеет небольшое разделение частот между основным и вторым видами колебаний, что может накладывать ограничения на работу клистрона в широкой полосе частот. При расчете резонатора были использованы следующие значения параметров: радиус резонатора гх=17.7 мм, высота резонатора ^=16.2 мм, радиус канала а=1.6 мм, радиус потока электронов ¿=1.4 мм, длина зазора ^=2.4 мм, длина втулки /=6.4 мм, ускоряющее напряжение (для режима усиления) и0у<5.8 кВ, ускоряющее напряжение (для режима генерации) и0г>6.5 кВ, ток одного луча /01=0.14 А.

Таблица 3.4. Параметры щелевого двухзазорного резонатора с равными длинами зазоров

Мода и0, кВ I ГГц ¥ &> М Ое/Оа Ве/В0 уА рад р, Ом рМ2, Ом

1 (Л) иоу=5.8 2.445 п 2121 0.924 0.044 -0.353 3.920 35.308 30.161

иог=6.5 0.926 -0.013 -0.338 3.707 30.301

2 иоу=5.8 4.616 п 3209 0.223 0.248 0.386 7.253 19.189 0.960

иог=6.5 0.344 0.358 0.307 6.858 2.271

3 02) иоу=5.8 4.892 2п 2636 0.744 0.045 -0.437 7.687 18.106 10.029

иог=6.5 0.740 -0.098 -0.407 7.269 9.940

На рисунке 3.14 представлены графические зависимости коэффициента взаимодействия и относительной активной проводимости от напряжения.

а

б

Рисунок 3.14 - Зависимости коэффициента взаимодействия и относительной активной проводимости от напряжения а - п-вид колебаний, б - 2п-вид колебаний

Коэффициент взаимодействия для двух режимов примерно одинаков и лежит слева от максимума (усиление) или справа от максимума (генерация). Усиление СВЧ сигнала происходит при положительном значении 0е/00„ что соответствует области и0у<5.8 кВ. Автогенерация происходит при отрицательном значении 0е/00„ что соответствует области и0г>6.5 кВ.

Настройка на кратность частот щелевого резонатора осуществлялась за счет изменения размера щели, который, в свою очередь, зависел от радиуса г2 (рисунок 3.15, а). На том же рисунке показан график изменения паразитного вида колебаний/П, возникающего вблизи второй рабочей частоты/2. Его можно было бы использовать для расширения полосы, однако силовые линии поля этого колебания в продольном направлении неоднородны (рисунок 3.15, г).

а б в г

Рисунок 3.15 - Зависимость частоты первых трех видов колебаний в щелевом резонаторе от радиуса Г2 (а), силовые линии полей п-вида колебания (б), силовые линии полей 2п-вида колебания (в) и силовые линии полей паразитного вида колебаний (г)

Многолучевой СВЧ прибор, электродинамическая система которого выполнена на основе щелевого двухзазорного резонатора, позволяет эффективно усиливать (при ускоряющем напряжении и0у>5.8 кВ) или генерировать колебания СВЧ диапазона (при ускоряющем напряжении и0г<6.5 кВ) на двух рабочих частотах, позволяя создать двухрежимный прибор, который может работать и как усилитель, и как генератор [42].

3.5. Щелевой тридцатишестилучевой двухзазорный резонатор

В шестилучевом резонаторе площадь области взаимодействия используется нерационально, ограничивая число лучей и величину первеанса. При большем числе лучей возникает сильная неоднородность относительно соседних каналов, расположенных на разных расстояниях от центра области взаимодействия.

Цель исследования щелевого тридцатишестилучевого двухзазорного резонатора - устранение неравномерности в трех разных кольцевых слоях и настройка на кратность частот.

Для начала рассмотрим конструкцию двухзазорного двухмодового резонатора щелевого типа с одинаковыми длинами зазоров для разных кольцевых слоев (рисунок 3.16).

Щ

Рисунок 3.16 - Конструкция щелевого двухзазорного резонатора: а - перспектива, вид

сверху; б - вид сбоку

Расчет проводился для таких параметров, при которых отсутствует самовозбуждение прибора на рабочих частотах: радиус резонатора Я=18 мм, высота резонатора #=16.2 мм, радиус канала а=1.6 мм, радиус потока электронов ¿=1.3 мм, длина зазора ^=2.4 мм, длина втулки /=6.4 мм, ускоряющее напряжение и0=6 кВ, ток одного луча /01=0.14 А. Параметры трех первых видов колебаний приведены в таблице 3.5, где символом № обозначен номер кольцевого слоя, на котором расположены пролетные каналы.

Таблица 3.5. Параметры щелевого двухзазорного резонатора с равными длинами зазоров

Мода /о, ГГц ¥ 00 М Ве/В0 уВ, рад № р, Ом рМ2, Ом

1 36.975 31.407

1 (/1) 2.487 п 2264 0.921 0.025 -0.346 3.843 2 32.721 27.793

3 28.442 24.159

1 20.741 2.424

2 4.433 п 4087 0.341 0.352 0.301 6.851 2 18.685 2.184

3 16.593 1.939

1 18.810 10.101

3 (/2) 4.888 2п 3011 0.732 0.006 -0.418 7.554 2 15.941 8.561

3 12.214 6.559

Из таблицы 3.5 видно, что по мере удаления от центра резонатора

значительно падает величина эффективного характеристического сопротивления рМ2, которая связана с полосой и коэффициентом усиления прибора. Кроме того, наблюдается сильная неоднородность ВЧ поля по радиусу, что приводит к уменьшению электронного КПД прибора. На рисунке 3.17 приведены зависимости коэффициента взаимодействия и относительной активной проводимости от частоты для первых трех видов колебаний резонатора, позволяющие выбрать параметры режима взаимодействия, исключающие самовозбуждение прибора.

ГГц Г, ГГц

а б

Рисунок 3.17 - Зависимости коэффициентов взаимодействия и относительной активной проводимости от частоты для противофазных (а) и синфазных видов колебаний (б)

В ступенчато-неоднородном резонаторе щелевого типа (рисунок 3.18) втулка состоит из нескольких цилиндрических элементов с разной толщиной. Это позволяет выровнять (за счет разных длин зазоров) амплитуду продольной составляющей ВЧ поля резонатора в областях, примыкающих к разным кольцевым слоям, находящихся на разном расстоянии от центра резонатора. Отметим, что переход к ступенчато-неоднородной в радиальном

направлении втулке привел к смещению рабочих частот. Для компенсации этого явления высота резонатора была соответствующим образом изменена.

а б

Рисунок 3.18 - Конструкция щелевого ступенчато-неоднородного двухзазорного резонатора: а - перспектива, вид сверху; б - вид сбоку

В таблице 3.6 приведены параметры ступенчато-неоднородного щелевого резонатора с указанием соответствующих значений длины зазора и толщины втулки для разных колец пролетных каналов.

Таблица 3.6. Параметры щелевого ступенчато-неоднородного двухзазорного резонатора

Мода ГГц ¥ 00 уА рад ё, мм 1, мм № р, Ом М Ое/Оа Ве/В0 рМ2, Ом

3.05 6.4 1 35.316 0.908 0.095 -0.354 29.171

1 01) 2.454 п 2209 4.232 2.7 7.1 2 35.064 0.914 0.130 -0.362 29.321

2.25 8 3 31.532 0.915 0.180 -0.365 26.414

3.05 6.4 1 20.484 0.284 0.298 0.330 1.655

2 4.232 п 4041 7.299 2.7 7.1 2 10.169 0.217 0.245 0.396 0.480

2.25 8 3 9.144 0.121 0.147 0.473 0.133

3.05 6.4 1 17.816 0.694 0.192 -0.375 8.581

3 02) 4.869 2п 2891 8.398 2.7 7.1 2 16.573 0.714 0.283 -0.391 8.465

2.25 8 3 14.083 0.720 0.413 -0.370 7.320

Приведенные в таблице 3.6 расчетные данные показывают, что ступенчато-неоднородная конструкция резонатора позволяет добиться более равномерного взаимодействия многолучевого электронного потока с СВЧ-полем. Разброс величин эффективных характеристических сопротивлений (рМ2мах/рМ2тт) по радиусу трубы в новой конструкции составил 9.5% на противофазном виде колебаний (вместо 23% при одинаковых зазорах). Соответственно на частоте второй гармоники, соответствующей синфазному виду колебаний, разброс не превышал 15% (вместо 35%). Это позволило увеличить величину произведения коэффициента усиления на полосу пропускания прибора.

На рисунке 3.19 изображены зависимости коэффициента взаимодействия и относительной активной проводимости от частоты для

противофазных и синфазных видов колебаний в ступенчато-неоднородном щелевом резонаторе. Цифрами указаны номера колец пролетных каналов.

а б

Рисунок 3.19 - Зависимости взаимодействия и относительной активной проводимости от частоты для противофазных (а) и синфазных видов колебаний (б) для разных кольцевых рядов

Сравним зависимости напряженностей электрического поля щелевых двухзазорного и ступенчато-неоднородного двухзазорного резонатора (рисунки 3.20-3.21).

а б

Рисунок 3.20 -Зависимость напряженности вдоль каналов различных колец для первого рабочего вида колебаний электрического поля щелевого двухзазорного (а) и щелевого ступенчато-неоднородного двухзазорного резонатора (б)

а б

Рисунок 3.21 - Зависимость напряженности вдоль каналов различных колец для второго рабочего вида колебаний электрического поля щелевого двухзазорного (а) (Ар/1)=1.28, £р/г)=1.43) и щелевого ступенчато-неоднородного двухзазорного резонатора (б)

(Ар(/1)=1.07, ^0/2)=1.12)

Из рисунков 3.20-3.21 видно, что ступенчато-неоднородная конструкция резонатора позволяет выровнять напряженность электрического поля для пролетных каналов, находящихся в разных кольцевых слоях. Однако при этом снижается максимум напряженности, что, в конечном итоге, снижает выходную мощность и КПД. Однако в двухмодовом режиме взаимодействия это можно скомпенсировать за счет несинусоидальной скоростной модуляции.

Отметим, что максимумы напряженностей в различных кольцах пролетных каналов щелевого ступенчато-неоднородного резонатора смещались к крышкам ввиду того, что неоднородность присутствовала лишь со стороны втулки. Если крышки будут неоднородными по высоте, то максимумы напряженностей смещаться не будут. Выходная мощность в тридцатишестилучевом резонаторе гораздо выше, чем у шестилучевого щелевого резонатора за счет большего числа лучей, что обеспечивает возможность его применения в космической и наземной радиосвязи [43].

3.6. Двухзазорный резонатор с цилиндрическими индуктивными стержнями

Целью исследования двухзазорного резонатора с цилиндрическими индуктивными стержнями (рисунок 3.22) является оперативная настройка на режим работы с кратностью частот основного вида колебания ку = 2 и

устранение неоднородности ВЧ поля в различных каналах. При численном моделировании в указанном полуволновом резонаторе за счет изменения радиуса стержней г4 (рисунок 3.22, а) осуществлялась настройка частоты синфазного вида колебания /2 и частоты противофазного вида колебаний . Частота /2 также настраивалась на частоту 2/х изменением длины опорного проводника (держателя). Эта длина, в свою очередь, определялась внешним радиусом пролетной трубы г2 и радиусом резонатора г3.

а б

Рисунок 3.22 - Исходный двухзазорный резонатор с индуктивными стержнями с указанием внутренних элементов и характерных геометрических размеров: а - 3В-модель,

вид сверху; б - поперечное сечение

Отметим, что характерные относительные размеры двойного бессеточного зазора (длины зазоров ё / а = 2 и втулки I / а = 5, а также угол пролета по радиусу пролетного канала уха = 2ц[х а / ¥0 = 0.44 рад)

определялись из условий выбора оптимального угла пролета двойного зазора на основной частоте ухБ = ^а (2ё /а +1/ а) = 4 рад. Скорость электронного

потока V, определяемая величиной ускоряющего напряжения ио, выбиралась исходя из условия обеспечения сравнительно высоких величин коэффициентов эффективности М1 и М2 одновременно на двух кратных частотах / = 2450 МГц и /2 = 4900 МГц.

Для получения высокого электронного КПД микропервеанс одного луча был выбран равным р х = 0.25 мкА/В3/2. При этом коэффициент

заполнения пролетного канала пучком считался равным Ь / а = 0.8. Результаты проведенных расчетов, приведенные на рисунке 3.23, показывают, что условию работы исследуемого резонатора в усилительном устройстве соответствует выбор ускоряющего напряжения ио = 14 кВ. При этом самовозбуждение прибора отсутствует (величины относительной активной электронной проводимости Ое1 / G0 > 0 и ^ / G0 > 0), как на рабочих частотах, так и на частотах высших паразитных видов колебаний.

Рисунок 3.23 - Зависимости электронных параметров: коэффициентов эффективности взаимодействия М1 и М2 и относительной электронной проводимости Сл/С0 и Се2/С0 от ускоряющего напряжения Ц0 для кратных частот основного/1 и высшего/ видов колебаний

Затемненные зоны на графике 3.23, б отмечают режимы, при которых исследуемый резонатор может быть использован как элемент резонаторной системы многолучевого монотрона.

Результаты настройки данного резонатора на кратные частоты / 6, / 1

и / , /I для различного числа пролетных каналов - 6 и 7 представлены на рисунке 3.24. На рисунке 3.24, б показано изменение оптимального размера цилиндрического корпуса резонатора г3 при переходе от семиканальной конструкции к шестиканальной.

а б

Рисунок 3.24 - Зависимости рабочих частот от геометрических параметров (верхний индекс обозначает число каналов, нижний индекс - номер моды): а - зависимость от радиуса индуктивного стержня, б - зависимость от радиуса резонатора

Результаты расчета электродинамических и электронных параметров исходного двухзазорного резонатора семилучевого клистрона, представлены в таблице 3.7. Таблица 3.8 содержит соответствующие параметры оптимизированного резонатора шестилучевого клистрона.

Таблица 3.7. Электродинамические и электронные параметры исходного семиканального _резонатора_

Мода /, ГГц Вид колебаний № канала 9.0 р, Ом Ы ОсЮ0 уД рад рЫ2, Ом

1 (/1) 2.466 п 1 2 3 3566 151 141 160 0.933 0.063 4.056 131 123 139

2 4.435 п 1 2 3 4073 0 6 35 0.241 0.275 7.294 0 0 2

3 (/2) 4.900 2п 1 2 3 3933 172 155 129 0.765 0.145 8.059 101 91 75

Таблица 3.8. Электродинамические и электронные параметры шестиканального резонатора

Мода /, ГГц Вид колебаний № канала 00 р, Ом Ы ОсЮ0 уД рад рЫ2, Ом

1 (/1) 2.440 п 2 3 4348 144 164 0.934 0.050 4 126 143

2 4.415 п 2 3 4045 9 35 0.251 0.285 7.261 1 2

3 (/2) 4.899 2п 2 3 3909 155 129 0.765 0.145 8.057 91 75

Из этих таблиц следует, что вблизи рабочей частоты, соответствующей

синфазному виду колебаний, находится паразитная мода с противофазным видом колебаний. Однако импеданс этой моды Z2 = р20О2 намного меньше импеданса второй рабочей моды. Величины характеристических сопротивлений резонатора на двух видах колебаний примерно одинаковы. Следует отметить, что для определения характеристического сопротивления использовался метод возмущающего тела, в качестве которого использовался диэлектрик (фторопласт) с кольцевой формой поперечного сечения, который в 3Б модели резонатора помещался внутрь исследуемого канала.

Из приведенных таблиц следует, что неравномерность по параметру рЫ2 для исходного семиканального и оптимизированного шестиканального резонаторов на первой моде была равна 12%; на второй моде для исходного семиканального резонатора она составила 26%, в то время как для шестиканального - 18%.

На рисунках 3.25-3.26 изображены линии эквипотенциального электрического поля и соответствующие картины электрического поля для двух конструкций резонаторов.

а

б

Рисунок 3.25 - Эквипотенциальные линии и картины распределения напряженности электрического поля вдоль длины двойного зазора противофазной моды, измеренные в различных каналах: а - для семиканального резонатора, б - для шестиканального резонатора

а б

Рисунок 3.26 - Эквипотенциальные линии и картины распределения напряженности электрического поля вдоль длины двойного зазора синфазной моды, измеренные в различных каналах: а - для семилучевого резонатора, б - для шестилучевого резонатора

Данные рисунки демонстрируют сильное отличие в конфигурации поля в области взаимодействия для резонатора с центральным каналом для второго (синфазного) вида колебания. В то же время конфигурация электрического поля первого вида колебания отличается незначительно. При этом неравномерность продольной составляющей электрического поля для

противофазного вида колебания для двух конструкций резонаторов находится примерно на одном уровне 3-5%.

Графики иллюстрируют тот факт, что для семилучевого резонатора на синфазном виде колебаний наблюдается сильная азимутальная неравномерность электрического поля (около 15%) в каналах 1 и 3. Переход к шестилучевой конструкции позволяет практически устранить эту неоднородность.

Исследованный многоканальный двухзазорный резонатор выполнен таким образом, чтобы на противофазном виде колебаний он был настроен на рабочую частоту /, а в синфазном виде на удвоенную частоту / = 2/.

Такая конструкция резонатора позволяет:

- сделать многолучевой высокоэффективный клистрон более компактным;

- обеспечить равномерное электрическое поле в области взаимодействия и высокое эффективное характеристическое сопротивление в различных каналах и, следовательно, более высокий электронный КПД;

- получить высокое характеристическое сопротивление, как на основной, так и на высшей рабочих частотах, что позволит улучшить выходные и эксплуатационные характеристики многолучевых клистронов.

3.7. Двухзазорный резонатор с полуцилиндрическими индуктивными стержнями

Цель исследования - борьба с неоднородностью распределения ВЧ электрического поля в пролетных каналах, находящихся на разных расстояниях от центра резонатора и настройка резонатора одновременно на две рабочие частоты с заданной кратностью.

Основу конструкции многоканального двухзазорного резонатора (рисунок 3.27) составляет цилиндрический корпус, диаметр которого определяет частоту синфазного вида колебаний / . Внутри этого корпуса помещен полуволновый резонансный элемент, возбуждаемый на частоте / .

Рисунок 3.27 - Двухзазорный резонатор (а), состоящий из корпуса резонатора (б), крышек (б), полуволнового резонансного элемента (г) и индуктивных стержней (д)

Он представляет собой закороченный на двух концах отрезок симметричной полосковой линии, нагруженный на емкость двойного зазора. Емкостные и индуктивные элементы этой полосковой линии выполнены как единое целое и имеют прямоугольную форму, причем пролетные каналы расположены на трех линейных рядах, ориентированных перпендикулярно проводникам полосковой линии.

Профиль пролетных труб в направлении распространения ТЕМ волны выполнен плавно неоднородным, так, чтобы длина ВЧ зазора увеличивалась по мере приближения к центру емкостной части. Это позволяет уменьшить неоднородность ВЧ поля в поперечном сечении пространства взаимодействия. Для настройки на заданное отношение частот к = /2 / в резонансный объем введены два индуктивных стержня, имеющие в поперечном сечении форму полуцилиндра. Определение геометрических размеров резонатора, при которых возможна одновременная настройка резонатора на две рабочие частоты, проводилось путем 3Б численного электродинамического моделирования.

Расчетные зависимости (рисунок 3.28, а), демонстрируют взаимно противоположное влияние углового положения а на частоты противофазного и синфазного вида колебаний. Как видно из рисунка, кратность к = 2

обеспечивается при а = 60°. Изменение углового положения а оказывает влияние и на величину характеристического сопротивления р (рисунок 3.28, б).

1 90 20? 40 60 80 100 120 140 160 I»/

а б

Рисунок 3.28 - Зависимости частот противофазногоf и синфазногоf видов колебаний резонатора от величины угла а (а); зависимость характеристического сопротивления для противофазного pfi) и синфазного pf2) видов колебаний от величины угла а (б)

На рисунке 3.28 зависимости, изображенные сплошными линиями, относятся к противофазному виду колебаний, а штриховыми - к синфазному. Дальнейшие расчеты оптимальных режимов взаимодействия электронов с СВЧ полем на двух кратных частотах проводились при фиксированном значении угла а = 60°.

При расчетах параметра M коэффициент заполнения пролетного канала лучом принимался равным b/ a = 0.8, ток одного луча /01 = 0.4 А. Минимальная длина трубы дрейфа /min определялась из известного условия надежной экранировки ВЧ полей зазоров пролетной трубой:

^ > 2. (3.1)

a

На рисунке 3.29, а показана зависимость эффективного характеристического сопротивления (с учетом коэффициента взаимодействия M) pM2 от соотношения длины зазора к радиусу пролетного канала d / a.

а

б

Рисунок 3.29 - Зависимость эффективного характеристического сопротивления рМ2 от соотношения ё/а (а); зависимость рМ2 от и (б)

Минимальное соотношение d / а = 2.6, соответствующее максимуму критерия (3.1), было использовано при дальнейших расчетах двухзазорного резонатора. На рисунке 3.29, б представлен график зависимости рЫ2 от ускоряющего напряжения ио, из которого следует, что для эффективного взаимодействия электронов с полем СВЧ требуется напряжение около 16 кВ.

Исходя из условия обеспечения высокой долговечности клистрона, плотность тока катода / принималась равной плотности тока луча / = / = 5 А/см2. При этом первеанс на один луч оказался равным:

Л =

I

01

и

3/2

/к 'П'Ь = 0.2• 10"6 А/В3/2.

и

3/2

(3.2)

0 и0

Результаты дальнейших расчетов приведены в таблице 3.9, которая содержит сведения об электронных и электродинамических параметрах резонатора на рабочих (№ 1 и 3) и паразитных частотах (№ 2 и 4).

Таблица 3.9. Параметры двухзазорного резонатора с кратностью частот

№ / ГГц ¥, рад 00 рМ2, Ом Ве/В0 УД рад

1 2.423 п 4895 62 0.001 -0.342 4.010

2 4.218 п 5493 0.02 0.411 0.194 6.981

3 4.874 2п 5040 45 0.010 -0.391 8.067

4 6.052 п 3176 0.34 -0.238 0.118 10.017

Учитывая малые значения эффективного характеристического произведения для паразитных видов колебаний, можно считать, что эти моды не будут влиять на работу резонатора на рабочих видах колебаний.

На рисунке 3.30 представлены зависимости относительной активной проводимости и относительной реактивной проводимости от частоты противофазного (рисунок 3.30, а) и синфазного (рисунок 3.30, б) видов колебаний.

ё о са

о О

О

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 о 0.1 П.2 0.3 0.4 0.5

А \

/ \ 4

/ \ ч \ 4 J

/

t / ............Ge/Go

■ч _ ■ - Be/Go

о О £> Ш

6

О

§

о

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 £ ГГц

а

0.5 0.4 0.3 0.2 0 1 0 -0 1 -0.2 -0.3 -0.4 - 0.5

\ Ge/Go ---Be/Go S f

\

\ / / /

\

\ у t

/ /

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 f. ГГц

б

Рисунок 3.30 - Зависимости относительной активной проводимости Ge/Go и относительной реактивной проводимости Be/Go от частоты противофазного (а) и

синфазного (б) видов колебаний

Из рисунка 3.30 видно, что рабочие виды колебаний находятся в зонах положительных значений Ge/G0, что гарантирует отсутствие самовозбуждения при взаимодействии на двух кратных частотах двухзазорного резонатора.

За счет одновременной работы одного или двух промежуточных резонаторов МЛК на двух кратных частотах противофазного и синфазного видов колебаний реализуется несинусоидальный режим модуляции электронного потока, что позволяет повысить КПД прибора и его выходную мощность примерно на 10%, не увеличивая габариты и массу резонатора и всего прибора.

Выходная мощность МЛК с приведенным выше двухзазорным резонатором составляет 34.9 кВт.

Для сравнения выходных параметров МЛК с двухзазорным многомодовым резонатором и современных магнетронов, предназначенных для промышленного нагрева, обратимся к таблице 3.10. Все перечисленные в таблице приборы работают на частоте 2450 МГц в непрерывном режиме работы.

Таблица 3.10. Сравнение уровней КПД и выходной мощности клистрона и магнетронов

Типы приборов п, % Рвых, кВт

МЛК с двухзазорным резонатором 65 35

Магнетрон MUEGGE CWM-15S [44] 57 15

Магнетрон L3 CWM-30S [45] 57 30

По таблице видно, что по основным выходным параметрам предлагаемая конструкция клистрона имеет значительные преимущества по сравнению с разработанными в настоящее время СВЧ приборами, работающими на частоте 2450 МГц.

Предложенная модульная конструкция двухзазорного резонатора дает возможность упростить его изготовление и позволяет значительно упростить процесс его настройки на режим с кратными рабочими частотами. Следует отметить, что настройка такого резонатора возможна не только на кратные частоты, но и на другие соотношения частот, например, 2450 и 5800 МГц.

МЛК с представленным двухчастотным резонатором может найти применение не только в устройствах СВЧ промышленного нагрева, но и в системах радиолокации, в системах радиопротиводействия и радиоэлектронной борьбы, а также в других областях техники [46].

3.6. Выводы

В двухзазорных многоканальных полигармонических резонаторах с плотной паковкой пролетных каналов при наличии нескольких кольцевых слоев и центрального канала возникает сильная неоднородность ВЧ поля по соседним каналам. Для борьбы с этим явлением центральный канал удаляют или область взаимодействия делают ступенчато-неоднородной за счет изменения длины зазора соседних кольцевых слоев. Кроме того, в таких резонаторах трудно осуществить настройку на кратность частот. Поэтому в текущей главе были предложены различные способы настройки на кратные рабочие частоты.

В таблице 3.11 приведены конструкции и параметры исследованных ДМПР. В таблице использованы следующие обозначения: N - число лучей, рМ2д и рМ2/2 - эффективное характеристическое сопротивление на частоте первого рабочего п-вида колебаний с частотой = 2.45ГГц и второго рабочего 2п-вида колебаний с частотой /2 = 4.9 ГГц, р - характеристическое

сопротивление, М - коэффициент взаимодействия, Д(рМ2)д и Д(рМ2)£2 -неравномерности эффективного характеристического сопротивления на первой и второй рабочей частоте, рм - микропервеанс, и0 - ускоряющее напряжение, п - технический КПД, Роит - выходная мощность.

Таблица 3.11. Конструкции и параметры ДМПР

№

N

36

6

рМ2п, Ом

61.3

67.5

30.2

27.8

128.7

62

кр(/1), %

13.3 ^ 15.5 (*ф)

7 9 (***) 74 (****)

рМ2Г2, Ом

18

18.9

10

7.9

87.9

45

кр(/2), %

7.9 (*) 22.7 (**)

5 8 (***) 13 (****)

р„ мкА/В3/2

0.3

0.3

0.3

0.3

0.25

0.2

и, кВ

5.8

14

16

Пг, %

66

59

67

65

67

67

, кВт

3.3

7.1

3.1

20

23.3

34.9

16.7

24.4

17.7

18

24.2

28.7

А, мм

14

16.8

16.2

17.5

21.8

25.2

кт/кт(кр)

8.8

4.3

3.0

11.5

4.9

1.5

1

2

3

4

5

6

6

7

6

8

6

8

6

Р

г, мм

* - ступенчато-неоднородная конструкция резонатора ** - конструкция резонатора с равными длинами зазоров *** - шестилучевая конструкция резонаторов **** - семилучевая конструкция резонаторов.

Для всех исследованных резонаторов было проведено сравнение по критерию эффективности резонатора по комплексу выходных электрических и массогабаритных параметров. Вывод уравнения данного параметра осуществлялся следующим образом.

Для эквивалентного сопротивления справедливо условие:

рм

Я

= 1, (3.3)

где Qe - нагруженная добротность.

После выражения нагруженной добротности:

/о _ РМ2

(3.4)

А/ Я

После умножения на ускоряющее напряжение и0 и ток луча 10, а также используя формулы расчета первеанса р и подводимой мощности Р0, получили:

R0 d1/5 4/5 , (3.5)

Po p

fo

^ = рИ2Р01/5p4/5. (3.6)

С учетом электронного КПД г]е, числа лучей N и первеанса на один луч р\:

/ \1/5 f/ '

'0

Af

3 P

V P out у

= pM 2( pi N)4/5. (3.7)

Критерий может быть получен при делении обеих частей уравнения (3.7) на массу прибора т:

т = рг ж2 к N , (3.8)

г Си сау сау сау' V /

2/ лг\4/5

km _ , (39)

PcuKr HNC

cav

где рСи _ const - плотность меди, кг/м3; R и H - радиус и высота резонатора, м; Ncav - число резонаторов в клистроне.

В случае настройки на одну и ту же частоту (таблица 3.11) имеем: Я _ const, рСи _ const, Ncav _ const и формула (3.9) упрощается:

pM 2( Pi N)

4/5

где C _

km_^ )>::;;> .с, (3л°)

i

HR2

Рси^ау

В таблице последним параметром приведено соотношение параметра для

каждого резонатора (3.10) к параметру эталона - круглого резонатора. Его

Н X с

параметры следующие: р = 377 —, И = 1, р ~ 0.3, N ~ 6, Я =-, X = —.

2Я 2.62 /

После подстановки в (3.10) и упрощения:

1.78 • 10 -6

Кт( КР) = р3 , (311)

Результат: кт(КР) =0.017.

Исследованные резонаторы могут быть использованы в МЛК для СВЧ нагрева с уровнем мощности от 3 кВт до 35 кВт с КПД в нагрузку от 60% до 70%. Среди исследованных полуволновых конструкций ДМПР с плотной упаковкой пролетных каналов, настроенных на кратность частот, равную двум, самовозбуждение которых отсутствует на обеих рабочих частотах, максимальную величину критерия миниатюризации имеют:

- двухзазорный выходной клистронный резонатор с независимой оперативной настройкой на рабочую частоту ^-вида колебаний, реализуемый за счет изменения угла поворота начальной части проводящего держателя относительно его срединной части (патент РФ № 153442) - модель №1 в таблице 3.11.

- двухзазорный резонатор, в котором уменьшена неравномерность по эффективному характеристическому сопротивлению (рМ2) на 2.2% на ^-виде и на 14.8% на 2^-виде - модель №4 в таблице 3.11.

ГЛАВА 4. ДВУХЗАЗОРНЫЕ КВАЗИФРАКТАЛЬНЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

4.1. Общие положения

В данной главе приведены результаты исследования новых типов резонаторов - двухзазорных квазифрактальных резонаторов (ДКФР), для построения которых были использованы методы фрактальной электродинамики, оперирующей с самоподобными элементами, к которым применены такие геометрические преобразования, как вращение, отражение и подобие.

Искусственно построив квазифрактальную структуру (префрактал) в технической системе можно ожидать, что такая система будет более совершенной, чем та, которая построена по каким-то другим правилам. Например, использование фрактальных структур в радиоэлектронике позволяет при малых габаритах реализовать широкополосные антенны [47], создать двухмодовые двухполосные фильтровые системы [48]. Кроме того, в технике известны фрактальные полосковые резисторы и конденсаторы, а также фрактальные радиаторы.

Квазифрактальные резонаторы (КФР) - новый класс миниатюрных электродинамических систем с использованием пространственно-развитых префрактальных резонансных проводников в своей конструкции [49]. При работе на основном (ТЕМ) виде колебаний КФР являются более компактными колебательными системами, чем обычные резонаторы, форма резонансных элементов которых базируется на евклидовой геометрии, оперирующей с такими геометрическими фигурами, как круг, эллипс и прямоугольник [50]. КФР обычно имеют многоканальную структуру.