Улучшение выходных параметров и характеристик миниатюрных многолучевых низковольтных клистронов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Чигуров, Илья Олегович

• Чигуров, Илья Олегович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Чигуров, Илья Олегович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО СПОСОБАМ УЛУЧШЕНИЕ КОМПЛЕКСА ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ КЛИСТРОНОВ

1.1. Современное состояние многолучевых клистронов

1.2 Способы расширения полосы усиливаемых частот

1.3 Повышение электронного КПД и выходной мощности клистронов

1.3.1 Несинусоидальный режим модуляции электронного потока

1.3.2 Многомодовый режим возбуждения резонаторов в резонаторах для однолучевых клистронов

1.3.2 Многомодовый режим возбуждения резонаторов в резонаторах для многолучевых клистронов

1.3.3 Фрактальные резонаторы

1.5. Секторные резонаторы

1.6 Численные методы и программы трехмерного электромагнитного моделирования

1.6.1 Современные программы трехмерного электромагнитного моделирования

1.6.2 Метод конечных элементов

1.6.3 Вывод и решение СЛАУ в МКЭ

1.7 Выводы

ГЛАВА 2. УЛУЧШЕНИЕ КОМПЛЕКСА ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ НИЗКОВОЛЬТНОГО МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА Ки-ДИАПАЗОНА НА ОДНОЗАЗОРНЫХ РЕЗОНАТОРАХ

2.1 Общие положения

2.2 Повышение электронного КПД и выходной мощности низковольтного

многолучевого клистрона работающего в Ки-диапазоне частот

2.2.1 Базовая конструкция резонансной системы низковольтного многолучевого клистрона

2.2.2 Расчет двухчастотного однозазорного многоканального стуенчато-неоднородного резонатора

2.2.3 Компьютерное моделирование клистрона низковольтного многолучевого клистрона работающего в Ки-диапазоне частот, с двухчастотными резонаторами в группирователе

2.3 Выводы

ГЛАВА 3. УЛУЧШЕНИЕ КОМПЛЕКСА ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ НИЗКОВОЛЬТНОГО МНОГОЛУЧЕВОГО КЛИСТРОНА Ки-ДИАПАЗОНА НА ДВУХЗАЗОРНЫХ РЕЗОНАТОРАХ

3.1 Общие положения

3.2 Активная двухзвенная фильтровая система

3.2.2 Конструктивные особенности модернизированного прибора

3.2.3 Результаты численного 3-0 моделирования

3.2.4 Результаты экспериментальных исследований

3.3. Использование двухзазорных резонаторов в резонансной системе без изменения размеров

3.3.1 Компьютерное моделирование двухзазорных резонаторов

3.3.2 Расчет подстройки двухзазорных резонаторов

3.3.2 Результаты «холодных» измерений

3.4 Расширение полосы усиливаемых частот за счет использования трехзазорного выходного резонатора

3.4.1 Трехмерное электромагнитное моделирование выходного трехзазорного резонатора

3.5 Выводы

ГЛАВА 4. НОВЫЙ ТИП СЕКТОРНЫХ МНОГОТРУБНЫХ РЕЗОНАТОРОВ, РАБОТАЮЩИХ НА ДВУХ КРАТНЫХ ЧАСТОТАХ

4.1 Общие положения

4.2 Однозазорные двухчастотные резонаторы

4.3 Двухзазорные двухчастотные резонаторы для промышленного нагрева95

4.3.1 Конструкции резонаторов

4.3.2 Промежуточные резонаторы

4.3.3 Выходной полуволновый резонатор

4.4 Выводы

4.5 Рекомендации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение выходных параметров и характеристик миниатюрных многолучевых низковольтных клистронов»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время низковольтные многолучевые клистроны (MJIK) находят широкое применение в различных областях науки и техники. Усилители и генераторы на их основе используются в устройствах СВЧ нагрева, (сушка, пастеризация и др.), в системах цифрового телевидения и системах связи.

Большой вклад в исследование возможности создания MJIK с высоким комплексом энергетических и массогабаритных параметров внесли сотрудники предприятия «Исток» (г. Фрязино): А.Н. Королев, A.A. Борисов, К.Г. Симонов, В.И. Пугнин, Э.А. Гелъвич, Е.В. Жарый, А.Д. Закурдаев и др., а также сотрудники предприятия «Торий» (г.Москва) П.В. Невский, С.П. Морев, П.И. Акимов, И.А. Фрейдович, ДА. Комаров и др.

Для бортовых передатчиков радиосистем, работающих в Ки-диапазоне требуются миниатюрные многолучевые низковольтные клистроны (MMJTK) с уровнем выходной мощности от сотен ватт до 1 кВт. Ширина полосы рабочих частот таких ММЛК обычно составляет 50-200 МГц при коэффициенте усиления 35-45 дБ. Основу резонансной системы таких приборов, как правило, выполняют на одновидовых однозазорных призматических резонаторах, работающих на виде Hjoi-

Дальнейшее развитие ММЛК подразумевает дальнейшее улучшение комплекса выходных параметров: увеличение выходной мощности и эффективности, расширение полосы рабочих частот без увеличения габаритов и массы приборов, снижение рабочих напряжений.

Для дальнейшего расширения полосы усиления перспективно использование многозазорных резонаторов, возбуждаемых на ж- и 2тг-видах колебаний, и фильтровых систем. Увеличение выходной мощности и электронного КПД, уменьшения габаритов и массы, можно достичь с помощью использования многомодового режима возбужения. Переход к новому типу многотрубных конструкций, позволит снизить рабочие напряжения приборов.

Однако такие приборы слабо изучены, а их разработка затруднена, так как для таких резонаторов характерна сложная геометрия, а их расчет усложнен из-за трехмерного характера протекающих процессов. Они требуют более высокой точности расчета, чем осесимметричные системы и оптимального выбора комплекса электронных и электродинамических параметров с большим числом влияющих факторов. Для этого требуются не только большие компьютерные мощности, высокий уровень квалификации специалистов, сложный комплекс современных программ трехмерного электродинамического моделирования, таких как CST Studio Suit [1], Ansoft HFSS [2,3], Keysight EMPro [4] и пр, но и программ моделирования клистронов, в которых реализован алгоритм оптимизации выходных параметров, таких как DISKLY [5]. Для компьютерного моделирования клистронов также возможно применение программы AJDISK [6].

Целью работы является улучшение комплекса энергетических и массогабаритных параметров многолучевых клистронов за счет использования многомодового режима взаимодействия электронов с ВЧ полем резонаторов, увеличения числа пролетных каналов, применения многозвенных фильтровых систем, выполненных на основе связанных активных и пассивных резонаторов, и оптимизации параметров режима.

Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:

1. Исследование и компьютерное моделирование резонаторов с многомодовым режимом взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем, работающих на двух кратных частотах (f0 и 2/0) одновременно.

2. Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование возможности расширения рабочей полосы усиления.

3. Поиск путей независимой настройки частот различных видов колебаний, для достижения кратности частот при многомодовом режиме работы,

и разделения рабочего вида с паразитным видом колебаний, при одномодовом режиме работы.

4. Исследование нового типа многотрубных секторных резонаторов для низковольтных многолучевых клистронов, работающих на двух частотах.

5. Выработка рекомендаций для практической реализации приборов с улучшенными, по сравнению с аналогами, комплексом выходных параметров.

Объектом исследования являются миниатюрные низковольтные многолучевые клистроны Ки-диапазона частот; многозазорные резонаторы и фильтровые системы на их основе, многотрубные двухчастотные резонаторы.

Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:

1. Определен комплекс геометрическимх, электронных и электродинамических параметров однозазорных и двухзазорных многотрубных секторных резонаторов для низковольтных многолучевых клистронов, работающих на двух кратных частотах (/0 и 2/о), обеспечивающих эффективное взаимодействие многолучевого электронного потока с сверхвысокочастотным полем на двух видах колебаний одновременно. Дана оценка неоднородности распределения поля в разных пролетных каналах.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность расширения полосы усиливаемых частот и увеличения выходной мощности микроволновых приборов клистронного типа за счет использования двухмодовой фильтровой системы, возбуждаемой одновременно на синфазном и противофазном видах колебаний, возникающих в связанных выходном и предвыходном активных резонаторах.

3. Установлено, что для создания двухзвенной активной фильтровой системы выполненной на основе связанных синфазного и противофазного видов колебаний, возбуждаемых в выходном и предвыходном активных резонаторах необходима слабая величина связи, при которой обеспечивается независимая

подстройка резонансных частот этих резонаторов, расположенных в рабочей полосе клистрона, при этом основное взаимодействие многолучевого электронного потока происходит на синфазном виде колебаний, при углах пролета между центрами зазоров yS = 13,41, где у = co/V0, S - расстояние между центрами зазоров.

4. Показано, что для обеспечения при проведении «холодных» испытаний прибора возможности надежного контроля резонансных частот промежуточных двухзазорных полуволновых резонаторов, работающих на тг виде колебаний, узкие стенки этих резонаторов должны быть ступенчато-неоднородными; причем щель связи между резонатором и выходным волноводом целесообразно выполнять в виде прямоугольника с полукругами.

Достоверность результатов подтверждается экспериментальными данными, полученными с применением комплекса взаимодополняющих методов исследования полученных результатов и обеспечивается построением математических моделей, построенных на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, сравнением с расчетными и экспериментальными данными, известными по отечественным и зарубежным публиациям по клистронам, а также соответствием представленных автором

экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры с результатами проведенных расчетов и экспериментов, проведенных в АО «НПП «Алмаз».

Ещё одним подтверждением достоверности является то, что основные результаты диссертации опубликованы в ведущих российских научных изданиях, где они прошли тщательное рецензирование, а также представлены на ряде всероссийских и международных конференциях.

Практическая значимость состоит в следующем:

По результатам выполненных автором диссертации теоретических и экспериментальных исследований в АО «НПП «Алмаз» разработаны низковольтные шестирезонаторные многолучевые клистроны Ku-диапазона с однозазорными группирующими резонаторами с шириной полосы усиления до 180 МГц. Они содержат трехзвенные фильтровые системы на выходе прибора (акт внедрения), и отличаются от известных конструкций компактностью, за счет использования активной фильтровой системы на основе связанных синфазного и противофазного видов колебаний.

По результатам выполненных автором диссертации теоретических и экспериментальных исследований в АО «НПП «Алмаз» разработаны низковольтные шестирезонаторные многолучевые клистроны Ku-диапазона частот, использующие в группирователе двухзазорные резонаторы, работающие на я-виде, и выходной двухзазорный резонатор, настроенный на 2я-вид. Их применение обеспечит расширение полосы усиления до 160 МГц (акт внедрения).

Предложенные и исследованные конструкции резонансных систем могут быть использованы для создания усовершенствованных конструкций новых клистронов, обладающих более высокой рабочей частотой, выходной мощностью и широкой полосой усиления.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии АО «НПП «Алмаз и использованы в учебном процессе по направлению «Электроника и наноэлектроника» в Саратовском государственном техническом университете им. Гагарина Ю.А (акт внедрения).

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ имени Гагарина Ю.А. при чтении лекционного курса и проведении практических занятий по курсу «Мощные электровакуумные приборы СВЧ», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Материалы, приведенные в работе, использованы при выполнении НИОКР по гранту, заключенному в рамках реализации мероприятий федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.В37.21.0909 от 07.09.11; в научно-исследовательской работе в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности по Заданию № 8.1065.2014/К; в научно-исследовательской работе «Разработка резонатора с бигармоническим режимом возбуждения для приборов промышленного нагрева» в рамках конкурса «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») 2015.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Настройка в шестирезонаторном миниатюрном низковольтном многолучевом клистроне, работающем в Ки-диапазоне, третьего и четвертого промежуточных однозазорных резонаторов на две кратные частоты, соответствующие рабочей частоте и ее второй гармонике, позволяет повысить предельный электронный КПД с 21% до 54% и предельную выходную мощность клистрона с 400-500 Вт до 1000-1200 Вт.

2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что использование миниатюрном низковольтном многолучевом клистроне Ки-диапазона трехзвенной фильтровой системы, выполненной на основе связанных выходного и предвыходного активных резонаторах, а также дополнительного пассивного резонатора, выполненного в волноводе вывода энергии, при условии малой степени связи, определяемой границей независимой перестройки синфазного и противофазного видов колебаний в полосе частот усиления позволяет не только расширить полосу усиления в 1,5-2 раза, но и увеличить электронный КПД прибора примерно на 10%,.

3. Результаты трехмерного электромагнитного моделирования новых типов секторных многотрубных однозазорных и двухзазорных резонаторов мощных низковольтных многолучевых клистронов, позволяющие осуществить высокоэффективные режимы работы этих приборов при работе на двух кратных

и

рабочих частотах (2450/4900 МГц), соответствующих основному низшему и первому высшему видам колебаний.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4 научно-технических конференциях:

• XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2013);

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

• международной научно-практической конференции «Working to progress» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2014);

• на научно-техническом семинаре «Электронные приборы СВЧ и их применение в современных системах радиоэлектроники» (АО «НПП «Алмаз», Саратов, 2015).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 2 работы в единой реферативной базе данных Scopus.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений, содержит 122 страницы, включая 18 таблиц, 87 рисунков, 34 формулы, список литературы состоит из 66 наименования.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО СПОСОБАМ УЛУЧШЕНИЕ КОМПЛЕКСА ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ КЛИСТРОНОВ

Целью данного обзора литературы является анализ известных путей повышения широкополосности, эффективности и выходной мощности клистронов, а также поиск способов снижения их массы и габаритов и новых режимов работы.

1.1. Современное состояние многолучевых клистронов

За последние годы значительно расширились области применения СВЧ-техники. Помимо традиционного применения в радиолокационных станциях военного и гражданского назначения, ракетах с активными головками самонаведения, системах радиоэлектронного подавления, аналоговых системах связи, появились цифровые системы связи, мобильные телефоны, локационные датчики и др.

Усовершенствование современного программного обеспечения, появление новых материалов и конструктивных решений обеспечивает дальнейшее развитие электровакуумных приборов.

Существует потребность в компактных высокоэффективных приборах с высокими уровнями мощности в относительно широкой полосе частот. В России созданы многолучевые клистроны с количеством лучей от 6 до 60, усилением 40 — 45 дБ и КПД 30-45%. [7]

В таблице 1.1 представлены характеристики многолучевых клистронов,

разработанных в ФГУП «НПП «Исток».

Таблица 1.1 Характеристики многолучевых клистронов, разработанных в

ФГУП «НПП «Исток».

Диапазон рабочих частот L (1-2 ГГц) S (2-4 ГГц) С (4-8 ГГц) X (8-12,4 ГГц) Ки (12,4-18 ГГц)

Импульсная мощности, кВт 800 600 500 200 70 30 0,4

Средняя мощность, кВт 14 12 17 17 3,5 1,5 0,13

Анодное напряжение, кВ 32 31 29 26 13 14 2,5

Ширина полосы рабочих частот, % 10 6,0 3,5 0,7 6 2 0,27

Число лучей 36 36 24 6 24 15 18

Масса, кг:

без магнита 32 25 20 12 - - -

пакетированные с магнитом - - - - 16 8 0,4

Для бортовых передатчиков радиосистем, работающих в ^„-диапазоне требуются миниатюрные многолучевые низковольтные клистроны (ММЛК) с уровнем выходной мощности от сотен ватт до 1 кВт. Ширина полосы рабочих частот таких ММЛК обычно составляет 50-200 МГц при коэффициенте усиления 35-45 дБ. Для создания приборов, отвечающих совокупности всех перечисленных выше требований, потребовало проведения большого объема исследовательских, технологических и конструкторских работ, которые были проведены в НПО «Исток» имени А.И. Шокина [8], а также в НПО «Алмаз» [9]. Их результатом явилось создание серии ММЛК для бортовых систем самого разнообразного назначения. Параметры некоторых из разработанных приборов представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Клистроны Ки-диапазона.

п/п НПО Римп, Вт дБ,МГц Кус, дБ Скважность С) ЩКВ Ы-лучей 1Ъ%

1 Исток 400 40 47 3 2,5 18 30

2 Алмаз* 400 70 48 10 2,8 19 29

Дальнейшее развитие ММЛК подразумевает дальнейшее увеличение выходной мощности и эффективности, расширение полосы рабочих частот без увеличения габаритов и массы приборов.

1.2 Способы расширения полосы усиливаемых частот

Расширение полосы усиливаемых частот и увеличение выходной мощности микроволновых приборов является одной из ключевых проблем современной вакуумной электроники. Эта проблема наиболее актуальна для многолучевых клистронов (МЛК), работающих в коротковолновой части микроволнового диапазона.

Для расширения полосы усиливаемых частот многолучевых клистронов не редко используют многозазорные резонаторы. При этом увеличивается относительная полоса усиливаемых частот АЕ/Го, где Го - центральная частота полосы усиления. Это достигается путем увеличения отношения эффективного характеристического сопротивления выходного резонатора рМ2 (где р-характеристическое сопротивление, М- коэффициент связи резонатора с электронным потоком) к сопротивлению электронного потока по постоянному току Ко=ис/1о (где 1/0- ускоряющее напряжение, 1д- ток) [10]. Наибольшее распространение получили резонаторы с двумя высокочастотными зазорами. Рабочими видами колебаний в таких резонаторах могут быть как синфазный (2л;) вид, так и противофазный (л) вид.

Для расширения полосы рабочих частот клистрона и увеличения КПД на выходе прибора используют также систему из двух или трёх связанных через щели активных резонаторов [11]. Дополнительное расширение полосы усиления можно получить за счет фильтровых системы, которые представляют собой последовательную цепочку, состоящую из одного активного выходного резонатора и одного или двух пассивных резонаторов, размещенных в выходном волноводе [12].

Для многозазорных резонаторов характерно более высокое характеристическое сопротивление в сравнении с однозазорными резонаторами. В частности, двухзазорные конструкции имеют характеристическое сопротивление в 1,5-2 раза превышающее характеристическое сопротивление однозазорных конструкций.

Конструкция резонатора, изображенная на рисунке 1.1 была выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, у которой один конец был разомкнут, а другой замкнут [13].

Исследованию характеристик двухзазорных резонаторов, использующихся в клистронах, посвящено множество работ отечественных авторов [14-21].

рр.

/ /

/

г

/

/

/

ш.

г

Рис. 1.1 Двухзазорный резонатор

Наиболее часто находят применение двухзазорные резонаторы, основным рабочим видом колебаний которых является противофазный я-вид колебаний. При этом векторы напряженности электрического поля в зазорах направлены в противоположные стороны, при этом амплитуда напряжений на высокочастотных зазорах может быть, как равномерной, так и неравномерной.

Так же, в качестве выходных резонаторов применяют трехзазорные и четырехзазорные резонаторы. Однако вследствие того, что они имеют сложную структуру, сложны в настройке и изготовлении, они не получили широкого распространения. Их исследованию посвящены работы [22-23]

На рисунках 1.2-1.3 представлен четырехзазорный коаксиальный резонатор, описанный в работе [24].

A-A

2 1118 Q 10 5 7 13 6 12 I 15 14 16 4 » ""

Рис. 1.2. Поперечное сечение четырехзазорного коаксиального резонатора.

Рис. 1.3. Продольное сечение четырехзазорного коаксиального резонатора в плоскости А-А.

Однако исследования, проведенные в работе [25], показывают, что следствием увеличения числа зазоров в резонаторе является не только возрастание характеристического сопротивления, но и возрастание модуля относительной электронной проводимости, что облегчает условия самовозбуждения резонатора. Это следует учитывать во время разработки многозазорных резонаторов. Зависимости относительной электронной проводимости Ое/Оо от угла пролета 0 для разного числа зазоров N в резонаторе представлены на рисунке 1.4.

0.6

0.4

0.2

0.8

0 0.2

0.4

1.4

0.6

0.8

1.2

1,6

1.2

1.4

Рис. 1.4. Зависимость относительной активной составляющей электронной проводимости веЛло от угла пролета 9 для разного числа зазоров N

в резонаторе.

Одной из важных особенностей многозазорных резонаторов является возможность регулирования активной проводимости электронной нагрузки в больших пределах, чем в однозазорных резонаторах, что позволяет регулировать затухание резонатора в широких пределах.

1.3 Повышение электронного КПД и выходной мощности клистронов 1.3.1 Несинусоидальный режим модуляции электронного потока

Увеличения электронного КПД и выходной мощности клистронов можно допиться путем реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции, при которой форма моделирующего напряжения в резонаторах становится близкой к пилообразной, в результате чего возрастает эффективность группировки электронов [26, 27]. Режима несинусоидальной скоростной модуляции можно достичь путем внедрения в резонансную систему прибора

дополнительных резонаторов второй и третей гармоники, настроенных на рабочие частоты 2/и 3/

Принципиальные схемы клистронов, содержащих в резонансной системе дополнительные резонаторы второй и третей гармоник, представлены на рисунках 1.5-1.6.

Ц&

2(

Н л .

{ ? I

f

>

Рис. 1.5. Принципиальная схема многорезонаторного прибора, содержащего в группирователе дополнительный резонатор второй гармоники.

f

f

XII

П ГТ Т "Т

Чг [г _I

,г [-20

f

-ь

f зг f

4

ГгТ^к

±4 -Ь/С*-Г.Т

хих

I $

»21

Рис. 1.6. Принципиальная схема многорезонаторного прибора, содержащего в группирователе дополнительный резонатор второй гармоники, дополнительный

резонатор третей гармоники на выходе.

На рисунке 1.7 представлена форма моделирующего напряжения в резонаторах на одной, двух и трех кратных частотах.

Рис. 1.7. Форма моделирующего напряжения в резонаторах на одной, двух и трех

кратных частотах.

Для более эффективного отбора энергии электронного потока рекомендуется возбуждать выходной резонатор на две кратные частоты /и 3/ За счет этого форма высокочастотного напряжения в выходном резонаторе приближается к прямоугольной форме, при которой все электроны, попадающие в высокочастотный зазор выходного резонатора, тормозятся полем одинаковой амплитуды в разные моменты времени (рисунок 1.8).

Рис. 1.8. Форма моделирующего напряжения выходного резонатора, работающего на двух кратных частотах, с коэффициентом кратности к= 3.

Однако использование дополнительных резонаторов, работающих на высших гармониках, в резонансную систему прибора, негативно сказывается на массогабаритных параметрах.

1.3.2 Многомодовый режим возбуяедения резонаторов в резонаторах для

однолучевых клистронов

Добиться режима несинусоидальной скоростной модуляции электронного потока в клистронах, без внедрения в резонансную систему дополнительных резонаторов второй гармоники, и, следовательно, без ухудшения массогабаритных параметров, можно используя резонаторы, работающие на двух кратных частотах одновременно.

Впервые использовать в двухзазорных цилиндрических резонаторах, в которых основным видом является противофазный вид колебаний (Е020), высший синфазный вид колебаний (Еою), который ранее считался паразитным видом колебаний, для осуществления режима несинусоидальной скоростной модуляции, без использования дополнительных резонаторов второй гармоники, было предложено в патенте [28]. Это можно достигнуть путем настройки синфазного вида колебаний на частоту, соответствующую второй гармонике конвекционного тока.

Зачастую для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции используют двухзазорные резонаторы [29-30]. В [31] описан двухзазорный цилиндрический резонатор. Его конструкция имеет два ребра, одно из которых расположен параллельно боковым крышкам резонатора, а другое расположено перпендикулярно.

При помощи введения первого ребра возможна независимая настройка частоты основного противофазного вида колебаний, при этом частота синфазного

вида остается неизменной. В свою очередь введение стержня позволяет регулировать частоту синфазного вида колебаний независимо от противофазного.

Конструкция такого резонатора изображена на рисунке 1.9. На рисунке 1.10 представлены графики изменения частоты при введении ребра и стержня в резонатор.

к

В

-чЕ

■"С

I

JO

л

§

\

2 а

(а)

(б)

Рис. 1.9. Продольное и поперечное сечения двухчастотного цилиндрического

резонатора.

é iao°

3200

¿ z

1400

то'

\

Л

X

в 13 №

ялима г»ремллеимв,мм

в Й 16 длина перемещение, ни

(а) (б)

Рис. 1.10. Независимая подстройка частот основного и противофазного вида колебаний при введении стержня 1 (а) и стержня 2(6).

В работе [32] представлена конструкция двухзазорного резонатора с двумя кратными частотами. Она состоит из двух двухзазорных резонаторов (рисунок 1.11), настроенных на вторую и третью гармоники конвекционного тока. Такая конструкция позволяет повысить эффективность взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем для двух гармоник. Однако данная конструкция имеет сложную структуру и сложна в производстве и настройке. Так же она имеет большие габариты, что ограничивает ее применение.

Рис. 1.11. Конструкция однолучевого трехмодового резонатора.

В работе [33] представлен многолучевой клистрон, выходной двухзазорный резонатор которого настроен на две кратные частоты одновременно (со -противофазный вид, 2со - синфазный вид). При этом устройство содержит два вывода энергии, предназначенные для вывода каждого из видов колебаний в отдельный канал (рис. 1.12)

Рис. 1.12 . Конструкция двухзазорного двухчастотного цилиндрического

резонатора.

1.3.2 Многомодовый режим возбуждения резонаторов в резонаторах для

многолучевых клистронов

Представленные ранее конструкции резонаторов с несинусоидальной скоростной модуляцией электронного потока имели ограниченное число пролетных каналов равное N = 1.

Увеличение числа пролетных каналов, т.е. переход к многолучевым конструкциям, позволяет повысить выходную мощность прибора, уменьшить габариты и массу, снизить питающие напряжения.

На рисунке 1.13 изображена конструкция однозазорного ступенчато-неоднородного резонатора, синтезированного на две кратные частоты, соответствующие основному низшему Е0ю и высшему Е020 видам колебаний [34].

Рис.1.13. Конструкция двухчастотного однозазорного ступенчато-неоднородного

резонатора.

Настройка кратности в такой конструкции осуществляется за счет выбора длины подстроечного паза. Силовые линии электрического поля этой конструкции для двух видов колебаний представлены на рисунке 1.14.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чигуров, Илья Олегович, 2015 год

Список литературы

1. Курушин A.A., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. - M. Издательство МЭИ, 2010, 160 стр.

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

3. Банков С.Е., Курушин A.A. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS. M: ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009.

4. Программное обеспечение электромагнитного 3D моделирования ЕМРго [Электронный ресурс] // Россия | Keysight (Agilent) [Офиц. сайт]. URL: http://www.keysight.com/ru/pc-1297143/empro-3d-em-simulation-software?&cc=RU&lc=rus (дата обращения 10.02.15).

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

6. Jensen, A.J. Sheet Beam Klystron Simulations Using AJDISK / A.J. Jensen [and other] // Vacuum Electronics Conference, 2006 held Jointly with 2006 IEEE International Vacuum Electron Sources., IEEE International. - 2006. - pages 489-490.

7. Ребров, С.И. Приоритетные направления развития электронной СВЧ-техники / С.И. Ребров // Электронная техника. Серия 1, «СВЧ-техника». - 2009. -№1(500).-С. 83-91.

8. Закурдаев, А. Д. Мощные малогабаритные и миниатюрные многолучевые клистроны для бортовых PJIC / А. Д. Закурдаев // Радиотехника. -2006.-N3.-С. 31-33.

9. Золотых, Д.Н. Разработка 19-лучевого клистрона Ки-диапазона/ Д.Н. Золотых [и др.] // Электронная техника. Серия 1, «СВЧ-техника». - 4.1. -2013. - №3(518).-С.107-109.

10. Мощные электровакуумные приборы: пер. с англ. / ред. JI. Клэмпитт ; авт. предисл. Н. Д. Девятков. - М. : Мир, 1974. - 133 с. : рис. - (Наука для техники. Современная радиоэлектроника). -.: С. 2-133.

11. Palmer R. Introduction to Cluster Klystrons / R. Palmer // Proceedings of the International Workshop on Pulsed RF Power Sources For Linear Colliders, RF93, Dubna, Protvino, Russia, 1993. P.69-73.

12. Пасманник, В.И. Системы связанных контуров / В. И. Пасманник. -М.: Физматкнига, 2005 (М.). - 143 с.

13. Канавец, В.И. Группирование электронов в мощных широкополосных клистронах с высоким КПД. / В.И. Канавец [и др.] // Радиотехника и электроника - 1978. -т.23. -№11. - С. 2379-2390.

14. Хайков, А.З. Клистронные усилители. / А.З. Хайков - М.: Связь, 1974. -с. 392

15. Симонов, К.Г. Взаимодействие электронного потока с полем двухзазорного резонатора при синфазных полях в зазорах / К.Г. Симонов // Электронная техника, серия1, Электроника СВЧ, 1967. - № 2. - С. 39-46.

16. Karmazin, V.Yu. Determination of limit energy parameters multi-beam klystrode with double-gap resonators / V.Yu. Karmazin [and other] // Actual Problems of Electron Devices Engineering. APEDE 2004. International Conference on 15-16 Sept. 2004. -2004. -Page(s):138 - 147.

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

18. Зильберман, И.И. Расчет параметров двойного высокочастотного зазора с противофазными напряжениями / И.И. Зильберман // «Электронное приборостроение». - 1968. - Вып. 5. - С.59-76.

19. Петров, Г.С. Обобщенные выражения для коэффициента взаимодействия и электронной проводимости в двойном высокочастотном зазоре

/ Г.С. Петров // Электронная техника, серия 1, «Электроника СВЧ». - 1969. -Вып.5. - С. 137-140.

20. Горлин, O.A. Проектирование многолучевого автогенератора СВЧ на двухзазорном резонаторе / O.A. Горлин [и др.] // Ветник РГРТУ. - 2010. - №1. -Вып. 31.-С.69-72.

21. Федяев, В.К. Условия самовозбуждения питрона / В.К. Федяев, Т.С. Акимов, O.A. Горлин // Ветник РГРТУ. - 2010. - №3. - Вып. 33. - С. 64-68.

22. Акафьева, H.A. Исследование трехзазорного резонатора мощного многолучевого автогенератора монотронного типа / H.A. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В. А. Царев // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010». - Саратов: СГТУ.-2010.-С. 181-184.

23. Bylinsky, Y. A triple gap resonator design for the separated function DTL at TRIUMF / Y. Bylinsky [and other] // Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference. - Vancouver, ВС , Canada. - 1997. - P. 1135-1137.

24. Патент RU №2175793, МПК H01J25/10, H01P7/04 Коаксиальный четырехзазорный резонатор. Семенов A.C., Козаков О.В., Царев В.А. Опубл. в БИ 2000.

25. Акафьева, H.A. Оптимизация выходных параметров мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на синфазном виде колебаний / Н. А. Акафьева, А. Ю. Мирошниченко, В. А. Царев // Журнал радиоэлектроники. - 2012. - №1.

26. А. с. СССР 527769, МКИ Н 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.

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

28. 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.

29. Авторское свидетельство СССР N930428, кл. Н 01J 23/18, 1981.

30. Патент RU №2390870, МПК H01J25/02 СВЧ - прибор клистронного типа (варианты). Королев А. Н., Лямзин В. М., Мамонтов А. В., Симонов К. Г. Опубл. В БИ 2010.

31. Патент RU № 2037903, МПК Н 01 J23/18 Резонатор для несинусоидального сигнала. Клокотов В.М., Царев В.А., Ширшин В.И. Опубл. В БИ 1995.

32. 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.

33. Патент RU № 2474003, МПК H01J 25/00 Свч-прибор клистронного типа (варианты). Симонов К.Г., Мамонтов A.B. Опубл. В БИ 2013.

34. 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.

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

36. 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. XXVI Междунар. науч. конф., г. Саратов, 24-26 апреля 2013 г. -Саратов, 2013.-Т. 12.-С. 9-12.

37. 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.

38. Морозов, О. Промышленное применение СВЧ-нагрева / О. Морозов [и др.] // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2010. -№3. - С. 2-6.

39. Царев В.А. Резонатор для многолучевых приборов / В.А. Царев [и др.] // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии - КрыМиКо'2003: материалы 13 Междунар. Крымской конф. в 2 т. - Севастополь, 2003. - Т.1 - С. 270.

40. 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.

41. Пат. RU 2436181, МПК H 01 J 25/10, H 01 J 25/12. Широкополосный многолучевой клистрон [Текст] / В.А. Царев, В.Ю. Мучкаев; опубл. 10.12.2011.

42. ANSYS HFSS [Электронный ресурс] // ANSYS - Simulation Driven Product Development [Офиц. сайт]. URL: http://www.ansvs.com/Products/Simulation+Teclmologv/Electronics/Signal+Integritv/A NSYS+HFSS (дата обращения 18.06.15).

43. CST MICROWAVE STUDIO - 3D EM simulation software [Электронный ресурс] // CST - Computer Simulation Technology [Офиц. сайт]. URL: https://www.cst.com/Products/CSTMWS (дата обращения 18.06.15).

44. Григорьев, А. Д. Электродинамика и микроволновая техника: Учебник. 2-е изд. / А. Д. Григорьев // СПб.: Лань. - 2007. - с. 704

45. Taflove. A. Application of the finite-difference time-domain method to sinusoidal steady state electromagnetic penetration problems. / A. Talflove // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 22: 191-202.

46. Kunz K.S., Luebbers R.J. The finite difference time domain method for electromagnetics. - Roca Raton, FL: CRC Press, 1993.

47. Umashankar K. R., Taflove A. A novel method to analyze electromagnetic scattering of complex objects". IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 24: p.397-405.

48. Berenger J. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves. Journal of Computational Physics 114: p. 185-200.

49. Gedney. D. An anisotropic perfectly matched layer absorbing media for the truncation of FDTD lattices. IEEE Transactions on Antennas and Propagation 44: p. 163 0-163 9.

50. Mur. G. Absorbing boundary conditions for the finite-difference approximation of the time-domain electromagnetic field equations. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility 23: p.377-382.

51. Schneider J. В., Wagner C. L. FDTD dispersion revisited: Faster-than-light propagation. IEEE Microwave and Guided Wave Letters 9: p.54-56.

52. Власова E.A., Зарубин B.C., Кувыркин Г.Н. Приближенные методы математической физики. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

53. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. / О. Зенкевич. — М.: Мир.-1975.-с. 541.

54. Банков, С.Е. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР / С.Е. Банков, А.А. Курушин. - М. - 2008. - С. 276.

55. Прокофьев, Б.В. К расчету характеристического сопротивления резонаторов многолучевых вакуумных приборов СВЧ / Б. В. Прокофьев, А. В. Коннов, В. JL Саввин // Журнал радиоэлектроники. - 2011 г. - №12. - С. 1-8.

56. Аксенчик, А.В. Мощные приборы СВЧ с дискретным взаимодействием (теория и оптимизация) / А.В. Аксенчик, А.А. Кураев. - Минск: Бестпринт, 2003. - 376 с.

57. Мучкаев, В.Ю. REZON / В.Ю. Мучкаев, В.А. Царев // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011611748 от 24.02.2011 г. -1с.

58. Teryaev, V.E. DISKLY code for calculation and optimization of klystrons / V.E. Teryaev // Proceedings of the Int. Workshop on Pulsed RF Power Sources for Linear Colliders (RF-93). Dubna, Russia, 5-9 July, 1993. - Dubna, 1993. P. 161-166.

59. Чигуров И.О. Исследование многолучевого клистрона с двухмодовым промежуточным резонатором / В.А. Царев, А.Ю. Мирошниченко, И.О. Чигуров //

Вестник Саратовского государственного технического университета. — 2012. — № 4(68).-С. 76- 80.

60. Чигуров И.О. Улучшение выходных параметров многолучевого усилительного импульсного малогабаритного клистрона Ки- диапазона длин волн / В.А. Царев, И.О. Чигуров, П.Д. Шалаев // Радиотехника. - 2015. - №7. - С. 41-44.

61. Чигуров И.О. Оптимизация параметров двухмодового резонатора многолучевого секторного клистрона / И.О. Чигуров, В.А. Царев // ММТТ-26: Сборник трудов XXVI Международной конференции, том 10, секция 12. -Саратов, 2013 г. - С. 14-17.

62. Чигуров И.О. Разработка двухмодового секторного резонатора для мощного многолучевого СВЧ-прибора клистронного типа / И.О. Чигуров, В.А. Царев // Участники школы молодых ученых и программы УМНИК: сб. трудов XXVI Междунар. Науч. Конф.: в 2-х ч. Часть 1 / Саратов: СГТУ, 2013 г. - С. 95 -97.

63. Chigurov I.O. 3-D simulation of two-mode cavities for high-power multibeam microwave devices of the klystron type / I.O. Chigurov // Материалы международной научно-практической конференции 2014 / Саратов: СГТУ, 2014 г. -С. 29-31.

64. Чигуров И.О. Синтез выходного двухчастотного резонатора многолучевого прибора клистронного типа / И.О. Чигуров, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014. Материалы международной научно-технической конференции. Том 1. / Саратов: СГТУ, 2014 г.-С. 341 -345.

65. Чигуров И.О. Исследование характеристик выходного секторного двухзазорного резонатора низковольтного многолучевого клистрона / И.О. Чигуров, В.А. Царев // Научное обозрение. - 2015. -№ 15. - С. 183 - 187.

66. Чигуров И.О. Сравнение характеристик двухчастотных секторных резонаторов многолучевых приборов клистронного типа / И.О. Чигуров, В.А. Царев // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014.

Материалы международной научно-технической конференции. Том 1. / Саратов: СГТУ. -2014 г. - С. 337 - 341.