Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по гибридным приборам с модуляцией эмиссии, выполненных на основе термо- и автоэмиссионных катодов 14
1.1 Клистрод – гибрид тетрода и клистрона как современное воплощение лампы Гаева с индуктивным выходом (IOT) 14
1.2 Сравнение характеристик клистрода с другими приборами СВЧ
1.2.1 Отличие клистрода (IOT) от тетрода 20
1.2.2 Сравнение параметров многорезонаторного клистрона и клистрода 23
1.3 Основные пути улучшения параметров и характеристик клистродов 24
1.3.1 Тристрон – гибридный прибор с двумя
клистронными резонаторами 24
1.3.2 Использование поля высших гармоник конвекционного тока для повышения КПД клистрода 26
1.4 Клистроды – умножители частоты 29
1.5 Многолучевые клистроды 30
1.6 Миниатюрные СВЧ приборы с электродинамической системой, выполненной на печатной плате
1.7. Гибридные приборы с автоэмиссионным катодом – фемитроны 36
1.8. Выводы 38
Глава 2. Разработка численно-аналитической математической модели взаимодействия электронов с полями двухзазорных пространственно развитых резонаторов многолучевого клистрода 39
2.1 Методика расчета триодной части клистрода 41
2.2 Методика расчета и приближенные аналитические модели электронных параметров двухзазорных резонаторов с противофазным возбуждением для режима большого сигнала 44
2.3 Методика оптимизации параметров клистрода 50
2.4 Расчет параметров многолучевого клистрода с трубчатыми лучами 51
2.5 Выводы 58
Глава 3. Моделирование характеристик многолучевых клистродов работающих в дециметровом диапазоне длин волн 59
3.1 Моделирование миниатюрных многолучевых клистродов 59
3.2 Выводы 63
Глава 4. Исследование работы многолучевых клистродов в режиме умножения частоты 64
4.1 Клистрод, работающий в режиме удвоения частоты 64
4.1.1. Определение параметров режима работы прибора 66
4.1.2 Расчет электронных параметров выходного резонатора при его возбуждении на двух кратных частотах, соответствующих противофазному и синфазному видам колебаний 68
4.1.3 Синтез двухзазорного выходного резонатора на две кратные частоты 72
4.1.4 Расчет триодной части клистрода-удвоителя частоты 75
4.1.5 Расчет эффективности группировки электронов в многолучевом клистроде, имеющем выходной резонатор с двумя кратными частотами 76
4.2 Моделирование характеристик мощного многолучевого клистрода – утроителя частоты 78
4.2.1 Расчет параметров катодно-сеточного узла 79
4.2.2 Расчет параметров выходного двухзазорного резонатора 82
4.3. Исследование возможности создания мощного двухрежимного СВЧ – многолучевого генератора на две промышленные рабочие частоты 85
4.4. Моделирование клистрода-умножителя с матричным автоэмиссионным катодом, работающего в миллиметровом диапазоне длин волн 91
4.4.1 Расчет электродинамических параметров 91
4.5. Выводы 95
Заключение 96
Список литературы
- Основные пути улучшения параметров и характеристик клистродов
- Методика расчета и приближенные аналитические модели электронных параметров двухзазорных резонаторов с противофазным возбуждением для режима большого сигнала
- Моделирование миниатюрных многолучевых клистродов
- Синтез двухзазорного выходного резонатора на две кратные частоты
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях к электровакуумным приборам СВЧ предъявляется комплекс противоречивых требований, обусловленный условиями их работы в радиотехнической аппаратуре. Так, в телевизионных передатчиках необходимо обеспечить высококачественное усиление модулированных колебаний изображения и звука, что требует линейности входной характеристики. Уменьшение габаритов и массы является решающим требованием для самолётной и космической радиоаппаратуры, так как позволяет снизить металлоемкость приборов, а следовательно, и их стоимость. Наряду с этим все время расширяются старые области применения вакуумных приборов СВЧ и открываются новые перспективы. Возрастает значение таких новых применений, как радиолокационные системы с многоэлементными фазированными решетками и невоенное использование энергии электромагнитных волн, например, в ускорительной технике и энергетике. Это заставляет разработчиков обращать особое внимание не только на выходные параметры прибора (КПД, выходная мощность, полоса усиления), но и на экономические показатели конструкции, в том числе на начальную стоимость прибора, его долговечность и ремонтопригодность.
Таким образом, в современных условиях задача создания конкретного типа электровакуумного СВЧ прибора по заданным требованиям неоднозначна, так как существует множество решений, отличающихся ослаблением требований к одним параметрам и ужесточением - к другим.
Одними из электровакуумных приборов, в большей степени удовлетворяющих этим требованиям, являются клистроды. Клистрод - это гибридный электровакуумный СВЧ прибор, имеющий один или несколько резонаторов, без отражения электронного потока, в котором модуляция электронов по плотности производится в основном в зоне модуляции эмиссии (модуляторной зоне), а отбор энергии от электронных сгустков осуществляется в области клистронного резонатора.
Интерес к исследованию и разработке гибридных приборов обусловлен перспективностью разработки на этой основе новых мощных СВЧ устройств (усилителей, генераторов и умножителей частоты) с улучшенными энергетическими, массогабаритными и эксплуатационными параметрами. За рубежом такие приборы в последние годы находят все большее применение в цифровом телерадиовещании, в ускорительной технике, СВЧ энергетике и других областях. Однолучевые клистроды в настоящее время производятся фирмами CPI (Канада), E2V (Англия), Thales (Франция), Philips (Нидерланды). Основным недостатком мощных однолучевых клистродов является высокое ускоряющее напряжение. В связи с этим целесообразен переход к многолучевым конструкциям.
Степень разработанности темы диссертации
разработкой
Исследованием многие
и
клистродов в России занимались многие отечественные ученые: Сушков А.Д., Федяев В.К., Королев А.Н., Лопин М.И., Царев В.А., Яковенко В.К., Галдецкий А.В. и другие. В настоящее время актуальными задачами, на которые направлены усилия разработчиков клистродов, являются: дальнейшее повышение рабочей частоты этих приборов до 2-3 ГГц, увеличение КПД и коэффициента усиления, поиск новых режимов взаимодействия (многомодовый режим усиления, автогенераторный режим, режим умножения частоты). Актуальными представляются также исследования, направленные на создание миниатюрных клистронов, работающих с термокатодами в длинноволновой части СВЧ диапазона, а также клистродов коротковолновой части СВЧ диапазона с матричными автоэмиссионными катодами. В силу нелинейного характера физических процессов как в модуляторной зоне, так и в трубе дрейфа, взаимодействие электронов с полями резонаторов в гибридных приборах клистронного типа значительно сложнее, чем в обычных клистронах.
Однако исследования физических процессов, определяющих новые принципы и режимы работы гибридных приборов путем математического моделирования, находятся на начальном этапе. Трехмерный характер резонаторных систем, особенно (многозазорных) при их оптимизации, усложняет численное исследование, так как требуется перебор большого числа вариантов. Отсутствие адекватных аналитических моделей, методик синтеза и оптимизации таких систем по комплексу выходных параметров приводит к тому, что процесс проектирования клистродов во многом остается чисто экспериментальным и поэтому требует больших затрат времени и материальных затрат.
Целью диссертационной работы является исследование возможности улучшения комплекса выходных параметров гибридных многолучевых электровакуумных СВЧ-приборов с термо- и автоэмиссионными катодами и комбинированной модуляцией электронов по плотности и по скорости, работающих как в режимах одномодового и двухмодового усиления, так и в режимах умножения частоты.
Для достижения поставленных целей в работе решались следующие задачи:
анализ известных конструкций однолучевых и многолучевых клистродов, режимов их основных узлов работы, а также существующих методов расчета процессов взаимодействия однолучевых и многолучевых электронов с ВЧ полями однозазорных и многозазорных резонаторов;
создание численно-аналитической математической модели взаимодействия электронов с полями резонаторов и методики оптимизации для оперативного расчета выходных параметров многолучевых клистродов в линейном и нелинейных режимах;
исследование и оптимизация с помощью разработанной методики и комплекса одномерных, двумерных и трехмерных программ физических процессов в триодной и клистронной частях многолучевого мини-клистрода ДМВ-диапазона и в его резонаторной системы, выполненной на печатной плате;
исследование двухмодового двухзазорного резонатора и определение выходных параметров мощного многолучевого клистрода-умножителя частоты (1225/2450 МГц);
исследование характеристик гибридного двухрежимного многолучевого прибора «клистрод - монотрон», предназначенного для использования в качестве источника СВЧ-энергии на частотах 2450 и 5800 МГц;
оценка выходных параметров мини-клистрода с автоэмиссионными катодами и многозазорными резонаторами на печатной плате;
разработка рекомендаций, необходимых для создания опытных образцов многолучевых клистродов.
Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем.
1. Проведенный критический анализ разработок
электродинамических систем созданных ранее миниатюрных ЛБВ на
печатной плате и опыт, накопленный при разработке миниатюрных
многолучевых низковольтных клистронов коротковолновой части СВЧ
диапазона, и также их сопоставление в свете постановки в диссертации
новых задач уменьшения габаритов и массы гибридных СВЧ-приборов с
модуляцией эмиссии, приводят к новым компромиссным решениям,
определяющим выбор конструкции, по крайней мере, выходного резонатора
маломощных клистродов в виде многозазорного пространственно-развитого
резонатора, выполненного на печатной плате.
2. Разработанные оригинальные численно-аналитические
математические модели процессов и явлений, происходящих в гибридных
СВЧ приборах с модуляцией эмиссии, а также предложенные методики
расчета электронных и электродинамических параметров многозазорных
резонаторов позволяют в отличие от известных программ, основанных на
полностью полевых моделях и численных методах их решения, оперативно
и достоверно анализировать процессы взаимодействия электронов с полями
СВЧ бессеточных зазоров с учетом трехмерного распределения
электромагнитных полей и нелинейного характера явлений модуляции и
отбора энергии.
3. Теоретически показана и экспериментально подтверждена
возможность достижения требуемых значений электронных и
электродинамических параметров, а также возможность настройки
выходного двухзазорного резонатора на частоты противофазного fi и
синфазного $2 видов колебаний с кратностью частот f2/fi=3, что необходимо
для получения высокого электронного КПД в многолучевом мини-клистроде дециметрового диапазона длин волн.
4. Установлено, что в выходном пространственно-развитом
двухзазорном резонаторе, вакуумная емкостная часть которого выполнена
на основе симметричной высокодобротной полосковой линии,
расположенной на двух сторонах подвешенной диэлектрической подложки,
можно изменять (в пределах 15-20 %) рабочую частоту основного
противофазного вида колебаний, практически не возмущая высший
синфазный вид колебаний. Это можно осуществить с помощью изменения
длины расположенного вне вакуума отрезка коаксиальной линии,
определяющего индуктивную часть этого резонатора. При неизменных
размерах емкостного зазора требуемая частота высшего синфазного вида
колебаний в основном определяется оптимальным выбором размеров
внешнего прямоугольного экрана полосковой линии.
5. На основе проведенного трехмерного моделирования
электродинамических характеристик показано, что в выбранной
конструкции промежуточного клистронного двузазорного резонатора
нового мощного многолучевого двухрежимного СВЧ прибора (гибрида
клистрода и монотрона), рассчитанного на работу в устройствах
диэлектрического нагрева одновременно на двух рабочих частотах (2450 и
5800 МГц), можно добиться требуемых для получения высокого КПД (как
монотрона, так и клистрода) функций распределения продольной
составляющей электрического поля в зазорах резонатора.
Теоретическая и практическая значимость состоит в следующем:
1. Разработанные практические рекомендации по выбору
оптимальных параметров триодной и клистронной областей
взаимодействия в гибридных многолучевых приборах с модуляцией
эмиссии и скоростной модуляцией, а также рекомендации по выбору
конструкций пространственно-развитых резонаторов, обеспечивающие
достижение требуемых значений КПД и полосы усиливаемых частот, могут
быть использованы в конструкторских и технологических отделах и бюро в
практике проектирования многолучевых клистродов при выполнении
перспективных НИР и ОКР на предприятиях электронной отрасли,
например в АО «НЛП Контакт», АО «НПП «Исток».
2. Полученные рекомендации по выбору параметров электронного
взаимодействия, обеспечивающих режим самовозбуждения монотрона в
двухмодовом гибридном многолучевом приборе с модуляцией эмиссии и
скоростной модуляцией, могут быть использованы в АО «НПП «Алмаз»
для прогнозирования условий возбуждения паразитных колебаний в
многолучевых низковольтных клистронах коротковолновой части СВЧ
диапазона.
3. Применение вместо двух одномодовых магнетронов нового
многолучевого высокоэффективного двухрежимного автогенераторного
прибора СВЧ (гибрида клистрода и монотрона) в промышленных
6
установках для одновременного нагрева или сушки тонких материалов на частотах 2450 и 5800 МГц не только позволит повысить равномерность нагрева и сушки обрабатываемых материалов, но и даст возможность значительно уменьшить габариты и массу всего нагревательного устройства и источника его электропитания, а также облегчит условия его эксплуатации.
4. Полученные новые знания по физическим явлениям в гибридных СВЧ приборах могут быть использованы в учебном процессе в технических вузах страны при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций и проведении практических занятий в рамках дисциплины «Физические основы электроники», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Полученные теоретические расчеты и сопоставление их с имеющимися у АО «НЛП «Контакт» экспериментальными данными показывает, что такой прибор без значительной переделки его электронно-оптической системы может быть использован в качестве мощного автогенератора, работающего при напряжении 40 кВ на частоте 2450 МГц в режиме умножения частоты с выходной мощностью 80 кВт, которая недостижима в настоящее время для промышленных магнетронов.
Предложенная методика расчетов позволяет достоверно оценить уровень выходной мощности и КПД прибора с достаточной для практики точностью и будет использована при проектировании подобных приборов в АО «НПП «Контакт».
Методология и методы диссертационного исследования
В процессе выполнения данной диссертационной работы были использованы основы математического анализа и микроволновой электроники, компьютерные методы моделирования и программирования, методы экспериментального измерения электродинамических параметров натурных моделей резонаторов.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
комплекса электронных и
выходного двухзазорного
приближенно учитывающие
эффекты взаимодействия в
1. Результаты гармонического анализа триодной части мощного
четырехлучевого тристрона, полученные с помощью разработанной
методики моделирования, основанной на кусочно-линейной аппроксимации
катодно-сеточных характеристик при малых углах отсечки катодного тока
(40-60 ), а также результаты расчета
электродинамических параметров
клистроннои части, позволяют дать достоверную и оперативную оценку
пространственно-развитого резонатора, пространственный заряд и нелинейные
выходных параметров такого прибора при его работе в режиме утроения частоты 2.45/0.816 ГГц.
равной трем, при мкА/В3/2, общем числе
2. Для получения в миниатюрном многолучевом усилительном
клистроде дециметрового диапазона заданного комплекса выходных
параметров (выходной мощности около 300 Вт при КПД не менее 60% и
полосе усиливаемых частот около 8 МГц) его выходной резонатор должен
быть выполнен на основе двухзвенной фильтровой системы с активным
двухзазорным пространственно-развитым резонатором, выполненным на
печатной плате и возбуждаемым одновременно на основном
противофазном и высшем синфазном видах колебаний с кратностью частот,
микропервеансе парциального луча не более 0.34 лучей не менее 4 и величине ускоряющего напряжения, выбранной в пределах 2.5-2.6 кВ.
3. Результаты численных исследований, полученных с помощью с
помощью проведенного трехмерного электродинамического анализа
двухмодовых двухзазорных резонаторов и комплекса оперативных
программ расчета и оптимизации параметров клистрона, позволяющие
обосновать конструктивную схему нового многолучевого
высокоэффективного двухрежимного устройства, являющегося гибридом
клистрода и монотрона, предлагаемого для использования в
автогенераторном режиме на частоте 2450 МГц при выходной мощности
13 кВт и на частоте 5800 МГц при выходной мощности около 8 кВт.
Достоверность полученных результатов 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 клистроду, а также соответствием представленных автором экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры с результатами проведенных расчетов и экспериментов, проведенных в АО «НПП»Исток» и АО «НПП»Контакт».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 6 конференциях: Третьей международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2006); Международной научно-технической конференции «ММТТ-28» (Саратов, 2015); Международной научно-технической конференции «Перспективы развития науки» (Уфа, 2015); Международной научно-технической конференции «Современные научные исследования и перспективы» (Уфа, 2015); XII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Феодосия, 2015); Научно-техническом семинаре АО «НЛП «Алмаз» «Электронные приборы СВЧ и
их применение в современных системах радиоэлектроники» (Саратов, 2015).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки РФ.
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, выборе объектов исследования, разработке методик моделирования и компьютерных моделей для расчета и оптимизации конструкций исследуемых гибридных приборов СВЧ и их резонаторных систем, а также экспериментальное исследование этих систем и выработка практических рекомендаций по улучшению выходных параметров этих приборов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, приложений. Ее объем составляет 109 страниц машинописного текста, включая 68 рисунков, 9 таблиц, 79 наименований цитируемых источников, из которых 10 - публикации автора диссертации.
Основные пути улучшения параметров и характеристик клистродов
Из таблицы 1.1 и рисунка 1.7 видно, что предельная рабочая частота клистродов обычно не превышает 1.3 ГГц. Выходная мощность импульсных клистродов и диакродов на частотах 400-500 МГц может достигать 10 МВт. Диакрод – по сути, тот же коаксиальный тетрод, только несколько улучшенной конструкции. За счет применения в этом приборе полуволнового коаксиального резонатора в качестве выходной колебательной системы удалось существенно уменьшить нагрузку экранной сетки реактивной мощностью и увеличить выходную мощность. Транзисторные усилительные модули, состоящие из 32 СВЧ транзисторов, имеют на частоте 1 ГГц мощность, которая на порядок меньше, чем у клистродов. Клистрон, как следует из рисунка 1.7, имеет неоспоримое преимущество перед другими СВЧ приборами по уровню выходной мощности на частотах выше Критерием выбора того или иного СВЧ прибора в качестве усилителя являются не только возможность получения заданной мощности и полосы усиления, но и стоимость, массогабаритные параметры, срок службы и потребляемая мощность.
По совокупности четырех последних критериев клистроды не уступают тетродам. Входное устройство IOT аналогично входному устройству тетродного усилителя, реализующему квазиэлектростатический способ управления катодным током (рисунок 1.8). Кроме того, конструкция клистрода обеспечивает хорошую развязку входной и выходной цепей усилителя за счет того, что входной и выходной резонаторы разделены запредельной для рабочей частоты трубкой дрейфа. Рисунок 1.8 – Схема тетродного СВЧ –усилителя
Вместе с тем клистродный усилитель отличается от тетродного тем, что: во-первых, все электроды после управляющей сетки имеют одинаковый постоянный потенциал, и поэтому в выходном резонаторе исключается блокировочный конденсатор; во-вторых, продольное магнитное поле обеспечивает прохождение на коллектор до 98% конвекционного тока, ранее прошедшего сквозь сетку; в-третьих, коллектор отделен от выходного резонатора и поэтому, в отличие от анода тетрода, он не ограничивает выходную мощность усилителя и допускает рекуперацию энергии электронов. К этому следует добавить более высокий коэффициент усиления клистрода Кус=20...23 дБ, в отличие от тетродов, имеющих Кус=10 дБ. Поэтому один клистродный усилитель способен заменить 2 каскада на тетродах. Из рисунка 1.9 видно, что затраты на эксплуатацию у клистрода примерно в 1,3 раза меньше, чем у тетрода. Ожидаемый срок службы катода, определяющий долговечность прибора, также больше, чем у тетрода (рисунок 1.10).
Клистрод по сравнению с клистроном имеет более простую конструкцию, что достигается за счет уменьшения общего числа резонаторов и настроечных элементов. Кроме того, в этом приборе проще поддерживать заданную АЧХ в процессе эксплуатации, так как упрощается процедура настройки резонаторной системы, состоящей только из двух резонаторов.
Из рисунка 1.11 видно, что при одинаковой выходной мощности клистрод имеет в режиме передачи сигнала изображения в 1.2-1.3 больший электронный КПД, и, в принципе, возможен режим работы с е=90%. Помимо низкого энергопотребления, клистрод обладает высокой линейностью входной характеристики, что делает его идеальным для цифровых телевизионных передатчиков [8]. Сравнение характеристик клистрода и клистрона при работе в режиме усиления телевизионного сигнала показано на рисунке 1.12.
Одним из путей является добавление в его клистронную часть второго (индуктивно настроенного) резонатора. Конструкция такого прибора показана на рисунке 1.13. Рис 1.13 – Конструкция клистрода с двумя клистронными резонаторами В своих работах отечественные авторы [9] называли клистрод с одним клистронным резонатором «лампой с индуктивным выходом» (ИВЛ), а однолучевой клистрод с двумя клистронными резонаторами – «триод клистроном» или «тристроном». Ими было показано, что тристрон работает как двухступенчатый (каскадный) усилитель, в котором первая ступень обеспечивает гибридный механизм последовательной модуляции электронного потока по плотности (осуществляемый в триодной ступени) и по скорости (осуществляемый в клистронной ступени), что позволяет получать высокое качество электронных сгустков в широком диапазоне рабочих частот, начиная от 300-400 МГц до 1-1,5 ГГц. В таком приборе может быть увеличен не только коэффициент усиления, но и КПД.
Расчеты, проведенные Сушковым А.Д. и Федяевым В.К., показали возможность увеличения в тристроне электронного КПД примерно на 10 %. Поскольку в обычном клистроде на частоте 400 МГц экспериментально ранее был получен КПД около 70 %, то при добавлении второго резонатора в клистронную часть прибора можно получить КПД порядка 80 %. Кроме того, ими было предложено использовать тристронный механизм управления конвекционным током электронного потока для создания высокоэффективных умножителей частоты [10].
Для характеристики длительности той части полупериода, в течение которой протекает анодный ток, в теории ламп с сеточным управлением используются термины угловая длительность импульса и угол отсечки 0. Под угловой длительностью импульса тока понимается часть периода (выраженная в радианах), в течение которой существует анодный ток. Под углом отсечки 0 понимается половинное значение этой длительности. Для усилителей класса «А» длительность импульса тока равна целому периоду (ток непрерывен), а угол отсечки равен 180. Для усилителей класса «В» угол отсечки составит 90, а для усилителей класса «С» он составляет менее 90.
Методика расчета и приближенные аналитические модели электронных параметров двухзазорных резонаторов с противофазным возбуждением для режима большого сигнала
По полученным данным затем строилась анодно-сеточная характеристика. Схема построения картины импульсов катодного тока во времени показана на рисунке 2.2б.
В процессе проведенных расчетов установлено, что при простой линейной аппроксимации этой характеристики (неизменной ее крутизне) погрешность расчета напряжения запирания Eg0 для малых углов отсечки, характерных для класса «С», может составлять 10-И 5%. Такие режимы работы как раз используются в клистродах-умножителях частоты. Для уменьшения этой погрешности использовалась кусочно-линейная аппроксимация катодно-сеточной характеристики. Определение численных значений постоянной составляющей Ik0 и амплитуд гармоник конвекционного тока 1Ы проводилось методом Фурье путем кусочного интегрирования функции Ik{cot), что аналитически может быть представлено в виде уравнений: 2i 1 {=3 -[ 8Ik(cot)dcot = — \fMIa(cot)Ldcot- (2.1) где «=1,2… , 8 - коэффициент токопрохождения, показывающий какая часть катодного тока прошла за сетку; fa0 и fa1 - функции, учитывающие изменения /до и Іа1 в зависимости от угла отсечки и угла пролета &dc = 2codc_k /J2eUmg /m , здесь e и m - заряд и масса электрона и со - круговая частота переменного сеточного напряжения, dc_k - расстояние «сетка-катод». Интегрирование приводит к следующим выражениям для постоянной составляющей и амплитуд гармоник конвекционного тока [33]: ho =U(i+0);
В этих выражениях x - угол отсечки на участке ВС характеристики,02 - угол отсечки на участке АВ характеристики; -крутизна характеристики на участке АВ, S2 - крутизна характеристики на участке ВС.
Проведенные по предложенной методике расчеты хорошо совпали с данными экспериментальных исследований 4-лучевого тристрона [35]. Таким образом, кусочно-линейное моделирование с учетом начального нелинейного участка анодно-сеточной характеристики наиболее полно отражает процесс модуляции эмиссии в режиме класса «С». 2.2 Методика расчета и приближенные аналитические модели электронных параметров двухзазорных резонаторов с противофазным возбуждением для режима большого сигнала Результаты строгих численных расчетов, основанных на использовании дисковой модели электронного сгустка и анализе движения различных электронных слоев в заданных электрических полях и зазорах резонаторов обычно носят частный характер и могут быть представлены лишь в виде графиков зависимостей для определенных геометрических размеров клистронных резонаторов [36].
Одними из важнейших при расчетах клистрона являются электронные параметры, к которым относятся коэффициент эффективности взаимодействия М и относительная электронная проводимость Ge/G0 [37]. Для проведения оптимизационных или оценочных расчетов желательно иметь достаточно простую аналитическую модель, адекватно описывающую нелинейные процессы в выходном двухзазорном резонаторе. Схематическое изображение двухзазорного резонатора приведено на рисунке 2.3.
Обычно расчет электронных параметров ведут в сеточном приближении для линейного режима. [38, 39]. Однако модель «плоского сеточного зазора» [40] непригодна для строгого расчета бессеточных двухзазорных резонаторов, особенно в случае коротких втулок и узких зазоров, когда высокочастотное поле в зазоре сильно неоднородно по радиусу пролетного канала. Поэтому возникает необходимость разработки обобщенных математических моделей для определения нелинейных характеристик электронных параметров взаимодействия.
Численные расчеты электронных параметров для режима большого сигнала проводились с помощью программы дисковой модели клистрона [41].
Для построения c помощью метода нелинейного подобия [42] обобщенной кривой зависимости нелинейного коэффициента эффективности взаимодействия Мп от коэффициента использования напряжения UJU0 была проведена нормировка нелинейных значений параметра Мп относительно значений этого параметра в малосигнальном режиме М для разных значений относительных длин втулок. Нормированные зависимости параметра Мп от Un/U0 приведены на рисунке 2.4, где: y=co/V0 - приведенная длина единичного отрезка, а - радиус пролетного канала, d - длина единичного зазора, /вт длина центральной втулки.
Зависимость нормированных значений коэффициента эффективности взаимодействия от коэффициента использования напряжения на выходном двухзазорном резонаторе для различных углов пролета двойного зазора: 1 – (lвт/a= 0.5); 2 – D= 2.6 (lвт/a= 1.0); 3 – D= 3.2 (lвт/a=1.5); 4 – D=3.8 (lвт/a=2.0) В качестве нормирующего множителя использовалось малосигнальное значение коэффициента эффективности взаимодействия М. Для этого использовался разработанный в СГТУ программный пакет «REZON» [43], который позволяет определить малосигнальную величину коэффициента М и характеристическое сопротивление р с учетом реального распределения электрических полей Е2в зазорах по следующим формулам [44]. 7 Q 2coW 2m\(s0E2+iUoH2)dv где R - резонансное сопротивление эквивалентного параллельного контура, Qo - собственная добротность резонатора, Vl - ВЧ напряжение, действующее на пучок, - круговая частота колебаний электромагнитного поля, W -средняя за период энергия электромагнитного поля резонатора, Е - z-я компонента напряженности электрического поля, є0 =8.85-10"12 Ф/м, U0 = 1,26-1 (Г6 Г/м. Зависимости, приведенные на рисунке 2.5, иллюстрируют сложный характер изменения параметра Мп для двухзазорного резонатора при большом сигнале. Полученные кривые использованы как основа для построения c помощью метода нелинейного подобия соответствующих аппроксимационных зависимостей.
Согласно теории нелинейного подобия, разработанной Вениковым В.А., для приведения результатов моделирования к обобщенному виду необходимо для каждой кривой определить базисные параметры Uбаз, Мбаз, ориентируясь на максимальные значения исследуемых функций.
Моделирование миниатюрных многолучевых клистродов
Согласно поставленным задачам необходимо было обеспечить возможность настройки выходного двухзазорного резонатора на две рабочие частоты с кратностью, равной двум. При этом взаимодействие электронов с СВЧ полем должно осуществляться не только на основном, но и на первом высшем виде колебаний. Расчет проводился с помощью программы трехмерного анализа «REZON» [43]. Конструкция резонатора показана на рисунке 4.7.
Особенностью этой конструкции является наличие радиальных ребер, длину которых можно изменять и, тем самым, производить настройку частоты синфазного вида колебаний на кратную частоту. Картина электрического поля на синфазном виде колебаний в поперечном сечении резонатора для разной длины ребер приведена на рисунке 4.8. Видно, что с помощью ребер можно перемещать СВЧ поле ближе к пролетным втулкам, что, помимо смещения частоты, увеличит эффективность взаимодействия. Как можно видеть из рисунка 4.9, при перемещении ребер частота противофазного вида колебаний изменяется очень мало, в то же самое время частота синфазного вида очень чувствительна к перемещению ребер. Это позволяет настроить резонатор на требуемое соотношение частот с кратностью 2 или 3.
Заметим, что частота третьего (противофазного) вида колебаний близка к утроенному значению частоты основного вида колебаний, то есть можно создать на основе этого резонатора утроитель частоты. Зависимости характеристического сопротивления для трех видов колебаний приведены на рисунке 4.10. Из этих рисунков виден эффект концентрации поля вблизи пролетных каналов для второго и третьего видов колебаний.
Приступим теперь к расчету триодной части прибора. 4.1.4 Расчет триодной части клистрода-удвоителя частоты С помощью методики, изложенной в главе 2, рассчитаем параметры парциальной пушки клистрода. Определим постоянную составляющую Іa0 в виде некоторой доли от максимального значения импульса 1m . Для угла отсечки, равного 60, при котором максимальна вторая гармоника конвекционного тока (рис. 4.11), задаваясь определенной ранее величиной тока Ia0=0,29 А, получим Im=Ia/«o=Ia/( ffff) 0,9/0,21S .37 А. I=0.298-6 = 1.788 А. , pfii = 0.213 мкА/В3/2. P0= 1.79 -12500 =22350 Вт. Пушка была сконструирована методом масштабного моделирования, основываясь на конструкции пушки тристрода [64]. Результаты траекторного анализа пушки приведены на рисунке 4.11. Рисунок 4.11 - Траектории электронов в парциальной пушке при ускоряющем напряжении 12.5 кВ при токе пучка в плоскости анода I =1.37 А и плотности тока на катоде 1.4 А/см 2 Рассчитаем величину парциального конвекционного тока за анодом для первой и второй гармоник. J =ail = Sf I"!=-391 L37=0-536 А. Jal/Ia0 =0.536/0.218=1.794. т sin2flcosfl-2cos2flsinfl т (4.2) Ja2 = «2Im= 34l-cosg) Іи= 0.276-1.37-0.378 А. Лг/ о = =0.276/0.218=1.266. Перейдем теперь к расчету процессов группировки электронов, используя дисковую модель клистрона «DISKLY» [63].
На рисунке 4.12 изображены гармонические составляющие тока пучка, представленные в виде их зависимости от расстояния Z от модулирующей сетки до коллектора. Линия к=1 демонстрирует поведение нормированной величины первой гармоники конвекционного тока, уменьшающейся после прохождения сетки из-за расталкивающих сил пространственного заряда. Видно, что после прохождения первого зазора обе компоненты конвекционного тока возрастают из-за дополнительной группировки в трубке дрейфа.
К моменту прихода во второй зазор пространства взаимодействия относительная величина второй гармоники тока (кривая к=2) достигает максимального значения Ja2/Ia0=1.7, увеличиваясь в 1.4 раза. При этом абсолютное значение тока этой гармоники равно Таким образом, доказано, что многолучевой клистрод-удвоитель с выходным двухзазорным резонатором, оптимально настроенным на взаимодействие с двумя кратными гармониками конвекционного тока, обеспечивает на частоте 2450 МГц получение выходной мощности около 13 кВт, что ранее было недостижимо для приборов подобного класса. 4.2 Моделирование характеристик мощного многолучевого клистрода-утроителя частоты
В предыдущем разделе показано, что многолучевой клистрод удвоитель частоты может работать с высокой эффективностью на частоте 2450 МГц при уровнях выходной мощности, не превышающих 15 кВт. Однако для ряда промышленных применений СВЧ энергии, например для передачи энергии на расстояние, для сушки бетонных плит, кирпичей, древесины, для разрушения твердых пород и в других случаях требуется уровень выходной мощности порядка 50-100 кВт [65]. В этой связи представляет интерес исследование возможности создания для промышленных нужд многолучевого тристрода-утроителя частоты с выходной мощностью выше 50 кВт и КПД не менее 50%. В этом случае первичное формирование электронных сгустков в триодной части и их догруппировка в промежуточном резонаторе будут проходить на частоте f1=816.7 МГц, а отбор энергии в выходном зазоре на частоте f1kf, где kf =3-коэффициент умножения.
Целью настоящего раздела работы является оценка выходных характеристик мощного утроителя частоты на многолучевом клистроде с рабочей частотой 2450 МГц. Конструкция прибора схематично изображена на рисунке 4.13. В отличие от разработанного ранее тристрода [66] предлагаемый прибор имеет 6 лучей. Для уменьшения габаритов промежуточный резонатор выполнен однозазорным. Рисунок 4.13 - Конструкция клистрода-утроителя частоты 4.2.1 Расчет параметров катодно-сеточного узла
Основная задача, которую нужно решить при проектировании катодно-сеточного узла (КСУ) клистрода, - выбор оптимальных значений параметров анодно-сеточной характеристики, таких как потенциал запирания, напряжение смещения, амплитуда модулирующего напряжения, крутизна.
За основу для проектирования был взят КСУ, разработанный ранее для телевизионного многолучевого клистрода. Он имеет следующие параметры. Сетка изготовлена из молибдена и имеет сферическую форму с квадратными ячейками. Она характеризуется следующими параметрами: толщина сетки 0.15 мм, размер ячейки 0.66 мм; ширина перемычки 0.12 мм; радиус кривизны катодной сферы 15.8 мм; диаметр катода 19 мм; диаметр сеточного полотна 19.6 мм; расстояние «катод-сетка» 0.3 мм. Радиус пролетного канала был выбран равным a = 0.75 мм.
Для расчета анодно-сеточных характеристик использовался анализ траекторий электронов с помощью двумерной программы численного моделирования электронных пушек с сеточным управлением «Кит», разработанной в СГТУ [64]. По полученным расчетным данным были построены анодно-сеточные характеристики для трех разных ускоряющих напряжений (Ua=18 кВ, Ua=30 кВ, Ua=40 кВ). Эти характеристики приведены на рисунке 4.14.
Синтез двухзазорного выходного резонатора на две кратные частоты
Обычно для повышения равномерности нагрева используют два магнетрона с частотами 915 и 2450 МГц. Однако для нагрева или сушки материалов, которые не могут быть нагреты эффективно на частоте 2450 МГц из-за их формы (например, волокна, листы, а также порошковые материалы и гранулы) целесообразно переходить на обработку двумя частотами 2450 и 5800 МГц. Эксперименты, проведенные с различными материалами (вода, кварц, бумага), показывают, что при малых поперечных объемах этих материалов эффективность СВЧ нагрева на частоте 5.8 ГГц может быть увеличена в 2,0-3,5 раза.
В настоящее время получены экспериментальные результаты, подтверждающие возможность создания монотронного многолучевого генератора, работающего на частоте 18 ГГц с выходной мощностью около 1 кВт, при ускоряющем напряжении 2.6 кВ и КПД около 30 % [68]. Создание многолучевого генераторного прибора (клистрода-удвоителя) на частоту 2450 МГц с выходной мощностью 3-5 кВт также не является проблемой. Очевидно, что объединение двух этих приборов в одном вакуумном объеме повысит надежность работы двухчастотного нагревательного устройства и упростит его конструкцию, уменьшит габариты. Целью работы является исследование возможности создания двухмодового двухзазорного резонатора для гибридного СВЧ прибора, позволяющего обеспечить работу двух независимых многолучевых приборов различного уровня мощности (клистрода и монотрона) на двух рабочих частотах (2,45 и 5,8 ГГц) как одновременно, так и поочередно.
При работе клистрода в качестве умножителя частоты необходимо было настроить исследуемую резонансную систему (рисунок 4.22) на частоту противофазного вида колебаний 2450 МГц, который является основным видом для такого двухзазорного резонатора, путем оптимального выбора длины и диаметра опорного стержня. Синфазный вид колебаний, который является высшим видом, настраивался за счет изменения размеров цилиндрической части резонатора на частоту 5800 МГц. Размеры пролетных каналов и длины ВЧ зазоров выбирались, исходя из получения наивысшей эффективности взаимодействия одновременно на двух рабочих частотах. Из рисунка 4.23 видно, что продольная составляющая ВЧ электрического поля имеет нарастающие (по направлению движения электронов) амплитуды, что необходимо для получения приемлемого электронного КПД монотрона.
Картина электрических полей на двух рабочих модах (слева – противофазная мода, справа – синфазная мода)
Один из вариантов расчета (проведенного с помощью дисковой модели клистрона) электронного КПД монотронного автогенератора, выполненного на основе исследуемого резонатора, представлены на рисунке 4.24а.
Сравнение величин относительной электронной проводимости Ge/G0, определяющей условия самовозбуждения монотрона, приведено на рисунке 4.24б. Видно, что в нелинейном режиме область отрицательной электронной проводимости в нелинейном режиме сужается и уменьшается примерно в 4 раза, однако положение минимума остается неизменным.
Из приведенных на рисунке 4.25 зависимостей коэффициента эффективности взаимодействия М, коэффициента использования напряжения резонатора , =U 1/ U0 от ускоряющего напряжения видно, что максимальный электронный КПД -rje =0,33, достигается при ускоряющем напряжении 28 кВ при типичной для монотрона с двухзазорным резонатором величине Е, = 2.4. Рисунок 4.25 - Зависимости параметров М, г,е и С от величины ускоряющего напряжения Результаты расчета клистрода в режиме удвоения частоты показывают, что относительная величина второй гармоники конвекционного тока при выбранном угле отсечки катодного тока (в = 60), равна J2 /I0 = 1.27. При этом Ja2 =0.983 А. Данный угол отсечки соответствует режиму работы клистрода в классе «С». При возбуждении мультимодового резонатора на частоте второй гармоники конвекционного тока на его зазорах устанавливается высокочастотное напряжение Uc1=Ia2M1np1Qn1, (4.6) где Mln - нелинейный коэффициент эффективности взаимодействия для противофазного вида колебаний, Pi,Q„i характеристическое сопротивление и нагруженная добротность на ж -моде. Проведенные расчеты показали, что при выбранных режимах работы этот резонатор имеет оптимальные для передачи энергии в нагрузку параметры: коэффициент эффективности взаимодействия М1п =0,75, относительная активная проводимость Ge/Go=-0.2, коэффициент использования напряжения резонатора « =UJ U0 =1.1, нагруженную добротность Qnl =360, характеристическое сопротивление А =ШОм. Эти данные позволяют оценить выходную мощность и КПД клистрода-умножителя.
Сравнение параметров предлагаемого гибридного прибора и клистрода, разработанного фирмой CPI, приведено в таблице 4.4. При определении параметров монотрона учитывалось возможность повышения электронного КПД путем догруппировки электронных сгустков за счет дополнительного буферного каскада. Режим догруппировки сгустков электронов в пролетной трубе усилительного каскада обеспечивает увеличение первой гармоники конвекционного тока 0-вида в 1.2 раза.
Монотрон 5800 28 0,74 8 0,4 автогенератор Предлагаемый прибор может быть использован вместо двух магнетронов в устройствах одновременного нагрева или сушки на частотах 2450 МГц и 5800 МГц малоразмерных в поперечном сечении материалов, например, волокон, листов, а также порошковых материалов и гранул. Кроме того, он может использоваться как источник высокочастотной энергии в ускорителях заряженных частиц, в плазменных установках и т.д.
В настоящее время значительные усилия направлены на разработку миниатюрных источников микроволновых колебаний миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов [69]. Недавние технологические успехи вакуумной микроэлектроники открыли пути создания миниатюрных аналогов «классических» вакуумных электронных приборов, таких как клистрод с автоэмиссионным катодом – фемитрон. Такой прибор может быть использован в системах связи, радиолокации, спектроскопии.
Характерной трудностью, возникающей при конструировании приборов вакуумной микроэлектроники, является необходимость использования электронных пучков с весьма малыми поперечными размерами и соответственно с чрезвычайно большой плотностью тока. Естественным способом преодолеть эти трудности является переход к многолучевым конструкциям с использованием матричных автоэмиссионных катодов. Целью настоящего раздела является исследование возможности создания многолучевого прибора клистронного типа – умножителя частоты, работающего на частоте 120 ГГц.