Введение к работе
Актуальность работы. Мощные СВЧ-приборы клистронного типа находят широкое применение в системах космической и телевизионной связи, в передатчиках PЛC, в СВЧ-энергетике, ускорителях заряженных частиц и в других областях науки и техники. Эксплуатационные характеристики этих приборов, их электрические и конструктивные параметры определяются областью применения и диапазоном рабочих частот и существенно зависят от типа и геометрических размеров резонаторов и электронно-оптических систем.
В настоящее время получили широкое распространение многолучевые многорезонаторные пролетные клистроны (МЛК) и клистроды (МЛКД). Они позволяют усиливать или генерировать высокочастотные мощности до нескольких десятков и, даже сотен кВт, при ускоряющих напряжениях в 2-3 раза меньше, чем у обычных однолучевых клистронов. Низкий микропервеанс одного луча () и малые поперечные размеры лучей в каждом канале обеспечивают предельно малые кулоновские силы продольного расталкивания, что способствует достижению высокой эффективности группирования электронов. Суммарный микропервеанс многолучевого потока увеличивается пропорционально числу лучей N, что позволяет создавать малогабаритные низковольтные СВЧ приборы. Они могут работать в режиме усиления одного или одновременно двух сигналов, в режиме умножения частоты, в режиме генерации, а также в режиме резонансного ускорения, как в ускорителях заряженных частиц .
При большом уровне выходной мощности одним из основных требований к таким приборам является достижение высокого КПД (до 80- 90%).
В разработанных к настоящему времени многолучевых СВЧ приборах применяют различные колебательные системы: однозазорные и двухзазорные резонаторы коаксиального и радиального типов с плотным размещением отдельных каналов в пролетной трубе, однозазорные и двухзазорные пространственно – развитые резонаторы с неплотным расположением пролетных каналов, расположенных на одном расстоянии относительно оси прибора.
Для повышения КПД в МЛК можно использовать режим несинусоидальной скоростной модуляции, при которой форма модулирующего напряжения в резонаторах близка к пилообразной. Этот способ улучшения эффективности группировки в однолучевых приборах впервые предложил Эрлин Лайн. В современных высокоэффективных однолучевых клистронах это достигается введением двух дополнительных резонаторов второй гармоники в резонаторную систему клистрона. При этом увеличивается длина прибора, а следовательно, его габариты и масса.
Устранить этот недостаток можно за счет сокращения числа резонаторов путем возбуждения в одном резонаторе одного или двух высших видов колебаний, кратных основному виду. Исследованием возможности использования паразитных высших видов колебаний в качестве рабочих для реализации режима несинусоидальной скоростной модуляции в однолучевых клистронах занимались многие отечественные ученые: Андреев В.Г., С.Н. Голубев, С.А. Зусмановский, Ю.А. Кацман, В.И. Кучугурный, С.В. Лебединский. В последнее время начались интенсивные исследования возможности возбуждения кратных видов колебаний в многоканальных конструкциях резонаторных систем (А.Н. Королев, К.Г. Симонов).
Однако рекомендации для оптимального конструирования двухчастотных резонаторов были предложены для использования только в однолучевых клистронах. В связи с этим большой интерес представляют работы, направленные на разработку многоканальных резонаторов с кратными резонансными частотами для многолучевых конструкций приборов. Создание таких систем затрудняется в связи с недостаточной теоретической и экспериментальной исследовательностью поведения основного и высших видов колебаний, как в однозазорных, так и в двухзазорных конструкциях. Трехмерный характер таких конструкций усложняет численное исследование, так как требуется перебор большого числа вариантов. Отсутствие адекватных аналитических моделей, методик синтеза и оптимизации таких систем приводит к тому, что процесс проектирования остается чисто экспериментальным, требует больших затрат времени и материальных ресурсов.
Основной целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка многоканальных однозазорных и двухзазорных клистронных резонаторов, выполненных на основе ступенчато-неоднородных отрезков линии передачи, оптимизация их параметров для достижения высокой эффективности при взаимодействии электронных потоков с электромагнитными полями кратных по частоте основного и высшего видов колебаний в многолучевых СВЧ приборах клистронного типа, работающих в режиме несинусоидальной скоростной модуляции или в режиме умножения частоты.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
теоретическое и экспериментальное исследования поведения основного и высших видов колебаний в разных по конструкции однозазорных многоканальных резонаторах;
разработка аналитической методики расчета электродинамических характеристик и программы численного моделирования для оперативного синтеза на кратные резонансные частоты многоканальных однозазорных резонаторов с плотным расположением пролетных каналов;
оптимизация многоканальных однозазорных резонаторов различных форм, настроенных на кратные резонансные частоты, по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров;
теоретическое и экспериментальное исследование поведения основного и высших видов колебаний в двухзазорных многоканальных резонаторах «древовидного» типа с неплотным расположением пролетных каналов и способов управления частотами собственных видов колебаний этих резонаторов для достижения условий кратности основного и высших видов колебаний и повышения эффективности взаимодействия с пучками на кратных частотах;
оценка эффективности применения разработанных и исследованных резонаторных систем в высокоэффективных усилительных многолучевых клистронах и клистродах – удвоителей частоты и выработка практических рекомендаций по использованию их в различных областях науки и техники, включая СВЧ нагрев.
Объектом исследования являются многолучевые СВЧ устройства (или их модели) с модуляцией потока заряженных частиц по скорости и по плотности, в которых используются резонаторы с кратными частотами.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
1. Разработанная методика расчета и компьютерного моделирования электродинамических характеристик основного и высших видов колебаний в многоканальных однозазорных резонаторов, основанная на комбинированном использовании приближенно-аналитических (методы эквивалентных длинных линий) и численных (метод конечных элементов в частотной области), а также теории подобия, позволяет исследовать условия возбуждения этих резонансных систем на основном и высших видах колебаний, частоты которых находятся в отношении 2:1.
2. Теоретически и экспериментально исследованные способы настройки резонаторов и обнаруженные закономерности поведения комплекса электронных, электродинамических и массогабаритных параметров позволяют найти оптимальную форму и размеры многоканального однозазорного резонатора, соответствующие наивысшей эффективности взаимодействия электронного пучка с основным и первым высшим видом колебаний при минимальной продольной высоте резонатора.
3. Разработанная аналитическая методика оперативного расчета электродинамических параметров, не имеющих осевой симметрии, многоканальных двухзазорных резонаторов «древовидного» типа, основанная на методе эквивалентных длинных линий, позволяет исследовать основные закономерности поведения частоты основного (противофазного) вида колебаний и частоты первого высшего (синфазного) вида колебаний от числа лучей и других влияющих факторов, а также определить условия настройки этих систем, при которых частоты находятся в отношении 2:1, 3:1.
4. На основе проведенных численно-аналитических расчетов показано, что в семилучевом клистроде-удвоителе с дополнительным промежуточным двухчастотным однозазорным резонатором и выходным резонатором, настроенным на частоту второй гармоники конвекционного тока, можно получить на частоте 2450 МГц ранее недостижимые значения выходных параметров: КПД, близкий к 70 % при уровне выходной непрерывной мощности около 10 кВт.
Достоверность полученных результатов обеспечивается построением математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, а также хорошим соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.
Практическая значимость состоит в следующем:
-
Разработанная аналитическая методика оперативного синтеза многоканальных однозазорных резонаторов, настроенных на кратные резонансные частоты, и созданная на ее основе программа «BEZONE» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011613602) могут быть использованы в производстве на начальном этапе проектирования многолучевых приборов: усилительных клистронов и клистродов, умножителей и преобразователей частоты, выпрямителей СВЧ энергии в энергию постоянного тока. Применение программы «BEZONE» позволит уменьшить трудоемкость и время расчета по программам трехмерного моделирования, а также трудоемкость экспериментальных исследований.
-
Практические рекомендации для выбора оптимальной конструкции и параметров резонаторов с кратными резонансными частотами и способам их настройки могут быть использованы при создании новых типов элестровакуумных СВЧ-приборов с улучшенными выходными характеристиками и эксплуатационными параметрами, например, при разработке клистронов и клистродов, работающих в двух диапазонах рабочих частот, а также в многолучевых приборах, предназначенных для формирования мощного сверхширокополосного сигнала.
-
Полученные экспериментальные данные по оценке точности расчета электродинамических параметров резонаторов сложной трехмерной конфигурации могут быть использованы при тестировании существующих и разрабатываемых 3-D программ численного моделирования таких систем.
-
Полученные знания по электродинамическим свойствам исследованных резонансных систем и особенностям их взаимодействия с электронным потоком могут быть полезны для использования в учебном процессе высших учебных заведений по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Реализация результатов работы.
Результаты работы используются в учебном процессе СГТУ в курсах «Компьютерное моделирование и проектирование ЭПУ» и «Микроволновые приборы и устройства», а также при выполнении бакалаврами и магистрами дипломных проектов и курсовых работ.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная программа оперативного синтеза резонаторов «BEZONE», основанная на методах теории подобия и эквивалентных длинных линий, позволяет осуществить оперативный синтез однозазорных многоканальных резонаторов с кратностью резонансных частот основного и высшего видов колебаний с погрешностью, не превышающей 1-1.5%.
-
Среди возможных конструктивных форм многоканальных однозазорных резонаторов с кратностью частот основного и первого высшего видов колебаний, равной двум, выполненных на основе ступенчато-неоднородных отрезков резонансных линий (коаксиальной линии, линии, состоящей из последовательно соединенных радиального и коаксиального отрезков и свернутой коаксиальной линии) наивысшее эффективное характеристическое сопротивление на высшем виде колебаний при минимальной высоте резонатора обеспечивает резонатор на основе свернутой коаксиальной линии.
3. Исследованные физические и конструктивные особенности многоканальных пространственно развитых двухзазорных резонаторов «древовидного» типа с однородным и ступенчато-неднородным цилиндрическим корпусом позволяют обеспечить соотношение частот противофазного и синфазных видов колебаний, соответственно: двух частот с кратностью 1:2 и трех частот с соотношением 1/3/6 (=816.667 МГц, =2450 МГц, =4900 МГц), а также с другим, разрешенным в промышленности, соотношением частот (=915 МГц, =2450 МГц, =4900 МГц).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6-ти научно-технических конференциях:
Международной научно-практической конференции «Интернет и инновации. Практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности», Саратов, 19-20 ноября 2008 г.;
10th IEEE International Vacuum Electronics Conference IVEC 2009, Rome, Italy, 28-30 April, 2009;
Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», Саратов, 15-16 сентября 2009 г.;
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2010», Саратов, 22-23 сентября 2010 г.;
Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий», Саратов, 26-29 октября 2010 г.;
XXIV Международной научной конфененции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-24», Саратов, 21-24 апреля 2011г.;
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Получен патент на полезную модель.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 115 страниц, включая 13 таблиц, 70 рисунков, 65 формул, список литературы состоит из 72 наименований.