Введение к работе
Актуальность проблемы. Поиски путей повышения эффективности СВЧ усилителей О-типа на основе улучшения комплекса их. энергетических и массо-габаритных параметров привели к созданию мощных многолучевых клистронов (МЛК).и ЛБВ. МЛК непрерывного режима используются в телевизионных передатчиках,, в аппаратуре тропосферной и спутниковой связи, а также в установках СВЧ нагрева. Широкое применение в передатчиках телевизионных станций может найти и созданный в последние годы в нашей стране новый прибор - многолучевой клистрод (МЛКД), являющийся гибридом двух многолучевых СВЧ приборов: триода и клистрона.
Повышение эффективности мощных пролетных клистронов на протяжении многих лет было и остается одной нз важнейших проблем. Успешное решение этой проблемы зависит от правильного выбора одного из основных узлов конструкции клистронов - резонаторной системы, которая в значительной мере определяет электрические, конструктивные и эксплуатационные характеристики всего прибора. Выбор типа резонатора, в свою очередь, определяется требованиями к выходным параметрам клистрона: диапазоном частот, полосой усиления, импульсной и средней мощностями и другими.
В однолучевых клистронах находят применение различные колебательные системы: однозазорные резонаторы коаксиального и радиального типов, квазистационарные резонаторы, двухзазорные резонаторы с синфазным и противофазным возбуждением и резонаторы с распределенным взаимодействием, выполненные на отрезках замедляющей системы. В МЛК и МЛКД в настоящее время, в основном, применяются однозазорные резонаторы, которые при плотной упаковке пролетных каналов в пределах поперечного сечения одной пролетной трубы работают на основном виде колебаний, а при неплотном расположении пролетных отверстий - на высшем виде колебаний.
В попытке улучшить электрические параметры- СВЧ приборов клистронного типа исследователи и разработчики обращают пристальное внимание не только на оптимизацию параметров традиционных резонаторных систем, но и на создание и исследование новых конструкций резонаторов, к числу которых можно отнести однолучевые и многолучевые многозазорные резонаторы.
Однако в МЛК многозазорные резоиаторные системы пока не нашли широкого применения в связи с недостаточностью исследования нелинейных физических процессов в таких системах при отборе энергии от модулированного электронного потока. Кроме этого, из-за сложного трехмерного характера электромагнитного поля в подобных резонаторах и отсутствия аксиальной симметрии, их расчет полевыми электродинамическими методами в настоящее время затруднен, что вызывает необходимость развития приближенных методов, основанных на эквивалентных схемах. В многолучевых приборах с многозазорными резонаторами существенно возрастает число параметров, что затрудняет оптимизацию таких приборов и требует создания методик оперативной оптимизации с использованием приближенных моделей.
Проводимые в последние годы исследования в области миниатюризации СВЧ приборов с использованием новых технологий получения матричных автоэмиссионных катодов (МАЭК) свидетельствуют о перспективности нового класса миниатюрньгх приборов клистронного типа с злектронньвіи пушками на основе МАЭК.
Для таких приборов требуются новые и миниатюрные технологически совместимые резонаторные системы. Однако информация о подобных резонаторных системах и результатах их исследования в зарубежной и отечественной печати практически отсутствует, поэтому представляется актуальным поиск эффективных миниатюрньгх резонаторных систем, исследование их характеристик и анализ достижимых значений выходных параметров приборов с их использованием.
- Таким образом, создание новых конструкций, разработка эффективных математических моделей и оптимизация параметров резонаторных систем с целью повышения эффективности многолучевых клистронов и клисгродов является актуальной задачей современной вакуумной электроники СВЧ.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка математических моделей для оперативного расчета и оптимизации основных параметров и характеристик многозазорных резонаторных систем мощных многолучевых клистронов н клисгродов, а также миниатюрных электровакуумных приборов этого типа, выполненных на основе матричных автоэмиссионных катодов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
анализ известных конструкций, методов расчета и оптимального проектирования многозазорных резонаторов с точки зрения целесообразности их применения при создании высокоэффективных однолучевых и многолучевых приборов дециметровой части СВЧ диапазона;
разработка приближенных аналитических моделей и определение оптимальной взаимосвязи между выходными (КПД, полоса частот, коэффициент усиления), внутренними параметрами (лервеанс, ускоряющее напряжение, число
. лучей) многолучевого клистрона и параметрами многоканального двухзазор-.,, .ного, резонатора с плотным расположением каналов;
разработка новых конструкций четырехзазорных одаюканальных и многоканальных резонаторов с неоднородным полем, работающих на противофазном виде колебаний, создание математических моделей для расчета основных параметров предложенных резонаторов, а также теоретическое и экспериментальное исследование свойств этих колебательных систем;
анализ физических процессов отбора энергии в усилительном клистроне с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и нахождение оптимальных для расширения полосы и повышения КПД значений параметра пространственного заряда и функции распределения поля в области взаимодействия;
разработка методики расчета электродинамических параметров миниатюрных многоканальных двухзазорньгх резонаторов спирального типа и аналитическая оценка ожидаемых выходных параметров клистронов и клисгродов с такими резонаторами и многолучевым потоком, полученным с помощью матричных углеродных автоэмиссионных катодов (МУАЭК);
- разработка программного обеспечения для реализации теоретических результатов проведенных исследований в практику проектирования многолучевых приборов в промышленности и учебный процесс в вузе. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Для решения задачи синтеза оптимального двухзазорного выходного резона
тора МЛК с плотной упаковкой лучей в пределах поперечного сечения одной
, пролетной втулки разработаны приближенные математические модели, описывающие нелинейные процессы взаимодействия многолучевого электронного потока с полем резонатора и найдены требуемые для достижения максимальных значений произведения КПД на полосу усиления соотношения между параметрами этого резонатора и параметрами многолучевого электронного потока.
-
Предложены новые конструкции четвертьволновых четырехзазорных резона-торовс неоднородным полем, в которых отношение амплитуд ВЧ напряжения на двух смежных симметричных двойных зазорах можно изменять путем выбора места их включения в общую индуктивную часть резонатора относительно точки короткого замыкания.
-
Впервые исследованы физические процессы отбора энергии в усилительном клистроне с выходным четырехзазорным резонатором с неоднородным полем и найдены оптимальные для расширения полосы и повышения КПД значения параметров пространственного заряда и функции распределения поля в области взаимодействия.
-
Предложены, новые конструктивные схемы многолучевых генераторных клистронов с четырехзазорными резонаторами с неоднородным полем, отличающиеся от классических двухрезонаторньгх генераторных, клистронов высоким КПД (50-60%), большим уровнем выходной мощности (до 3-5 кВт), простотой и малыми габаритами конструкции,
-
Предложен миниатюрный многоканальный двухзазорный металлокерамиче-склй резонатор с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, который, с точки зрения получения высоких электродинамических характеристик, простоты изготовления, малых габаритов и массы, является, по сравнению с традиционными конструкциями резонаторов, более перспективным типом резонатора для применения в МЛК с МАЭК при уровнях непрерывной выходной мощности до 1 кВт.
-
Разработана методика расчета электродинамических параметров миниатюрного многоканального двухзазорного резонатора с индуктивной частью в виде плоской спирали, выполненной на основе печатной платы, обеспечивающая приемлемые для инженерной практики'погрешности расчета резонансной частоты и характеристического сопротивления .
-
Осуществлена оценка ожидаемых выходных'параметров многолучевых клистронов и клистродов с электронными пушками, выполненными на основе матричных углеродных автоэмиссионных катодов с групповым расположением острий ЯоД отверстиями крупноячеистой управляющей сетки из пиро-литического; графита,- и определены оптимальные режимы модуляции эмиссии, величины относительного напряжения на выходном резонаторе и его эквивалентного резонансного сопротивления с помощью разработанной математической модели'клистрода; основанной на использовании закона Фауле-
ра-Нордгейма для переменного сигнала с последующим разложением импульса конвекционного тока в ряд Фурье и дальнейшим применением приближенной теории нелинейной теории клистрона.
Достоверность полученных результатов. Достоверность теоретических результатов обеспечивается фундаментальностью исходных уравнений и законов, используемых для построения математических моделей, корректностью упрощающих предположений и соответствием результатов расчета эксперименту, а там, где это возможно, данным, полученным по другим (более строгим) математическим моделям или путем сравнения с известными данными других исследователей. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением современной стандартной измерительной аппаратуры.
Практическая ценность работы состоит в разработке новых конструкций резонаторных систем с четыремя зазорами и неоднородным полем и миниатюрных с плоской спиралью, вьшолненнои на основе печатной платы, которые позволяют повысить эффективность однолучевых и многолучевых клистронов и клнстродов.
Разработанные для предложенных конструкций резонаторов математические модели, методики оптимизаций и программ для ПЭВМ могут быть применены в промьипленности для проектирования приборов и в учебном процессе в ВУЗе.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Разработанные приближенные математические модели позволяют адекватно определять непосредственную аналитическую связь между выходными параметрами МЛК и МЛКД и их внутренними параметрами, включающими безразмерные параметры многоканального двухзазорного выходного резонатора. Применение полученных моделей позволяет существенно сократить размерность пространства параметров в процессе оптимального проектирования мощных многолучевых клистронов с термокатодами и миниатюрных СВЧ приборов, выполненных на основе МАЭК.
-
Разработанные методики расчета основных электродинамических параметров многоканальных многозазорных резонаторов для мощных СВЧ-прпборов клисгронного типа и миниатюрных СВЧ приборов с матричными автоэмиссионными катодами обеспечивают приемлемые для инженерной практики погрешности расчета (резонансной частоты менее 5% и характеристического сопротивления не более 10%),
-
В предложенных, одноканальних и многоканальных малогабаритных конструкциях резонаторов, выполненных на четвертьволновых свернутых отрезках линии передачи, нагруженных на емкостные зазоры, можно обеспечить эффективное четырехкратное взаимодействие электронов с неоднородным электрическим ВЧ полем, амплитуда которого определяется выбором места включения емкостного зазора в общую высокочастотную цепь относительно точки короткого замыкания.
-
Применение в клистронах, работающих в длинноволновой части диапазона СВЧ, выходных четырехзазорных резонаторов с неоднородным полем позволяет реализовать, используя разные формы поля в области взаимодействия, либо режим широкополосного усиления, либо узкополосный режим со значениями электронного КПД и полосы, превышающими соот-
ветствуїощие значения для клистронов с двухзазорными и четырехзазор-
ными резонаторами с однородным полем.
Реализация и внедрение результатов работы. Научные результаты внедрены и использованы в ОКБ ГНПП "Контакт" (г. Саратов), в виде рекомендаций по выбору оптимального числа лучей, угла пролета между центрами зазоров выходного двухзазорного бессеточного резонатора, работающего на я-виде колебаний, и параметрами многолучевого электронного потока, которые используются при создании новых типов высокоэффективных многолучевых усилительных клистронов и клистродов с двухзазорными резонаторами в ОКБ ГНПП "Контакт" (г. Саратов) в ходе выполнения НИР "Разработка новых технологий, оборудования и прикладных алгоритмов САПР для создания нового поколения ЭВП СВЧ - многолучевых клистродов для телерадиовещания, связи и СВЧ энергетики". Полученные в работе рекомендации по выбору оптимальной конструкции электронной пушки с матричными автоэмиссионными катодами, предназна-"ченной для формирования многолучевого потока, конструкции и параметров двухзазорных металлокерамических резонаторов, выполненных на основе печатной платы, используются в ОКБ ГНПП "Контакт" при выполнении НИР по теме "Разработка и усовершенствование технологии изготовления многолучевых электронных пушек с матричными автоэмиссионными катодами и создание на этой основе новых типов миниатюрных термо- и радиационностойких СВЧ приборов с резонаторними электродинамическими системами" (Шифр "Углерод").
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения", Саратов, 1996, 1998 гг.; XXII Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио, Москва, 1997; втором рабочем семинаре "Saratov-Penza Chapter", Саратов, 1998 г.; IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог, 1998 г.; на заседаниях кафедры "Электронные приборы и устройства" и ежегодных научно -технических конференциях СГТУ в 1995-1999 гг.
Часть работы выполнялась в рамках госбюджетной НИР по проблеме 05В.03 (СГТУ-192).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из списка принятых условных обозначений, введения, четырех глав, заклгочения,списка использованной литературы и приложения. Ее объем 168 стр., 48 рисунков, 12 таблиц, 67 наименований цитируемых источников, из которых 10 - публикации автора диссертации.
