Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы по способам улучшение комплекса выходных параметров клистронов 12
1.1. Современное состояние многолучевых клистронов 13
1.2 Способы расширения полосы усиливаемых частот 14
1.3 Повышение электронного КПД и выходной мощности клистронов 1.3.1 Несинусоидальный режим модуляции электронного потока 18
1.3.2 Многомодовый режим возбуждения резонаторов в резонаторах для однолучевых клистронов
1.3.2 Многомодовый режим возбуждения резонаторов в резонаторах для многолучевых клистронов 24
1.3.3 Фрактальные резонаторы 26
1.5. Секторные резонаторы 28
1.6 Численные методы и программы трехмерного электромагнитного
моделирования 29
1.6.1 Современные программы трехмерного электромагнитного моделирования 29
1.6.2 Метод конечных элементов 30
1.6.3 Вывод и решение СЛАУ в МКЭ 32
1.7 Выводы 36
ГЛАВА 2. Улучшение комплекса выходных параметров низковольтного многолучевого клистрона ku-диапазона на однозазорных резонаторах 37
2.1 Общие положения 37
2.2 Повышение электронного КПД и выходной мощности низковольтного многолучевого клистрона работающего в Ku-диапазоне частот 39
2.2.1 Базовая конструкция резонансной системы низковольтного многолучевого клистрона 39
2.2.2 Расчет двухчастотного однозазорного многоканального стуенчато-неоднородного резонатора 43
2.2.3 Компьютерное моделирование клистрона низковольтного многолучевого клистрона работающего в Ku-диапазоне частот, с двухчастотными резонаторами в группирователе 51
2.3 Выводы 53
ГЛАВА 3. Улучшение комплекса выходных параметров низковольтного многолучевого клистрона KU-диапазона на двухзазорных резонаторах 55
3.1 Общие положения 55
3.2 Активная двухзвенная фильтровая система
3.2.2 Конструктивные особенности модернизированного прибора 57
3.2.3 Результаты численного 3-D моделирования 58
3.2.4 Результаты экспериментальных исследований 62
3.3. Использование двухзазорных резонаторов в резонансной системе без изменения размеров. 67
3.3.1 Компьютерное моделирование двухзазорных резонаторов 67
3.3.2 Расчет подстройки двухзазорных резонаторов 73
3.3.2 Результаты «холодных» измерений 77
3.4 Расширение полосы усиливаемых частот за счет использования трехзазорного выходного резонатора 82
3.4.1 Трехмерное электромагнитное моделирование выходного трехзазорного резонатора 82
3.5 Выводы 88
ГЛАВА 4. Новый тип секторных многотрубных резонаторов, работающих на двух кратных частотах . 90
4.1 Общие положения 90
4.2 Однозазорные двухчастотные резонаторы 91
4.3 Двухзазорные двухчастотные резонаторы для промышленного нагрева
4.3.1 Конструкции резонаторов 96
4.3.2 Промежуточные резонаторы 96
4.3.3 Выходной полуволновый резонатор
4.4 Выводы 107
4.5 Рекомендации 108
Заключение 110
Список литературы 113
- Многомодовый режим возбуждения резонаторов в резонаторах для однолучевых клистронов
- Повышение электронного КПД и выходной мощности низковольтного многолучевого клистрона работающего в Ku-диапазоне частот
- Результаты численного 3-D моделирования
- Двухзазорные двухчастотные резонаторы для промышленного нагрева
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время низковольтные многолучевые клистроны (МЛК) 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 МЛК с высоким комплексом энергетических и массогабаритных параметров внесли сотрудники предприятия «Исток» (г. Фрязино): А.Н. Королев, А.А. Борисов, К.Г. Симонов, В.И. Пугнин, Э.А. Гельвич, 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, Д.А. Комаров и др.
е, с
Для бортовых передатчиков радиосистем, работающих в Ku-диапазоне требуются миниатюрные многолучевые низковольтные клистроны (ММЛК) 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 Н101.
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 - и 2-видах колебаний, и фильтровых систем. Увеличения выходной мощности и электронного КПД, уменьшения габаритов и массы можно достичь с помощью использования многомодового режима возбуждения. 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 необходимы не только большие компьютерные мощности, высокий уровень квалификации специалистов, сложный комплекс современных программ трехмерного электродинамического моделирования, таких как CST Studio Suit, Ansoft HFSS, Keysight EMPro и пр., но и программы моделирования клистронов, в которых реализован алгоритм оптимизации выходных параметров, таких как DISKLY. Для компьютерного моделирования клистронов также возможно применение программы AJDISK.
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 поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Исследование и компьютерное моделирование резонаторов с многомодовым режимом взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем, работающих на двух кратных частотах (f0 и 2f0) одновременно.
Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование возможности расширения рабочей полосы усиления.
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.
Исследование нового типа многотрубных секторных резонаторов для низковольтных многолучевых клистронов, работающих на двух частотах.
Выработка рекомендаций для практической реализации приборов с улучшенным, по сравнению с аналогами, комплексом выходных параметров.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
-
Определен комплекс геометрических, электронных и электродинамических параметров однозазорных и двухзазорных многотрубных секторных резонаторов для низковольтных многолучевых клистронов, работающих на двух кратных частотах (f0 и 2f0), обеспечивающих эффективное взаимодействие многолучевого электронного потока с сверхвысокочастотным полем на двух видах колебаний одновременно. Дана оценка неоднородности распределения поля в разных пролетных каналах.
-
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.
-
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 это основное взаиодействие ноголучевого электронного потока происходит на синфазном виде колебаний, при углах пролета между центрами зазоров S = 13,41, где у = (jl>/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 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.
упро а их предполо ений, соответствие результатов расчета и ре ений тестовых задач, сравнением с расчетными и экспериментальными данными,
Достоверность результатов подтверждается экспериментальными данными, полученными с применением комплекса взаимодополняющих методов исследования полученных результатов и обеспечивается построением математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ-электроники и законов электродинамики, корректностью
й, соответствием
с расчетными и экспериентальни данни, известными по отечественным и зарубежным публикациям по клистронам, а также соответствием представленных автором экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры, с результатами 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 конференциий.
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, а также низковольтные шестирезонаторные многолучевые клистроны Ku-диапазона частот, использующие в группирователе двухзазорные резонаторы, работающие на -виде, и выходной двухзазорный резонатор, настроенный на 2-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».
2009-2013 годы, соглашение № 14.B37.21.0909 от 07.09.11; в научно-исследовательской работе в рамках проектной части государственного задания в
в
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
в о сфере научной деятельности по заданию № 8.1065.2014/K; 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:
-
Настройка в шестирезонаторном миниатюрном низковольтном многолучевом клистроне, работающем в Ku-диапазоне, третьего и четвертого промежуточных однозазорных резонаторов на две кратные частоты, соответствующие рабочей частоте и ее второй гармонике, позволяет повысить предельный электронный КПД с 21,7 до 58 % и предельную выходную мощность клистрона с 400-500 до 1000-1200 Вт.
-
Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что использование в миниатюрном низковольтном многолучевом клистроне Ku-диапазона трехзвенной фильтровой системы, выполненной на основе связанных выходного и предвыходного активных резонаторов, 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 %.
-
Результаты трехмерного электромагнитного моделирования новых типов секторных многотрубных однозазорных и двухзазорных резонаторов мощных низковольтных многолучевых клистронов, позволяющих осуществить высокоэффективные режимы работы этих приборов на двух кратных 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» (Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2013);
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014» (Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2014);
Международной научно-практической конференции «Working to progress» (Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2014);
на научно-техническом семинаре «Электронные приборы СВЧ и их применение в современных системах радиоэлектроники» (Саратов, АО «НПП «Алмаз», 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 из 66 наименований.
Многомодовый режим возбуждения резонаторов в резонаторах для однолучевых клистронов
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 2f и 3f.
Принципиальные схемы клистронов, содержащих в резонансной системе дополнительные резонаторы второй и третей гармоник, представлены на рисунках 1.5-1.6.
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 f и 3f. 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).
Форма моделирующего напряжения выходного резонатора, работающего на двух кратных частотах, с коэффициентом кратности k = 3. Однако использование дополнительных резонаторов, работающих на высших гармониках, в резонансную систему прибора, негативно сказывается на массогабаритных параметрах.
Многомодовый режим возбуждения 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 (E020), высший синфазный вид колебаний (E010), 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.
Независимая подстройка частот основного и противофазного вида колебаний при введении стержня 1(а) и стержня 2(б). 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.
В работе [33] представлен многолучевой клистрон, выходной двухзазорный резонатор которого настроен на две кратные частоты одновременно ( – противофазный вид, 2 – 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.
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 E010 и высшему E020 видам колебаний [34].
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.
Применение СВЧ-технологий в промышленном нагреве имеет широкие перспективы. Во многом это вязано со стремительным ростом энергозатрат, стоимости энергии и ужесточением требований к охране окружающей среды. При использовании СВЧ-энергии для нагрева отсутствуют продукты сгорания. Кроме того, использование энергии СВЧ позволяет достичь высокой скорости нагрева, при отсутствии возникающих в материале термомеханических напряжений, которые разрушают материал. [38]
Большой интерес для СВЧ-энергетики представляют приборы, работающие одновременно на двух кратных частотах. В соответствии с формулой, глубина проникновения электромагнитной волны зависит от ее частоты, диэлектрической проницаемости и тангенса угла магнитных потерь нагреваемого материала. а = т= X-f-yfsgS
Не сложно заметить, что при работе прибора одновременно на двух кратных частотах, глубина проникновения электромагнитной волны для высшего вида колебаний будет в два раза меньше низшего. Из этого следует, что при бигармоническом режиме возбуждения электромагнитной энергии возможно
Повышение электронного КПД и выходной мощности низковольтного многолучевого клистрона работающего в Ku-диапазоне частот
В матрице Z имеется сквозная нумерация узловых точек. При этом вершины к, /, т и г, р, q совпадают, однако принадлежат разным ячейкам. Поэтому они имеют разные номера. Для потенциалов в этих точках можно записать следующие равенства: Uk = Ur Щ = Up Um = Щ. (1.14) Для того, чтобы уменьшить число переменных, за счет равенств (1.14), необходимо пронумеровать узловые точки. В новой нумерации вершины к, /, т и г, р, q имеют номера а, Ь, с. Тогда можно записать следующее матричное соотношение: Uk 1 0 0
В данной главе представлены способы улучшения комплекса выходных параметров (увеличение электронного КПД и выходной мощности) низковольтного многолучевого многорезонаторного клистрона Ku-диапазона частот.
Для повышения электронного КПД в МЛК применяют режим несинусоидальной скоростной модуляции, реализуемый за счет введения в состав резонаторной системы дополнительных резонаторов, настроенных на частоты, соответствующие второй гармонике конвекционного пучка.
Так как смежные резонаторы первой и второй гармоник в группирователе пространственно разнесены, то для получения оптимальных амплитудных и фазовых характеристик, соответствующих наилучшему приближению к пилообразной форме модулирующего напряжения, требуется большая расстройка резонаторов второй гармоники по частоте, что уменьшает максимальную амплитуду несинусоидального модулирующего сигнала.
Кроме того, введение одного или двух резонаторов второй гармоники приводит к увеличению габаритов и массы прибора. Устранить этот недостаток в МЛК можно путем использования вместо двух резонаторов одного, настроенного на кратные частоты.
Недостаточная изученность физических процессов, протекающих при многомодовом взаимодействии многолучевого электронного потока с СВЧ полем резонаторов, затрудняет создание МЛК с повышенным комплексом электрических и массогабаритных параметров. На основе трехмерного электромагнитного компьютерного моделирования разработан однозазорный ступенчато-неоднородный резонатор, работающий на двух кратных частотах f0 и 2f0, соответствующих основному E010 и высшему E020 видам колебаний. Рассчитаны его электронные и электродинамические параметры.
С помощью программы компьютерного моделирования DISKLY, основанной на дисковой модели клистрона, показано, что использование в группирователе двухчастотных резонаторов позволяет повысить электронный КПД с 21,7% до 58%, и, следовательно, увеличить выходную мощность прибора с 400-500 Вт до 1000-1200 Вт, без изменения габаритов и массы прибора. 2.2 Повышение электронного КПД и выходной мощности низковольтного многолучевого клистрона работающего в Ku-диапазоне частот
В качестве аналога для разработки был выбран шестирезонаторный 19-ти лучевой импульсный пакетированный МЛК, работающий в Ku-диапазоне. Резонаторная система этого прибора, показанная на рисунке 2.1, состоит из шести, электромагнитно не связанных между собой однозазорных призматических резонаторов. Ее размеры занесены в таблицу 2.1. Входной и выходной резонаторы имеют волноводные ввод и вывод энергии, в которых в качестве вакуумно-изолирующего элемента между резонатором и волноводом использовался керамический стержень. Выходная импульсная ВЧ мощность такого прибора составляет 400-500 Вт в полосе 60 МГц, средний КПД -15-20%.
Результаты численного 3-D моделирования
В результате проведенных численных расчетов, выполненных по разработанной 3D-программе численного моделирования резонансных систем «REZON» и одномерной программе оптимизации клистрона, основанной на дисковой модели, предложена и реализована в конструкции МЛК модифицированная конструкция выходной резонансной системы. Она включает в себя связанные выходной и предвыходной активные резонаторы, и дополнительный пассивный резонатор, выполненный в волноводе вывода энергии. Использование фильтровой системы на основе связанных синфазного и противофазного видов колебаний позволяет увеличить полосу в 1,8…2 раза по сравнению с обычной конструкцией выходной резонансной системы, выполненной на однозазорном резонаторе. Максимальная импульсная мощность 1,4 кВт была получена в ходе эксперимента при токе катода 0,8А и ускоряющем напряжении. 3,4 кВ. При этом электронный КПД составил 43%.
Расширение полосы усиливаемых частот можно достигнуть путем увеличения отношения эффективного характеристического сопротивления выходного резонатора М2 к сопротивлению электронного потока по постоянному току R0=U0/I0. Для этого, на основе базовой конструкции МЛК, представленной во второй главе, была разработана резонансная система, использующая в группирователе двухзазорные резонаторы, работающие на виде колебаний, и двухзазорный выходной резонатор, использующий 2 вид колебаний, без изменения размеров резонансной системы. Общий вид резонансной системы показан на рисунке 8. Ее размеры занесены в таблицу 3.2. Конструкция входного резонатора представлена на рисунке 3.10, ее размеры занесены в таблицу 3.3.
На рисунке 3.13 представлены зависимости коэффициента взаимодействия электронного потока с ВЧ полем M и активной проводимости Ge/G0 от ускоряющего напряжения U0 для входного, промежуточного и выходного резонаторов. Как видно из графиков, у резонаторов достигаются высокие значения коэффициента взаимодействия, а активная проводимость резонаторов находится в положительной области, что говорит о том, что резонаторы не будут самовозбуждаться.
Результаты расчета электронных и электродинамических параметров входного, промежуточного и выходного двухзазорных резонаторов, при ускоряющем напряжении U0 = 3 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала b/a = 0,8, представлены в таблице 3.4. Видно, что применение двухзазорных резонаторов позволило увеличить величину характеристического сопротивления до 43% относительно базовой конструкции. Рис. 3.13. Зависимости коэффициента взаимодействия электронного потока с ВЧ полем M и активной проводимости Ge/G0 от ускоряющего напряжения U0 для входного, промежуточного и выходного резонаторов.
На рисунках 3.14 и 3.15 представлены зависимости высокочастотного электрического поля в различных пролетных каналах входного и выходного двухзазорных резонаторах. Как видно из графиков, во втором зазоре входного резонатора наблюдается снижение интенсивности поля примерно на 30%. В выходном резонаторе имеется небольшое снижение интенсивности электрического поля, примерно на 10%, в области пролетного канала №2. Рис. 3.14. Зависимость нормированной продольной компоненты электрического поля в четырех пролетных каналах вдоль оси пространства взаимодействия (вдоль оси ) входного резонатора на противофазном виде колебаний.
В двухзазорных резонаторах многолучевых клистронах присутствуют паразитные резонансные частоты, в следствие чего возникает необходимость независимой подстройки резонансных частот различных видов колебаний. Так же возникает потребность подстройки рабочего вида колебаний без изменения длин зазоров и труб дрейфа.
Для подстройки частот во входном двухзазорном резонаторе, работающем на виде колебаний, используются подстроечный паз длиной x/ и ребро длиной y/. При этом в промежуточных рехонаторах можно использовать два подстроечных ребра, однако в данном случае проводился расчет подстройки входного резонатора, с одним подстроечным ребром.
Зависимости Qn0, Qc p входного двухзазорного резонатора от длины подстроечного пазах/Л. На рисунке 3.16 показана зависимость отношения рабочего противофазного и паразитного синфазного видов колебаний входного двухзазорного резонатора к резонансной частоте прибора от длины подстроечного паза Fn f0(x/k), Fc fo(x/k).
Также зависимости изменения характеристического сопротивления и собственной добротности резонатора на рабочем и паразитном видах колебаний от длины подстроечного паза х/к. Результаты расчета представлены на рисунках 3.17-3.18.
На рисунке 3.19 показана зависимость отношения рабочего противофазного и паразитного синфазного видов колебаний входного двухзазорного резонатора к резонансной частоте прибора от длины подстроечного ребра Fn0/fo(y/k), FcMy/X).
Исследованы зависимости изменения характеристического сопротивления и собственной добротности резонатора на рабочем и паразитном видах колебаний от длины подстроечного ребра у/к. Результаты расчета представлены на рисунках 3.20-3.21.
Зависимости Qn0, QC0 входного двухзазорного резонатора от длины подстроечного ребра у. Как видно из рисунков 3.16-3.21 наиболее сильно на частоту рабочего противофазного () вида колебаний влияет длина подстроечного паза х/Х. При его изменении, в допустимых конструкцией резонатора пределе, частота ПФ вида колебаний изменяется примерно на 30%, при этом чем больше длина подстроечного паза х/Х, тем ниже частота рабочего вида колебаний. Частота СФ вида (2) колебаний при изменении длины подстроечного паза х/Х практически не изменяется (снижается на 4%). Характер изменения характеристического сопротивления р и собственной добротности резонатора Q от длины подстроечного паза х/Х показал, что с увеличением длины паза возрастает и характеристическое сопротивление рабочего вида колебаний рПФ с 37 до 45 Ом, собственная добротность Qn0 при этом падает с 730 до 600.
Изменение длины подстроечного ребра у/Х позволяет повысить частоту рабочего противофазного () вида колебаний на 10%, при этом частота паразитного синфазного вида (2) незначительно повышается на 2%. Характеристическое сопротивление на рабочем виде колебаний при максимальном введении подстроечного ребра у/Х падает на 3 Ома, при этом характеристическое сопротивление на паразитном синфазном виде колебаний падает на 2,5 Ома. Собственная добротность резонатора на синфазном виде колебаний практически не изменяется, а на противофазном виде возрастает с 685 до 725.
Двухзазорные двухчастотные резонаторы для промышленного нагрева
В качестве СВЧ генератора предлагается использовать многолучевой клистрон, в котором используются секторные резонаторы, работающие одновременно на низшем противофазном (2450 МГц) и высшем синфазном (4900 МГц) видах колебаний. Данные частоты разрешены для использования в СВЧ энергетике. Достоинствами многолучевых клистронов, по сравнению с магнетронами, являются в 2-3 раза более высокая долговечность, большая выходная мощность, которая увеличивается с ростом числа лучей пропорционально ускоряющему напряжению в степени «пять вторых». В настоящей работе исследуется конструкция многолучевого трехсекторного клистрона со сверхбольшим числом лучей (N=54). Следует отметить, что число лучей в многолучевых клистронах обычно не превышает 19. Одним из основных элементов такого прибора является резонаторная система, работающая одновременно на двух рабочих модах колебаний. [65-66] Однако, в связи со сложностью протекающих в таких системах физических процессов и большого количества влияющих факторов, такие устройства мало изучены.
Резонаторы имеют три сектора с тремя полуволновыми, или четвертьволновыми резонансными элементами, каждый из которых содержит пролетную трубу и опорные проводники, закрепленные на радиальных перемычках. В каждой пролетной трубе выполнено по 18 пролетных каналов. Щели, которые выполнены в перемычках, обеспечивают электромагнитную связь между резонансными элементами выходного резонатора. Увеличение числа каналов по сравнению с известными аналогами позволяет снизить ускоряющее напряжение, увеличить выходную мощность.
Результаты расчета электронных параметров (М-коэффициент эффективности взаимодействия и Ge/G0- относительная активная электронная проводимость) и электродинамических параметров (Q0 –собственная добротность и – характеристическое сопротивление) при ускоряющем напряжении U0 = 14 кВ и коэффициенте заполнения пролетного канала b/a = 0.7 приведены в таблице 4.4 для противофазного (1) и синфазного видов (2) колебаний. Таблица 4.4 Результаты расчета электронных и электродинамических параметров.
В качестве критерия для сравнения двух конструкций в таблице служит показатель качества, определяемый через отношение коэффициенту усиления каскада клистрона Ку к нормированному объему резонатора. Этот показатель рассчитан по следующей формуле: где рм - микропервеанс одного луча (мкА/В3/2); N - количество пролетных каналов в резонаторе; V/Л3 - нормированный на длину волны объем резонатора; С0 =0.181- постоянный коэффициент, рассчитанный из условия Ккач=1 для четвертьволнового секторного резонатора на основном виде колебаний. Полученные данные свидетельствуют, что наиболее эффективной по комплексу электронных, электродинамических и массогабаритных параметров на основной частоте противофазного вида колебаний является четвертьволновая конструкция. Показатели эффективности сравниваемых конструкций на высшем виде колебаний практически одинаковы. Для полной оценки необходимо сравнить характер распределения продольной компоненты ВЧ-электрического поля в радиальном направлении.
На рисунке 4.10 представлены графики нормированной амплитуды продольной компоненты ВЧ-электрического поля в сечении А-А. Рис. 4.10. Графики распределения по радиусу нормированной амплитуды продольной компоненты ВЧ-электрического поля в сечении А-А для четвертьволнового и полуволнового резонаторов
Следует отметить, что на противофазном виде колебаний наиболее сильная неоднородность поля на краях пролетных труб (около 30%) наблюдается для четвертьволнового резонатора, в то время как для полуволнового резонатора она составляет 21,4%. Полученные рекомендации следует учитывать при проектировании СВЧ-приборов клистронного типа с секторными двухзазорными резонаторами, использующими бимодовый режим взаимодействия электронов с СВЧ полем на кратных, резонансных частотах, соответствующих основной частоте противофазного вида колебаний и удвоенной частоте синфазного вида.
На рисунках 4.11 и 4.12 представлены зависимости коэффициента взаимодействия М и относительной активной проводимости Ge/G0 от ускоряющего напряжения U0 для двух конструкций резонаторов. Как видно из графиков, при ускоряющем напряжении U0 = 14 кВ резонаторы обладают высоким коэффициентом взаимодействия М на двух видах колебаний, и положительную относительную активную проводимость, что исключает возможность самовозбуждения резонаторов.
Исследуемая конструкция выходного секторного двухзазорного резонатора многолучевого клистрона, изображенная на рисунке 4.13, представляет собой деформированный и вписанный в форму сектора полуволновый резонансный отрезок полосковой линии, нагруженный на емкость двойного зазора. Число пролетных каналов данной структуры может варьироваться в зависимости от количества секторов. Один сектор содержит одну пролетную трубу с 18 пролетными каналами. Исследуемый резонатор имеет три сектора, и 54 пролетных канала соответственно. Увеличение числа труб дрейфа способствует повышению выходной мощности прибора и снижению ускоряющего напряжения, что делает прибор низковольтным.
Резонатор может работать в качестве двухмодовой колебательной системы с кратными частотами. За счет этого реализуется режим несинусоидальной скоростной модуляции без введения в резонансную систему прибора дополнительных резонаторов второй гармоники. Это позволяет улучшить массогабаритные параметры прибора и повысить КПД прибора на 10-15 %. Вывод рассчитан на выходную мощность 100 кВт, и согласованную нагрузку 50 Ом. Основные геометрические размеры резонатора представлены в таблице 4.5.