Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 14
1.1 Роль и место систем связанных пассивных резонаторов в электровакуумных приборах СВЧ 16
1.2 Анализ методов моделирования электродинамических устройств мощных ЭВП СВЧ с системой связанных резонаторов 20
1.3 Постановка задачи исследования 24
Выводы 1 главы 26
Глава 2. Математическое моделирование предельных амплитудно частотных характеристик выходных электродинамических устройств клистронов 27
2.1 Предельные амплитудо-частотные характеристики выходных резонаторов клистронов в отсутствии паразитных видов колебаний. 27
2.2. Предельные амплитудо-частотные характеристики выходных резонаторов клистронов при наличии паразитных видов колебаний . 36
2.3 Исследование предельных амплитудно-частотных характеристик в условиях неравномерности импеданса взаимодействия в многолучевых системах 47
Выводы 2 главы 52
Глава 3 Комплекс моделирующих программ проектирования и расчета резонансных систем мощных ЭВП СВЧ 54
3.1 Методика расчета характеристик резонаторных
электродинамических систем методом конечных элементов 54
3.1.1. Методика проектирования одиночных резонаторов. 55
3.1.2 Моделирование резонаторов сложной формы
3.1.3 Расчёт характеристического (волнового) сопротивления резонатора. 64
3.1.4 Моделирование импеданса взаимодействия 66
3.2 Комплекс проблемно-ориентированных программ проектирования и расчета резонансных систем мощных ЭВП СВЧ 69
3.2.1 Структура комплекса проблемно-ориентированных программ 70
3.2.2 Порядок проведения моделирования 73
3.3 Методика моделирование выходных электродинамических устройств на комплексе проблемно-ориентированных программ 74
3.3.1 Моделирование выходных электродинамических устройств в трехмерном пакете программ HFSS 74
3.3.2 Улучшение полосовых характеристик фильтровой системы за счет конструктивных элементов. 81
3.4 Улучшение выходных характеристик мощных электровакуумных приборов СВЧ на основе предложенных технических решений 93
3.4.1 Подавление паразитной автогенерации в многолучевом клистроне «КИУ-116А» 93
3.4.2 Согласование ЛБВ с ЗС типа цепочки связанных резонаторов 101
Выводы 3 главы 114
Заключение 115
Список литературы 118
- Постановка задачи исследования
- Предельные амплитудо-частотные характеристики выходных резонаторов клистронов при наличии паразитных видов колебаний
- Моделирование резонаторов сложной формы
- Моделирование выходных электродинамических устройств в трехмерном пакете программ HFSS
Введение к работе
Актуальность работы в прикладном аспекте определяется тем, что новые требования к средствам радиолокации требуют разработки как новых типов высокоэффективных приборов СВЧ в целом, так и отдельных его узлов.
Цель работы: математическое моделирование электродинамических характеристик устройств мощных ЭВП СВЧ с системой связанных резонаторов на основе применения разработанных аналитических, численных методов и комплексов программ на их основе, исследование влияния пассивных звеньев, паразитных видов колебаний и неравномерности в многолучевых системах на параметры выходных электродинамических систем клистронов.
Для решения задачи исследования были решены следующие частные задачи:
1. Разработка новых методов моделирования фильтровых систем с целью
исследование импеданса взаимодействия с комплексным использованием
аналитических методов и вычислительного эксперимента.
-
Разработка комплекса предметно-ориентированных программ для моделирования выходных электродинамических устройств мощных ЭВП СВЧ с системой связанных резонаторов.
-
Разработка метода и модели использования внешних пассивных резонансных устройств в качестве согласующих элементов замедляющей системы типа цепочки связанных резонаторов.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Предложенный приближенный аналитический метод моделирования
импеданса взаимодействия выходных фильтровых систем клистронов
связывает максимальную величину реальной части импеданса взаимодействия
с числом звеньев выходной фильтровой системы.
2. Предложенный аналитический метод моделирования импеданса
взаимодействия выходных фильтровых систем клистронов обобщает теорему
Боде и учитывает влияние паразитных видов колебаний.
3. Разработан метод усреднения импеданса взаимодействия в зазорах
выходных резонаторах многолучевых клистронов, основанный на вычислении
координат центра тяжести плоской фигуры, образованной реальной частью
импеданса взаимодействия, полученной с помощью численного
моделирования.
4. На основе разработанного комплекса моделирующих программ
проектирования и расчета электродинамических систем мощных ЭВП СВЧ,
предложены следующие научно-обоснованные технические решения:
внесены изменения в конструкцию выходной фильтровой системы, такие как геометрия выходного резонатора и настроечные элементы, позволившие исключить паразитное самовозбуждение для изделия «КИУ-116А», серийно выпускаемого на АО «НПП «Торий»;
изменение конструкции выходного кольцевого резонатора, связанное с изменением ВЧ зазоров и заменой центральной цилиндрической втулки на эллиптическую, обеспечивает увеличение КПД мощного широкополосного многолучевого клистрона «КИУ-226».
новый тип согласующих устройств мощных ЛБВ на ЦСР на базе пассивных резонаторов, являющихся крупноструктурными элементами конструкции.
Результаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»:
«Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений»
«Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде
комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения
вычислительного эксперимента»
«Комплексное исследование научных и технических проблем с
применением современной технологии математического моделирования и
вычислительного эксперимента»
«Разработка систем компьютерного и имитационного моделирования».
Достоверность полученных результатов подтверждена использованием теоретически обоснованных методов исследования и соответствием всех теоретических положений прямым численным и натурным экспериментам.
Практическая значимость
Практическая значимость заключается в разработке новых технических решений, улучшающих выходные характеристики многолучевых клистронных усилителей и ЛБВ с ЗС на ЦСР.
Внедрены технические решения, обеспечившие исключение паразитного самовозбуждения для изделия «КИУ-116А», серийно выпускаемого в АО «НПП «Торий».
Внедрены технические решения, обеспечившие увеличение КПД мощного широкополосного многолучевого клистронного усилителя «КИУ-226».
Результаты работы внедрены на АО «НПП «Торий» и ОАО «ИТМиВТ» о чем имеется акты внедрения, и могут быть использованы на предприятиях радиоэлектронного профиля и в вузах. Кроме того, результаты работы могут найти применение в специальных системах связи и радиолокации, различных информационных и телекоммуникационных системах, в телевизионных передатчиках.
В диссертационную работу вошел цикл теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в период с 2010 г. по настоящее время в рамках НИОКР «Август-1М» модернизации изделия КИУ-226 (постановление Правительства РФ от 07.07.1999г. № 760-45) и планов поставки изделия КИУ-116.
Проведенные исследования позволили теоретически обосновать и практически реализовать основные положения и результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
1. Предложенный приближенный аналитический метод моделирования
импеданса взаимодействия выходных фильтровых систем клистронов связывает
максимальную величину реальной части импеданса взаимодействия с числом
звеньев выходной фильтровой системы.
2. Предложенный аналитический метод моделирования импеданса
взаимодействия выходных фильтровых систем клистронов обобщает теорему
Боде и учитывает влияние паразитных видов колебаний.
3. Разработан метод усреднения импеданса взаимодействия в зазорах
выходных резонаторах многолучевых клистронов, основанный на вычислении
координат центра тяжести плоской фигуры, образованной реальной частью импеданса взаимодействия, полученной с помощью численного моделирования.
4. На основе разработанного комплекса моделирующих программ проектирования и расчета электродинамических систем мощных ЭВП СВЧ предложены следующие научно-обоснованные технические решения:
- внесены изменения в конструкцию выходной фильтровой системы, такие
как геометрия выходного резонатора и настроечные элементы, позволившие
исключить паразитное самовозбуждение для изделия «КИУ-116А», серийно
выпускаемого на АО «НПП «Торий»;
- изменение конструкции выходного кольцевого резонатора, связанное с
изменением ВЧ зазоров и заменой центральной цилиндрической втулки на
эллиптическую, обеспечивает увеличение КПД мощного широкополосного
многолучевого клистрона «КИУ-226».
- новый тип согласующих устройств мощных ЛБВ на ЦСР на базе
пассивных резонаторов, являющихся крупноструктурными элементами
конструкции.
Апробация результатов
Работа выполнена в соответствии с планами работ АО «НПП «Торий» в
период 2010-2016 г.г. Результаты работы докладывались и обсуждались на
международной конференции IVEC (США, 2014, 2016 гг.), международной
научно-технической конференции INTERMATIC (Москва, 3 – 7 декабря 2012),
ХVII Координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике (Нижний
Новгород, 2011), 15-ой международной зимней школе-семинаре по СВЧ
электронике и радиофизике (Саратов, 6–11 февраля 2012), Х Всероссийском
семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики» (Москва, 2011), XV международной научно-технической конференции и российской научной школе молодых учёных и специалистов «Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах «Инноватика – 2011» (Москва – Сочи, 2 - 12 октября 2011), X Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», тезисы докладов «Орион», г. Москва, 24-26 мая 2011 года, XXII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (26 сентябрь – 4 октября 2015, Крым, Феодосия), Конференции молодых специалистов (г. Фрязино ФГУП «НПП «Исток» апрель 2013), Всероссийской научной конференции «Проблемы СВЧ Электроники» (Москва, МИЭМ, 24-25 октября 2013), Конференци молодых специалистов ГСКБ «Алмаз-Антей» (сентябрь 2013) и научных семинарах ФГУП «НПП «ТОРИЙ», кафедры электронных приборов ГОУ «МИРЭА», АПЭП (Саратов, 25-26 сентября 2014г). Диссертационная работа выполнялась в АО «НПП «Торий».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 5 патентов на изобретения и полезные модели.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в формулировке целей и постановке задач исследований. На основе теоретических моделей, предложенных доктором технических наук Д.А. Комаровым, автором разработаны методы моделирования выходных электродинамических устройств ЭВП СВЧ с системой связанных резонаторов. Натурные и вычислительные эксперименты, представленные в диссертации, проведены автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Ее объем 131 страницы, включая 58 рисунков, 11 таблицу, 93 наименования цитируемых источников.
Постановка задачи исследования
Вопросу анализа фильтровых систем посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов [17, 24-27]. Основная совокупность проблем моделирования фильтровых систем клистронов сводится к решению двух взаимосвязанных задач: повышение уровня выходной мощности и увеличение области рабочих частот. Вопрос повышения выходной мощности, или, с точки зрения физического механизма взаимодействия, повышения электронного КПД, отдан на откуп современным трехмерным пакетам прикладных программ, позволяющим проводить оптимизацию параметров приборов в одной частотной точке в самой общей постановке, с учетом всех возможных особенностей пространства взаимодействия и фокусирующих систем. Что же касается оптимизации характеристик в заданной полосе частот, то этот вопрос, при современном уровне вычислительной техники, принципиально не может быть решен только с помощью численной оптимизации. К моменту постановки диссертационной работы были разработаны методы проектирования фильтровых систем с использованием методов электродинамических расчетов и эквивалентных схем. Эти методы нашли широкое применение при создании техники СВЧ, однако для каждого класса приборов требовалась разработка специального методического аппарата, организации расчетов. В частности, для мощных вакуумных СВЧ приборов, типа ЛБВ и клистронов, эти методы сводились к набору неформальных рекомендаций. Появление и широкое использование моделирующих комплексов позволяет разрабатывать методы проектирования, опирающихся на сочетание теоретического анализа и трехмерных расчетов. Вопросами математического моделирования выходных фильтровых систем занимались А. Э. Хайковым, С.С. Зыриным, В.И. Пасмаником, О.В. Геращенко, А.Д. Григорьевым, Н.М. Рыскиным [17, 21, 24, 25] и другие.
В рамках наиболее перспективных для исследований и разработок в рамках «СВЧ технологии» выделены исследования по созданию алгоритмов, моделей и программного обеспечения для решения 2х- и 3х-мерных электродинамических задач и моделирования электровакуумных приборов СВЧ (клистронов и ламп бегущей волны), ориентированных на использование кластерных вычислительных систем.
Область автоматизированного проектирования СВЧ - устройств динамично развивается. Об этом свидетельствуют большое число публикаций в зарубежной и отечественной литературе, организация конференций и семинаров, полностью или частично отражающих эту тематику [28], выступления на них ведущих специалистов в области СВЧ, опубликование обзоров [2,3], специальных выпусков и книг.
Работы могут быть разделены на исследования, направленные на математическое описание процессов, протекающих в СВЧ приборах и на способы численного моделирования с использованием соответствующих пакетов программ.
Способы численного моделирования реализованы в виде пакетов программ. За рубежом разработкой систем и программ по расчету и проектированию СВЧ-устройств занималось много фирм, результаты опубликованы в статьях, обзорах и рекламах журналов Microwaves, Microwave Journal, выпусках МТТ, CAD Transaction IEEE и др. К настоящему времени наибольший вклад внесли фирмы HP-EEsof., Compact Software (Ansoft Inc.), Applied Wave Research в США и CADENCE Design System в Европе. Под управлением интерфейса Academy работают программы моделирования Touchstone, Libra, Omni Sys и Microwave Spice фирм EEsof. В состав комплекса также включены усовершенствованные версии программы EMSin моделирования электромагнитных свойств СВЧ-узлов и вспомогательные программы E-Syn и Line Calc. Линейные СВЧ-системы анализируются методом, используемым в системах Spice (уравнения Кирхгофа), нелинейные - методом гармонического баланса. При анализе волноводных узлов, в том числе трехмерных, использован метод конечных элементов. Кроме специализированных САПР используются универсальные вычислительные пакеты программ типа MATLAB R2010 с расширениями этой системы Simulink и специальными пакетами расширения типа RF Toolbox и RF Blockset, которые применяются в СВЧ технике.
Особенностью значительной части математических моделей СВЧ является то, что в них не удается найти точное аналитическое решение. Поэтому для моделирования приборов СВЧ широко используются численные модели, реализованные в виде программ для ЭВМ.
Можно рассмотреть следующие типы моделирующих программ: - уникальные программы для конкретных приборов СВЧ; - универсальные моделирующие программы автоматизации проектирования и анализа СВЧ приборов; - комплексные моделирующие системы. В ходе проектирования и анализа приборов можно создать уникальные программы, учитывающие все наиболее существенные характеристики. Эти программы будут давать возможность наиболее детальных исследований, однако они обладают рядом недостатков: Во-первых, большая трудоемкость написания моделирующей программы на языке программирования. Во вторых отсутствие универсальности – создавая модель фильтровой системы для одного прибора в виде программы для ЭВМ, не всегда закладывается возможность настройки для других приборов.
Предельные амплитудо-частотные характеристики выходных резонаторов клистронов при наличии паразитных видов колебаний
Предположим, что при разработке клистрона был выбран выходной двухзазорный резонатор с оценочной величиной импеданса взаимодействия 2000 Ом. Решение разработчика использовать один пассивный резонатор приведет к тому, что реальное значение импеданса взаимодействия составит не более 1500 Ом. В этом смысле, использование однозазорного резонатора, но двух пассивных фильтровых звеньев, по максимальному значению импеданса даст, практически, тоже значение импеданса, но существенно облегчит технологию изготовления прибора, особенно в коротковолновой области.
Данные выводы хорошо иллюстрируются графиком рис.2.2, полученным по предельному соотношению (2.9).
Для проверки основного положения развитой теории было проведено трехмерное численное моделирование фильтровой характеристики выходного резонатора клистрона миллиметрового диапазона длин волн при различном числе пассивных звеньев. В соответствии с развитой терией использование выходного резонатора не связанного с фильтровой системой, должно приводить к существенному уменьшению импеданса взаимодействия. Был рассмотрен вариант выходного контура мощного клистрона КУ-329 без фильтра (исходная конструкция прибора) и с одним пассивным звеном в выходном тракте. Результаты расчетов (рис. 2.3) позволили утверждать, что рост реальной части импеданса взаимодействия в данном случае составил 2.1 раза. Соответствующие расчеты электроники прибора в нелинейном самосогласованном приближении по известной программе KLYS 4.51 [34] дали увеличение КПД в 1.2 раза. Данный вывод может быть интересен для разработки узкополосных клистронов, например приборов использующихся в качестве источников питания ускорителей.
Вывод. Предложенный приближенный аналитический метод моделирования импеданса взаимодействия выходных фильтровых систем клистронов, связывает максимальную величину реальной части импеданса взаимодействия с числом звеньев выходной фильтровой системы.
Предельные амплитудо-частотные характеристики выходных резонаторов клистронов при наличии паразитных видов колебаний. Результаты, полученные в параграфе 2.1, являлись, по сути, следствием строгого выполнения теоремы Боде, т.е. инвариантности площади под кривой реальной части некоторого комплексного импеданса, как функции частоты. Однако, данная теорема имеет необходимое условие выполнимости строгого равенства: комплексная рациональная функция импеданса 1-Р цепи (двухполюсника) минимально-фазовая, т.е не может иметь полюсов на мнимой оси, в нуле и бесконечности. Математическое требование имеет очевидный физический смысл отсутствия резонансов с бесконечно большой добротностью. Даже для электрических цепей это требование слабо выполнимо. Для электродинамических систем, т.е. резонаторов сложной конструкции, всегда возможно существование паразитных видов колебаний, связь которых с выходным трактом столь мала, что фактическая добротность вполне может быть отождествлена с бесконечностью. При этом наличие полюса в нуле и
Высокая достоверность результатов расчетов, получаемых с помощью этой программы, подтверждена многолетней практикой ее использования в разработках, осуществляемых АО «НПП «Торий». бесконечности для электродинамической системы не осуществимо в принципе. В этом случае, следуя [22], равенство необходимо преобразовать в неравенство:
Соотношение (2.1) в такой трактовке определяет точную верхнюю грань максимального значения реальной части импеданса взаимодействия. Но для проектирования выходных резонаторов клистрона этого определения явно недостаточно по следующим причинам: безусловно, при проектировании резонатора, разработчик старается сместить паразитный вид колебаний за рабочую полосу усиления прибора - остается ли ограничение (2.1) при смещении частоты паразитного резонанса? Вопрос в общем виде может быть сформулирован следующим образом: как зависит ограничение импеданса взаимодействия от частоты паразитного вида колебаний? Кроме того, велики ли потери максимальной амплитуды реальной части импеданса взаимодействия при наличии паразитного резонанса? Однако все эти вопросы могут иметь ответ только в том случае, если такое ограничение существует в реальности. Указания в литературе [22,26,35] на знак в неравенстве Боде носят лишь описательный характер, и строгих формулировок нет. Боде привел вид схемы, для которой не выполняется условие строгого равенства, однако не дал теории этого ограничения.
В связи с этим, целью данного параграфа является формулировка точных условий ограничения максимального значения амплитуды реальной части импеданса взаимодействия при наличии паразитного вида колебаний с бесконечно большим значением добротности, т.е. в условии существования полюса импеданса взаимодействия на мнимой оси.
Рассмотрим функцию комплексного переменного, реализующую импеданс взаимодействия выходного резонатора Z(s). Пусть данная функция имеет полюс на мнимой оси плоскости комплексного переменного. Из условий физической импеданса 1-Р цепи следует, что вычет в полюсе на мнимой оси принимает только положительные вещественные значения, а сам полюс составляет комплексно сопряженную пару. Используем прием теории синтеза цепей, который заключается в последовательном выделении полюсов функции Z(s). [25, 43, 44]
Моделирование резонаторов сложной формы
Одной из характерных особенностей выходной фильтровой системы мощных многолучевых клистронов является неравномерность импеданса взаимодействия в разных пролетных каналах. Идеальную равноволновую характеристику удается получить только в одном канале активного резонатора, в то время как в остальных каналах импеданс взаимодействия претерпевает существенные искажения, обусловленные наличием связи активного резонатора с фильтровой системой. Очевидно, что подобные искажения приводят к снижению электронного КПД прибора. Однако вопрос об уменьшении КПД остается открытым вплоть до экспериментального исследования прибора, поскольку отсутствуют критерии, позволяющие дать количественную величину усредненного значения импеданса взаимодействия. В данном параграфе разработан и предложен количественный критерий. Проведенные комплексные исследования на основе численного моделирования показали возможность выравнивания импеданса взаимодействия фильтровой системы.
Представленный метод усреднения импеданса взаимодействия в многолучевых системах, основан на вычислении координаты центра тяжести плоской криволинейной трапеции, образованной осью частот, границей диапазона рабочих частот и функцией реальной части импеданса взаимодействия, которая получена с помощью численного моделирования.
Рассмотрим фильтровую систему многолучевого клистрона, состоящую из активного резонатора, пронизываемого электронным потоком и связанного с пассивными резонаторами посредством щелей связи. Пусть фильтровая характеристика, настроенная по одному из пролетных каналов (тестовый канал) имеет вид равноволновой кривой. Тогда, под действием возмущений от щелей связи, в остальных каналах системы будут наблюдаться существенные отклонения от тестового канала. Введем, аналогично [32.], в рассмотрение криволинейную трапецию, образованную осью частот и функцией реальной части импеданса взаимодействия от частоты. Координата центра тяжести [55], данной криволинейной трапеции по вертикальной оси будет иметь вид: R —-?Re(z(/))2#, 2-S { где S - площадь криволинейной трапеции, Re(Z(f)) - реальная часть импеданса взаимодействия соответственно. В качестве метода усреднения возможно оперировать как понятием среднего импеданса взаимодействия, так и понятием среднего значения волнового сопротивления. В первом случае наиболее оправдано производить усреднение сопротивления центра тяжести фигуры. Действительно, искажения, вносимые фильтровой системой, носят хоть и системный характер, однако характеризовать произвольные искажения функции путем усреднения графиков не имеет физического смысла. Координата центра тяжести, как интегральная характеристика системы, содержит в себе всю информацию об искажении и позволяет сопоставить каждой кривой единственное числовое значение, т.е. является некоторым обобщенным функционалом системы.
Центр тяжести равноволновой кривой передачи при произвольном числе звеньев фильтра удовлетворяет условию: ЛА, =i-Re(Z(/))m, где Re(Z(/))max - максимальное значение реальной части импеданса взаимодействия. Таким образом, усреднение по всем каналам многолучевой системы позволяет получить выражение для максимального среднего импеданса взаимодействия в системе: Re(Z(/))max = — — J Re(z(/)) # Соотношение реализуется численно при известной зависимости реальной части импеданса взаимодействия от частоты, которая, в свою очередь, может быть получена с помощью пакетов прикладных программ.
В практике разработки клистронов большее значение имеет не импеданс взаимодействия, а волновое сопротивление активного резонатора. Этот важный параметр получается экспериментально на системе без пассивных резонаторов или расчетно путем численного моделирования. Безусловно, он не является показателем качества фильтра, однако дает возможность получить усредненное значение волнового сопротивления и для фильтровой системы. На основе теоремы Боде [22] любая, сколь угодно сложная двухполюсная электрическая цепь с одним источником питания и шунтирующей емкостью, имеет предел площади кривой реальной части входного импеданса. Связывая шунтирующую емкость с емкостью зазора взаимодействия, и переходя от первичных параметров эквивалентной цепи ко вторичным, для волнового сопротивления зазора можно получить соотношение: где р - волновое сопротивление и f - парциальная частота активного резонатора соответственно. Как показано в [32] значение парциальной частоты соответствует координате центра тяжести на оси частот и имеет вид: Это соотношение позволяет вычислить волновое сопротивление каждого канала с учетом любого искажения фильтровой характеристики и провести усреднение.
Данный метод позволил провести комплексное исследование многолучевой фильтровой системы КИУ-226 и предложить технические решения, обеспечивающие выравнивания фильтровой характеристики.
За счет этих технических решений в области, отдаленной от щелей связи, значение импеданса взаимодействия существенно возросло и искажения фильтровой характеристики (рис. 2.9) уменьшились, при этом усредненный импеданс по каналам увеличился с 238 до 255 Ом. Проведенный натурный эксперимент подтвердил адекватность данной модели. По результатам работы получен акт внедрения.
Моделирование выходных электродинамических устройств в трехмерном пакете программ HFSS
Метод моделирование выходных электродинамических устройств мощных ЭВП СВЧ с системой связанных резонаторов на КПОП заключается в следующем [75, 82,83]: 1. Проводится предварительный расчет электродинамических устройств на аналитических программах типа Cavity Chain, PKP и MathCad. 2. Полученные параметры используются как исходные данные и ограничения для трехмерного моделирования в программе HFSS. 3. Если вычислительная сложность трехмерного моделирования становится большой (например для многолучевых систем, устройств миллиметрового диапазона и ЛБВ на ЦСР) то вычисление передается на удаленный ВК функциональных задач. 4. Полученные результаты портируются в виде табличных данных и обрабатываются на ВК управления в пакете Excel. Все этапы вычислительного эксперимента проводятся итерационно с последовательным уточнением результатов, что позволяет использовать созданные ранее модели и их законченные компоненты для очередных шагов исследований с учетом накопления знаний [79, 80] как об исследуемом объекте, так и об особенностях вычислительной среды для проведения вычислительного эксперимента [76, 83]. При постановке и выборе методов решения подобных задач, важно знать полную группу ошибок, возникающих при оценке показателей эффективности реальных систем с помощью математических моделей. По характеру рассматриваемые ошибки чаще всего представляют собой сумму случайных и методических составляющих [61,74].
Калибровка аналитических программ, и трехмерного моделирования элетродинамически систем производилась натурным экспериментом на испытаниях реальных приборов ЭВП СВЧ. Опираясь на результаты, представленные в разделе 2, рассматривались трехзвенные фильтровые системы последовательность пассивных связанных резонаторов реализующих, совместно с активным контуром (выходным резонатором клистрона) определенный закон изменения импеданса взаимодействия. В разделе представлен метод моделирования фильтровой системы, основанный на использовании КПОП и разбиении общей задачи на ряд частных подзадач.
Основные трудности моделирования фильтровой системы связаны с наличием большого числа степеней свободы, обусловленных существенным числом элементов, от которых зависит настройка фильтровой системы. При большом числе степеней свободы, в силу ограничений вычислительных ресурсов, фактически исключена возможность оптимизации фильтровой характеристики по функции цели, и даже параметрическая оптимизация. В качестве примера методики моделирования выходных электродинамических устройств на аппаратно-программном комплексе, рассмотрим выходную фильтровую система изделия КИУ-226, представленная в главе 2. Изделие «КИУ-226» - это мощный электровакуумный клистронный усилитель с 30-тью пролетными каналами: 12 каналов на внутреннем радиусе и 18 на внешнем. Активный резонатор соединен двумя симметричными щелями связи с первым пассивным охватывающим резонатором. Первый пассивный резонатор, в свою очередь, соединен со вторым пассивным звеном, представляющим из себя резонансный контур, реализованный в виде волновода. Изделие является серийно выпускаемым прибором на АО «НПП «Торий», настройка выходной фильтровой системы которого требует значительных усилий.
Наличие конструкторской документации на это изделие позволило сделать его детальное описание в виде трехмерной модели. В свою очередь наличие модели позволило исследовать физические процессы, происходящие в ней в ходе настройки.
Расчет проводился в трехмерном пакете программ HFSS с использованием расчета S-параметров по разным типам волн пассивных структур, «возбуждаемых» источником (driven modal).