Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время в исследовании и разработке усилителей гирорезонансно-го типа (гироклистронов, гиро-ЛБВ, гиротвистронов, пениотронов) определился ряд приоритетных задач, в случае успешного решения которых эти вакуумные приборы получили бы такое же широкое применение, как и классические приборы свч.
Первой, и наиболее актуальной задачей является снижение массы магнитной фокусирующей системы (МФС), традиционно представляющей собой криогенный гелиевый сверхпроводящий соленоид массой порядка 100 кг и достаточно коротким временем непрерывной работы, около 500 часов с "замороженным" полем. Поскольку в ближайшее время не предвидится создание соленоидов из ВТСП, в решении этой проблемы наметилось два основных направления: 1 - разработка для длинноволновой части миллиметрового диапазона МФС па постоянных магнитах с полем 1,0...1,2 Тл в зазоре длиной около \0Х, 2 - создание в коротковолновой части миллиметрового диапазона приборов пениотронного типа, работающих на высоких циклотронных гармониках п » 10 и магнитных систем для них с полями 0,30...0,35 Тл. Использование МФС на постоянных магнитах сразу же влечет за собой применение принципиально новой электронно-оптической системы (ЭОС), электронной пушки и коллектора. Это прежде всего связано с реверсом поля на полюсных наконечниках и иеадиабатическим характером формирования винтового электронного потока (ВЭП) в области компрессии.
Второй, актуальной для всех гирорезонансных усилителей задачей, является проблема подавления паразитного самовозбуждения интенсивного винтового электронного потока, которое возникает не только в электродинамической системе, но и в области компрессии и трубах дрейфа. В отличие от прямолинейных потоков, в винтовом электронном потоке присутствует большее число механизмов, приводящих к развитию различного рода неустойчявостей, вследствие которых возникает паразитная ВЧ или НЧ генерация и срыв рабочего режима прибора. В мощных гирорезонансных усилителях паразитноя генерация также приводит к целому ряду нежелательных последствий, таких как оплавление труб дрейфа, вне-трактовые излучения через керамические изоляторы катодного узла лампы, нарушение модового состава выходного излучения, пробой или прогорание вакуумно-плотных окон и волноводных элементов выходного тракта.
Наконец, третьей задачей для широкополосных гирорезонансных усилителей, является проблема согласования входного и выходного тракта с электродинамической системой прибора и транспортировка без потерь мощного микроволнового излучения. Проблема согласования электродинамической системы с входным трактом зачастую оказывается сложнее согласования электродинамической системы с выходным трактом. Дело в том, что до области взаимодействия необходимо разделение электронного потока и ВЧ мощности. Нарушение этого условия негативно отражается на формировании интенсивного ВЭП в области компрессии. На участке, где магнитное поле не достигло рабочего значения и не выполняется условие синхронизма, модуляция потока ВЧ полем приводит к росту разброса скоростей электронов и снижению КПД прибора. При этом часть медленных электронов может отразиться от магнитной пробки и оказаться захваченными в магнитную ловушку. Образовавшееся облако пространственного заряда экранирует поле на катоде, нарушает распределение потенциалов в электронной пушке.
ведет к дальнейшему росту разброса поперечных скоростей электронов и снижению поперечного КПД электронного потока. Более того, в вакуумных приборах 3-х мм диапазона дайн волн размеры согласующих устройств жестко ограничены геометрическими размерами самой лампы и используемой магнитной системой. Именно поэтому, данная проблема является достаточно сложной для решения и оптимизации электродинамической задачей.
Цель работы и постановка задач
Целью диссертационной работы является выявление закономерностей транс-
формации модового состава излучения в свсрхразмерньгх волноводах и использование полученных результатов для оптимизации широкополосных гирорезонанс-ных усилителей миллиметрового диапазона длин волн. В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи.
1. Теоретическое и экспериментальное исследование преобразования типов
. волн в сильно связанных волноводах.
-
Расчет и оптимизация преобразователя волны ТЕ]$ прямоугольного волновода в волну ТЕо.і круглого волновода для широкополосного согласования входного тракта с электродинамической системой мощной гиро-ЛБВ 3-х мм диапазона длин волн.
-
Экспериментальное исследование спектрального состава выходного излучения гирорезонансного усилителя при развитии неустойчивостей в интенсивном винтовом элекгронном потоке.
-
Оценка влияния "медяенных" электронов ч магнитной ловуиіке на процесс самовозбуждения гирорезонансного усилителя.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование преобразования электромагнитных волн на случайно расположенных неоднородностях в многомодо-
. вой электродинамической системе (волноводе).
6. Применение выявленных закономерностей для подавления самовозбуждения
в приборах гирорезонансного типа.
Научная новизна результатов
-
Предложен метод расчета коэффициента передачи, полосы частот, направленности и избирательности преобразователя типов воїн на основе направленного ответаителя с сильной связью.
-
Показано, что зависимость амплитуды коэффициента преобразования от расстройки невозмущенных волновых чисел связанных волн носит резонансный характер. Получены соотношения для полуширины резонансной кривой. В случае волноводов разного поперечного сечения, максимальный коэффициент преобразования достигается при отличной от нуля расстройке нсвозмущен-ных волновых чисел.
-
Показано, что максимальный коэффициент преобразования физически ограничен искажением структуры поля в волноводе, возникающим под влиянием элементов связи, и возбуждением в мпогомодовом волноводе близких по фазовым скоростям типов волн.
4. , Экспериментально исследован преобразователь типов волн на основе много-
модовых волноводов с сильной связью.
-
Экспериментально исследован спектральный состав выходного излучения усилительного гироклнстрона при развитии в электронном потоке различных типов неустойчивостей, исследована зависимость спектрального состава от питч-фактора электронного потока.
-
Проведена оценка влияния захваченных в магнитную ловушку "медленных" электронов на снижение стартового тока входного резонатора и предрезона-торного пространства усилительного гироклнстрона.
-
Теоретически и экспериментально исследован процесс преобразования электромагнитной волны на случайных неоднородностях размером г«Х в много-модовом волноводе. . . ,
-
Показано, что при определенных условиях затухание распространяющейся электромагнитной волны перестает зависеть от величины омических потерь в стенках волновода и численно равно коэффициенту преобразования на неоднородностях падающей волны в другие моды.
-
Выявлены 4 механизма (3 амплитудных и 1 фазовый) в многомодовой электродинамической системе с хаотически расположенными неоднородиостями и поглотителем на стенках, позволяющие надежно подавить самовозбуждение гирорезонансньгх усилителей в области компрессии.
Практическое значение работы
-
Изготовлены и экспериментально исследованы два варианта преобразователей типов волн для согласования входного тракта с электродинамической системой широкополосной гиро-ЛБВ. Первый вариант реализован на основе направленного ответвитсля, связывающего волну ТЕї.о прямоугольного волновода непосредственно с волной ТЕо.1 круглого волновода. Коэффициент передачи преобразователя к = 0,62, полоса преобразования по уровню - 3 дБ равна 11 %, нзрезанность АЧХ не превышает 0,5 дБ. Геометрическая длина преобразователя 13.
-
Второй вариант преобразователя выполнен на основе направленного ответвитсля, связывающего волну ТЕцо прямоугольного волновода с волной TEo.i коаксиального волновода. Последующее преобразование волны TEo.i коаксиального волновода в волну TEo.i круглого волновода происходит в двухмодо-вом преобразователе Маркатили. Коэффициент передачи преобразователя =0,55, полоса преобразования по уровню — 3 дБ равна 6,3%, нзрезанность АЧХ составляет 1,7 дБ. Отличительной особенностью преобразователя является чрезвычайно короткая длина области связи 4.5Х и полное пространственное разделение электронного потока и ВЧ поля до области взаимодействия.
-
Изготовлена и экспсрименталыю исследована электродинамическая система пениотроиа, работающая на т.- виде колебаний. Входное согласующее устройство, выполненное как "поперечный" направленный ответвитсль с сильной связью, преобразует волну ТЕ і.о прямоугольного волновода в рабочий тип колебаний пениотроиа. В выходном согласующем устройстве, представляющем собой многоступенчатый преобразователь типов волн, рабочий тип колебаний пениотроиа преобразуется в волну TEoj круглого волновода.
-
Для предотвращения самовозбуждения в области адиабатической компрессии электронного потока четырехрезонаторного усилительного гироклнстрона применено электродинамическое устройство, использующее процесс преоб-
разования электромагнитной волны на хаотических неоднородностях в мно-
гомодовом волноводе с поглощением. В модифицированных лампах в режиме
. чистого усиления выходная мощность выросла с 1,5 кВт до.2,2...2,5 кВт, а
КПД увеличился с 13...14 % до 22...25 %. В одной из ламп удалось зафикси-
ровать мощность в непрерывном режиме 3,0 кВт при КПД 30 %.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном научном семинаре "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 24-25 пая 1990 г.), на VI Всесоюзной научип-лрактической конференции "Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях" (Саратов, 11-13 июля 1991 г.), на научно-технической конференции "Научный потенциал ВУЗов - программе конверсия" (Казань, 27-29 января, 1993 г.); на IV и V Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Краснови-дово, 17-23 мая 1993 г.), на 25 Европейской микроволновой конференции, (Bologna, Italy, Sept. 4-7, 1995 г.), на 9-й конференции по микроволновой технике, (Pardubice, Czech Rep., Oct. 16-17, 1997 г.), па Всероссийской межвузовской конференция "Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ", (Саратов, 4-8 сентября 1997 г.), на Азиатско-Тихоокеанской микроволновой конференции (Yokohama, Japan, 1998 г.).
По материалам диссертации опубликовано 17 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
