Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Настоящая работа выполнепа в русле решения общей проблемы совершенствования параметров а конструкций электровакуумных приборов СВЧ. Она актуальна в связи с широким применением таких устройств во многих областях - космическая и телевизионная связь, радиолокация, промышленный нагрев и ' технологическая обработка материалов, медицинские исследования, термоядерная энергетика, ускорительная техника.
Такое широкое использование электровакуумных приборов СВЧ выдвигает все более жесткие требования к их выходным характеристикам (коэффициент усиления, полоса, чистота спектра). Проблема повышения эффективности, т.е. КПД практически для всех таких приборов является одной из цеитралышх, а для приборов средней я большой мощности выдвигается на первый план.
Анализ состояния проблемы показал, что:
Процессы взаимодействия электронных потоков (ЭП) с электромагнитными волнами (ЭМВ), лежащие в основе работы электровакуумных приборов (ЭВП), весьма многообразны и нуждаются в детальном теоретическом анализе. Действительно, несмотря па прошедшие 56 лет с момента создания первого клистрона, постоянно обнаруживаются новые механизмы усиления и генерации электромагнитных воля электронными потоками. В то же время ведется постоянное совершенствование классических электронных приборов СВЧ.
Среди таких ЗВП преобладают устройства, основанные на 0-тппе взаимодействия, при котором осуществляется продольная модуляция ЭП, его группировка и отбор энергии ЭП возбуждаемой волной. Проблема повышения эффективности этого механизма достаточно актуальна, т.к. КПД типичных ЛБВ-О не превышает 20-35%.
Для получения больших и сверхбольших уровней мощности в ЭВП используются релятивистские ЭП (РЭП). Известно, однако, что продольная модуляция РЭП неэффективна, поэтому определенные усилия направлены на поиск эффективных механизмов взаимодействия РЭП с ЭМВ, использующих различные модификации поперечной модуляции.
- Особенность конструирования ЭВП состоит в том, что их
экспериментальные макеты весьма дорогостоящие, ввиду чего особое
значение придается предварительному моделированию и попеку их
оптимальных конструкций на ЭВМ.
Связь работы с крупными научными программами, темами
Диссертация выполнена в рамках одного из основных научных направлений БГУИР - "Математические методы моделирования и оптимизации электронных приборов и устройств".
По теме диссертации выполнялись работы в рамках программы "Информатика" и по заданию "Фонда фундаментальных исследований РБ"
Цель и задачи исследования
Цель работы
На основе моделирования и оптимизации на ЭВМ получить предельные по эффективности параметры процессов взаимодействия ЭП с ЭМВ в приборах О-типа с нерегулярными по длине характеристиками и приборах с поперечной модуляцией, выявить основные закономерности, проявляющиеся в оптимальных режимах, указать наиболее эффективные, а также исследовать новые механизмы взаимодействия, на основе которых можно создать перспективные приборы новых типоз.
Для достижения поставленной цели требуется решить задачи
Разработать математические модели, эфективные методы расчета и оптимизации а также пакеты прикладных программ, позволяющие производить анализ и оптимизацию процессов взаимодействия ЭП с ЭМВ в приборах СВЧ различных типов.
Получить параметры оптимальных режимов О - типа взаимодействия при распределенном управлении механизмом фазировки и выявить закономерности, проявляющиеся при их реализации в различных модификациях приборов: ЛБВ, оротрон, ЛБВ на ЦСР, ЛБВ со спиральным ЭП и профилированным магнитным полем.
- Выявить возможности повышения эфективности релятивистских
клистронов за счет использования механизма поперечной модуляции и
последующей группировки РЭП в неоднородном магнитном поле.
- Получить оптимальные по КПД параметры процессов усиления и
генерации циркулярно поляризованных ЭМВ на прямолинейом РЭП как в
традиционных (гирокон) так и в принципиально новых приборах (гиротон).
- Выявить факторы, влияющие на эффективность пениотропного
механизма взаимодействия.
- Получить оптимальные параметры и разработать рекомендации по
конструированию приборов с улучшенными выходными характеристиками.
-Ъ -
Научная поеизт полученных результатов
состоит в следующем: .
разработаны новые методы: метод синхронного электрона для поиска оптимального закона изменения характеристик ЗС вдоль приборов типа-О, метод расчета дисперсионных характеристик спирали, закрепленной в экране диэлектрическими опорами;
впервые обнаружен и исследован ранее неизвестный физический эфект ограничения КПД релятивистской ЛБВ-О за счет невзаимности энергии взаимодействия электронов в сгустке в релятивистском случае;
впервые предложен ц обоснован новый механизм управления фазировкой О-типа взаимодействия сппралязованного ЭП с замедленной симметричной Е-волной за счет профилирования фокусирующего магнитного поля;
впервые обнаружен эффект автогенерации вращающейся Ejjj- волны цилиндрического резонатора на прямолинейном РЭП;
предложена усовершенствованная схема релятивистского клистрона с поперечной модуляцией - удвоителя частоты, позволяющая увеличить коэффициент усиления й КПД при одновременном уменьшении длины прибора;
- впервые найдены максимально достижимые КПД и оптимальные
параметры приборов: ЛБВ-О с нерегулярной ЗС, оротрона с нерегулярной
дифракционной решеткой, ЛБВ на нерегулярной ЦСР, ЛБВ со
спирализованным ЭП и профилированным магнитным полем, клистрона с
поперечной модуляцией- удвоителя частоты, гиротона-усилителя и гиротона-
генератора, пениотрона, исследованы их выходные характеристики.
Практическая значимость полученных результатов
Результаты работы значительно дополняют и развивают представления о физических явлениях и достижимых максимальных КПД в усилителях и генераторах типа О и приборах на РЭП с поперечной модуляцией
Информация о предельных КПД и найденных закономерностях оптимальных режимов указывает пути повышения эффективности на 20-50% ряда приборов СВЧ: ЛБВ-О, ЛБВ на ЦСР, оротроиов.
Предложенные перспективные схемы мощных СВЧ приборов (гиротонов-усилителей, гиротонов-генераторов, релятивистских клистронов -удвоителей частоты) открывают новые возможности в создании усилителей и генераторов для промышленных технологических установок, передачи энергии по лучу, нагреву плазмы.
.4-
Полученные математические модели, методы и программы создают основу для проведения дальнейших численных экспериментов и детальной конструкторской проработки при создании экономичных приборов СВЧ с , улучшеными выходными характеристиками.
Результаты диссертации использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, а также нашли отражение в учебных курсах, читаемых на кафедрах "вычислительных методов и программирования" и "антенн и устройств СВЧ" БГУИР.
Экономическая значимость полученных результатов
определяется следующим:
- сокращение затрат на дорогостоящие натурные эксперименты,
- повышение электронного КПД увеличивает срок службы приборов,
позволяет значительно удешевить конструкцию за счет отказа от сложной
системы рекуперации, уменьшает энергопотребление. .
1 Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Математические модели, алгоритмы и программы, позволяющие
расчитывать и проводить оптимизацию по КПД параметров нелинейных
процессов взаимодействия мощных ЭП с ЭМВ в усилителях и генераторах
СВЧ типа О и приборах с поперечной модуляцией - ЛБВ-О, оротроне, ЛБВ-
О на ЦСР, ЛБВ-О со спйралнзованным ЭП и профилированным магнитным
полем, клистроне с поперечной модуляцией, гироконе, гаротоне.'пениотроне.
-
Эффективный метод нахождения квазиоптимального по КПД закона управлення механизмом взаимодействия типа 0 - метод синхронного электрона в самосогласованном поле, позволивший найти оптимальные параметры, при которых расчетный КПД составляет 70-80% в ЛБВ-О с. нерегулярной ЗС, в оротроне с нерегулярной дифракционной решеткой, в ЛБВ с нерегулярной ЦСР.
-
Оптимальный закон изменения холодной фазовой скорости Уф(і), обеспечивающий условия захвата электронных сгустков и последующего отбора энергии от них, имеющий характерный, объяснимый с точки зрения физических процессов в ЛБВ профиль: на начальном участке v^ монотонно
повышается, обеспечивая синхронизм средней скорости электронов пучка и горячей фазовой скорости возбуждаемой волны. В максимуме Уф может
существенно превосходить синхронный уровень, после максимума v^ создается изохронный режим, обеспечивающий интенсивный отбор энергии от ЭП. Такой профиль реализует условия оптимальной группировки ЭП на
началыгом участке и улучшенные условия отбора энергии на конечном участке, что позволяет получить максимальный КПД до 80% (в отсутствии потерь в 3Q.
-
Выявленные физические закономерности процесса взаимодействия в ЛБВ-0 с нерегулярной ЗС. Учет распределенного затухания в ЗС снимает двухрежимное "вырождение" на участке отбора: режим автофазной ЛБВ оказывается неэффективным, эффективным оказывается только режим "короткой ЛБВ", при котором происходит быстрый и монотонный отбор энергии от сгустка электронов.
-
Обнаруженный эффект ограничения КПД релятивистских приборов типа О, в которых достигается значительный уровень группирования из-за того, что энергия РЭП аккумулируется в сгустке в виде энергии взаимодействия, которая не совпадает с релятивистской потенциальной энергией. Установленный факт, что коррекция сил пространственого заряда, связанная с ускорением частиц, не имеет существенного значения в приборах с распределеннным взаимодействием, где эти ускорения ограничены. Поэтому в теории таких приборов возможно использование преобразования Лоренца в расчетах сил пространственного заряда.
6. Предложенный механизм управления фазировкой О-типа
взаимодействия спирализованного ЭП с замедленной ^-волной в ЛБВ за
счет профилирования фокусирующего магнитного поля. Характерный
оптиматьный закон изменения магнитного поля в такой ЛБВ имеет вначаїе
участок возрастания, обеспечивающий условия синхронизма с "горячей"
волной, после достижения максимума следует мопотонное убывание
магаитостатического поля. При этом реализуется изофазный механизм отбора
энергии. Максимальный КПД достигается при практически полном
преобразовании поперечной составляющей скорости и незначительной части'
продольной составляющей в энергию СВЧ-пОля и может быть более 70 %.
7. Разработанную теорию группирования РЭП в неоднородном магнитном
поле в релятивистском клистроне с поперечной модуляцией - удвоителе
частоты. Наилучшую конструкцию такого клистрона с модулятором,
имеющим два резонатора на Ец0—ыояе, настроенных на частоту, сигнала со
(первый активный, второй пассивный), участок дрейфа с монотонно
нарастающим магнитостатическим полем, два-три догруппирующих
резонатора, настроенных на частоту 2й>, и резонатор отбирателя, перед
которым имеется участок Понижения Магнитного поля.
8. Разработанную теорию усилителей и генераторов, основанных на
взаимодействии вначале прямолинейного РЭП с вращающимися
электромагнитными полями при условии гирорезонанса в отбирателе -
піротонов. Результаты сравнения эффективности отбирателей гиротона, выявившие, что наилучшим по максимально допустимым КПД при относительно небольших входных значениях Питч-фактора q является комбинированный тип колебаний Ецд + Нщ, использование типов Tmi или Hjji дает несколько худшие результаты. Обоснованную наиболее оптимальную конструкцию одно-, двух- и трехкаскаяного модулятора с длиной участка дрейфа, на которой реализуется один виток, после которого РЭП входит в резонатор отбирателя вблизи оси. Отработанную методику расчета такого модулятора и полученные таблицы его оптимальных параметров, позволяющие оценить выходные характеристики различных конструкций гиротонов. Полученные оптимизированные варианты различных конструкций гиротонов с КПД более 90%.
-
Эффект беспороговой генерации вращающейся Епг моды цилиндрического резонатора на прямолинейном РЭП, при которой обеспечивается КПД до 66%, Оптимальные варианты составного гаротон-генератора, в котором вслед за резонатором с Ещ- модой следует цилиндрический резонатор, настроенный. на Нц\ волну, или гибридную Ец0 + Н]])- моду. В таком генераторе достигается КПД ~ 90%.
-
Оптимальные варианты пениотронного усилителя и генератора.с различными типами электродинамических систем при учете сіш ППЗ и встречной парциальной волны стоячего поля резонатора.
Личный вклад соискателя
Автор принимал непосредственное личное участие в получении всех результатов, представленных в диссертации.
Автором лично получены следующие результаты:
- разработаны математические модели, эффективные методы, алгоритмы
л пакеты программ анализа и оптимизации процессов взаимодействия
электронного потока с возбуждаемыми электромагнитными волнами,
лежащих в основе работы электровакуумных приборов различных типов;
- предложены и обоснованы новые эффективные методы: метод
синхронного электрона, метод нахождения дисперсионных характеристик
спирали в экране с диэлектрическими опорами;
обнаружен эффект ограничения КПД релятивистских приборов тина-0, в которых достигается значительный уровень группирования;
разработана теория каскадной поперечной модуляции и группирования РЭП в неоднородном магнитном поле в клистроне с поперечной модуляцией -удвоителе частоты;
Совместное профессором Л.А.Кураевым
выявлены физические закономерности ЛБВ-0 с оптимизированной нерегулярней ЗС, обеспечивающей КПД 60-80%;
предложена п .обоснована перспективность ЛБВ-0 со еппралезндным электронным потоком и профилированным магнитным нолем;
предложена и обоснована схема гирокона с продольным мапштостатическим полем;
разработана теория усилителей и генераторов нового типа - гиротоноз;
обнаружена беспорогевая генерация Ецп-волн на прямолинейном РЭП;
изучены факторы, приводящие к снижению эффективности пенйотронного механизма взаимодействия.
Апробация результатов диссертации.
Результаты диссертации обсуждались на
3 Всесоюзной научной конференции по высокочастотной электронике СВЧ. Минск, 20 сентября 1983г..
5 Всесоюзном семинаре но высокочастотной электронике, Новосибирск, 6 мая 1987г.
6 Всесоюзном семинаре по высокочастотной электронике, Свердловск, 6 мая 1987г.
Всесоюзной школе,- семинаре "Физика и применение микроволн". МГУ, 22 мая 1991г.
Всесоюзной школе - семинаре "Физика и применение микроволн". МГУ, 7 июня 1993г.
Научно-технической конференции "Современные проблемы радиотехники, электроники и связи". Минск, 4-5 мая 1995г.
Опубликованность результатов
По теме диссертации опубликовано 27 статей, 8 тезисов докладов на научных конференциях, 8 отчетов по Х/Д и ГБ НИР, получено і авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, обзора литературы,' семи глав п формулировки основных выводов. Она изложена на 209 страницах основного машинописного текста, содержит 96 страниц рисунков, 20 страниц таблиц и список литературы из 182 наименований «а 13 страницах.
