Введение к работе
Одна из важнейших проблем радиотехники - проблема расширения полосы частот и увеличения выходной мощности радиоусилителей, в частности, усилительных клистронов. Эта проблема наиболее актуальна в коротковолновых диапазонах. В диссертации указанная проблема рассмотрена для клистронных усилителей сантиметрового диапазона.
Актуальность. Расширение полосы частот достигается увеличением произведения эффективного волнового сопротивления выходного резонатора на ток электронного потока, делённого на ускоряющее напряжение и путём использования фильтровых систем, которые включают выходной резонатор, нагрузочный волновод и включённый между ними корректирующий резона-торный фильтр. Увеличение мощности широкополосных усилителей достигается в основном за счёт увеличения тока, поскольку повышение напряжения при постоянном токе приводит к сужению полосы.
С целью увеличения волнового сопротивления были предложены многозазорные резонаторы. Широкое применение нашли наиболее простые двухзазорные резонаторы, которые позволили расширить полосу в 1.5-2 раза.
При увеличении числа резонаторов фильтровой системы полоса монотонно возрастает, стремясь к пределу. Применяются фильтровые системы второго и третьего порядков. Системы более высокого порядка существенно усложняют технологию настройки и дают незначительный выигрыш по полосе согласования. С внедрением фильтровых систем полоса рабочих частот была увеличена в 2-3 раза (Пасманник В.И.).
Увеличение тока и уменьшение ускоряющего напряжения при прочих равных приводит к возрастанию сил пространственного заряда. Для преодоления негативных проявлений этих сил были предложены и внедрены (Бернье, Зусмановский С.А.,
Королёв СВ., Лебединский СВ., Невский П.В.) многолучевые электронно-оптические системы. Чем больше лучей при заданном общем токе, тем меньше нежелательное влияние пространственного заряда. Однако, число лучей ограничено сверху технологическими трудностями изготовления, особенно в коротковолновых диапазонах. Кроме того, увеличение общего тока при заданной площади зазора взаимодействия приводит, независимо от числа лучей, к возрастанию магнитного поля, необходимого для фокусировки этих лучей. Внедрённые многолучевые системы позволили увеличить общий первеанс усилителей в 5-20 раз. Увеличения тока достигают увеличением площади катода и плотности тока с эмиттирующей поверхности. Увеличение плотности тока приводит к сокращению срока службы катода и, как следствие, усилителя. Увеличения площади эмиттера достигают как увеличением площади зазора взаимодействия так и применением криволинейных катодов (Невский П.В.), чья площадь поверхности за счёт искривления превосходит площадь зазора взаимодействия. В сантиметровом диапазоне в рамках многолучевых конструкций применение искривлённых катодов существенно усложняет технологию изготовления усилителей. В настоящее время многолучевые криволинейные катоды внедрены только в дециметровом диапазоне.
Для увеличения площади зазора взаимодействия используют электродинамические системы, работающие на критической (или близкой к ней) частоте (Панов П.В., Пасманник В.И.) и системы, в которых электроны взаимодействуют с полем в пределах нескольких пучностей (Королёв СВ., Зырин С.С). Получили распространение волноводы, работающие на критической частоте и свёрнутые в кольцо- кольцевые резонаторы. Применение кольцевых резонаторов с одновременным ограниченным снижением ускоряющего напряжения позволяет увеличить и выходную мощность и рабочую полосу частот. Основ-
ной недостаток регулярных волноводов на критической частоте в том, что они не передают энергию вдоль своей оси. Как следствие, разные отрезки достаточно большой длины (А./2 или более) такого волновода элекромагнитно слабо связаны друг с другом. Это обстоятельство при увеличении длины волновода обуславливает трудности с широкополосным выводом мощности и с регулировкой резонансной частоты в пределах широкой полосы. Кольцевые резонаторы нашли применение в дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона (эти диапазоны не требует технологической подстройки частоты) при длине кольца не более 3/2А,.
В реферируемой работе изучаются электродинамические системы с несколькими пучностями поля Е, конкретно, системы нескольких связанных резонаторов, нагруженные на выходной волновод и работающие на нескольких видах колебаний (Зырин С.С). Каждый резонатор пронизывается своим электронным потоком. Электронные потоки могут быть как однолучевыми, так и многолучевыми. За счёт использования нескольких электронных потоков и нескольких видов колебаний можно увеличить и выходную мощность и суммарную рабочую полосу частот усилителей пропорционально числу потоков, что и обуславливает актуальность представляемой работы. До момента начала работы были предложены связанные системы, работающие на нескольких видах колебаний в узкополосном режиме, в котором каждая рабочая полоса в несколько раз меньше нерабочих интервалов между соседними полосами (Зырин С.С). Однако, потребителей широкополосных усилителей интересуют, как правило, полосы без нерабочих интервалов, либо с возможно меньшими нерабочими интервалами. Электродинамические системы усилительных клистронов, обеспечивающие работу в нескольких полосах с небольшими нерабочими интервалами
(меныпе величины отдельной рабочей полосы), к моменту начала диссертационной работы исследованы не были.
Во-первых, уменьшение нерабочих интервалов приводит в
выходной электродинамической системе усилителя (при одно-
модовом нагрузочном тракте) к возрастанию взаимного ме
шающего действия сближающихся видов. Мешающее
взаимодействие имеет место и во входной электродинамиче
ской системе также при условии одномодовости входного трак
та. Это взаимодействие не было изучено ко времени начала
диссертационной работы.
Во-вторых, известно неравенство Бодэ, определяющее максимально достижимую полосу согласования (при заданном коэффициенте отражения) с LCR цепью эквивалентного гармонического генератора тока с внутренней проводимостью. Однако, в литературе отсутствуют строгие формулировка и доказательство подобного неравенства для цепей с несколькими генераторами. Указанное неравенство необходимо для создания теоретических основ проектирования широкополосных многоре-зонаторных выходных электродинамических систем усилителей с несколькими электронными потоками (многопоточных усилителей). Практический интерес представляет выяснение условий достижения максимально возможной полосы.
Наконец, известно равенство, выражающее зависимость коэффициента отражения мощности волны, падающей на полость по входному волноводу от величины рассогласования выходного волновода. Однако, в литературе отсутствует подобное соотношение для коэффициента отражения суммарной мощности нескольких волн, падающих на полость по нескольким входным волноводам, в зависимости от величины рассогласования выходного волновода, в котором суммируются мощности входных волн. Знание реакции устройств суммирования мощностей на рассогласование нагрузки необходимо при проектировании на-
грузочных трактов многопоточных усилителей (входные волноводы устройства суммирования вместе с генераторами падающих волн рассматриваются в данном случае как эквивалент электронных потоков).
Таким образом, нерешённые вопросы касаются, в основном, выходных электродинамических систем усилителей.
Целью работы является разработка теоретических основ нового направления проектирования СВЧ-усилителей - многопоточных многополосных широкополосных клистронов с небольшими нерабочими интервалами (меньше чем отдельная рабочая полоса). Электродинамическая система такого клистрона построена на основе нескольких активных многорезонатор-ных систем, каждая из которых работает на нескольких видах колебаний.
Научная новизна. В работе рассмотрена выходная электродинамическая система многопоточных усилительных клистронов, которая работает в нескольких частотных полосах, соответствующих видам колебаний активной многорезонатор-ной системы. Рассмотрены задачи
-
нахождения максимально достижимой рабочей полосы частот (при заданном коэффициенте передачи мощности в нагрузку) и условий её реализации,
-
выяснения природы мешающего взаимодействия рабочих видов колебаний,
-
ослабления мешающего взаимодействия,
-
определения влияния рассогласования нагрузочного тракта на эффективность работы выходной электродинамической системы.
Первая задача решена для произвольного количества потоков в приближении эквивалентных цепей с использованием метода контурного интегрирования в комплексной плоскости. Вторая задача решена для распределённых электродинамиче-
ских систем с использованием приёма обращения времени. Полученный результат конкретизирован в приближении сосредоточенных цепей. Третья задача решена для двухпоточных усилителей. Четвёртая задача решена для произвольного распределённого устройства суммирования мощностей, которое включает несколько входных и один выходной волноводы, с использованием приёма обращения времени. Полученный результат применён к эквивалентным цепям.
Практическая ценность. Исследования, составляющие существо диссертации, позволили выбрать оптимальный вариант построения электродинамической системы мощного двухпо-точного вакуумного СВЧ усилителя (клистрона) коротковолновой части сантиметрового диапазона. И выходная мощность и суммарная рабочая полоса частот изготовленных образцов в два раза больше, чем мощность и полоса прототип-ного усилителя с одним электронным потоком.
Основные защищаемые положения.
1. Для любой линейной, пассивной, не обязательно взаимной цепи, ко входам которой подключены N генераторов гармонического тока с внутренними проводимостями с произвольными зависимостями амплитуд и фаз от частоты, шунтированные паразитными емкостями, справедливо неравенство, ограничивающее полосу согласования генераторов с цепью:
7 1 Л Yn
J0 p(ico,I(co)) tiC»
где I(o>) - столбец (размерности N) комплексных амплитуд токов генераторов, р - коэффициент отражения суммарной мощности генераторов, Yn - внутренняя проводимость генератора с номером "п", Сп - паразитная ёмкость, шунтирующая входную пару номер "п" зажимов цепи,
причём среди линейных цепей, включающих отрицательные сопротивления, существуют сверхширокополосные цепи, т.е. цепи, не удовлетворяющие приведённому неравенству.
-
Для каждой электродинамической системы, нерезони-рующей на произвольно заданной частоте со, включающей полубесконечный одномодовый волновод с идеально проводящими стенками (связанный с произвольной нагрузкой) и полость без внутренних источников с идеально проводящими стенками (нагруженную на волновод) и возбуждаемой произвольным гармоническим током (ограниченным в пространстве), комплексная амплитуда объёмной плотности которого является чисто вещественной функцией, функция вещественной части ReEi(r) электрического поля, соответствующего произвольному возбуждающему току ji(r) (частоты со) и произвольному коэффициенту отражения Г] (Гі^І) нагрузки волновода и функция ReE2(r), соответствующая любому другому току j2(r) (частоты со) и любому другому коэффициенту отражения Г2 (Гг^1), линейно зависимы, причём функции ImHi(r) и ImH2(r) также линейно зависимы.
-
Для любого линейного, пассивного, не обязательно взаимного устройства суммирования мощностей двух эквивалентных генераторов, включающего одно единственное активное сопротивление полезной нагрузки, рабочие полосы, соответствующие синфазному и противофазному режимам суммирования, разделены принципиально неустранимым нерабочим интервалом, а применение более чем одного сопротивления полезной нагрузки позволяет осуществить устройство, работающее в перекрывающихся полосах.
-
Для любого устройства суммирования мощностей, включающего несколько входных и один выходной волноводы и полость (с идеально проводящими стенками без внутренних источников), связывающую входные волноводы с выходным,
справедливо равенство, определяющее реакцию устройства суммирования на рассогласование выходного волновода:
рз-рі = (1-pi)
1-ІГІ
1 - Г„ Г 2
причем
где рз - коэффициент отражения на входе суммарной мощности, падающей на полость по входным волноводам, соответствующий рассогласованной выходной нагрузке с комплексным коэффициентом отражения по напряжению Г, pi - коэффициент отражения суммарной мощности, соответствующий согласованной нагрузке выходного волновода, Г2 - комплексный коэффициент отражения по напряжению волны, падающей на полость со стороны выходного волновода, при условии подключения ко входным волноводам согласованных нагрузок. Pom - наименьшее значение коэффициента отражения суммарной мощности входных волн (для рассматриваемого устройства суммирования на рассматриваемой частоте) в пространстве амплитуд и фаз этих волн. Апробация. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на НТС НИИ "Исток", на трёх научных конференциях Московского физико-технического института, на научном семинаре кафедры радиофизики физического факультета МГУ. Они отражены в трёх публикациях.
Объём и структура диссертации. Обьём диссертации составляет 225 страниц, из них 42 страницы с рисунками. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы.
Похожие диссертации на Широкополосные выходные электродинамические системы многопоточных усилительных клистронов сантиметрового диапазона
