Введение к работе
Актуальность работы. Одной из актуальных проблем современной вакуумной СВЧ-электроники является создание высокоэффективных, малогабаритных и простых по конструкции источников СВЧ-энергии малых, средних и высоких уровней мощности, работающих в разных частотных диапазонах. Такие устройства могут найти применение в радиолокации, ускорительной технике, в радиоаппаратуре космического базирования (например, в системах передачи солнечной энергии на Землю), в наземных системах передачи энергии СВЧ на расстояние, а также в установках промышленного нагрева. Существующие генераторные СВЧ-приборы среднего и большого уровней выходной мощности с термоэмиссионными катодами имеют большие углы пролета через пространство взаимодействия, например, ЛБВ, многорезонаторный клистрон и их гибриды. Поэтому они не в полной мере удовлетворяют современным требованиям из-за больших массы и габаритов. Магнетронные генераторы большой мощности имеют ограниченный срок службы.
В связи с этим в последнее время, благодаря работам многих отечественных ученых (Д.И. Трубецкова, В.П. Панова, В.А. Солнцева, В.К. Федяева, А.В. Галдецкого и др.), а также зарубежных ученых (J.J. Barroso, K.G. Kostov и др.), значительно возрос интерес к приборам СВЧ, имеющим средние углы пролета через электродинамическую систему, таким как монотрон, генератор тормозящего поля (ГТП), отражательный клистрон, низковольтный виркатор, клистрод. Однако в однолучевом исполнении и при использовании классических однозазорных резонаторов эти приборы обладают такими недостатками, как низкий КПД (1-5%) и малый уровень выходной мощности. Исключение составляет лишь клистрод, позволяющий получить большой уровень выходной мощности при высоком КПД (60-70%). Однако верхняя частотная граница применения клистродов пока не превышает 1.3 ГГц.
Поэтому актуальными проблемами при создании высокоэффективных СВЧ-приборов со средними углами пролета являются повышение КПД, увеличение выходной мощности, а также расширение диапазона рабочих частот. Этого можно достигнуть за счет перехода от однозазорных резонаторов к многозазорным, а также за счет применения пространственно-развитых электронно-оптических систем (с многолучевыми, ленточными и полыми электронными потоками). Для создания новых приборов, работающих в коротковолновой части микроволнового диапазона, целесообразен переход от термоэмиссионных источников электронов к автоэмиссионным с усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии.
Разработка таких приборов является следствием появления новых запросов практики, которые требуют выхода за пределы полученных знаний, так как до настоящего времени многолучевые приборы с резонаторами распределенного взаимодействия, такие как монотроны, отражательные клистроны, низковольтные виркаторы, мало исследованы, как теоретически, так и экспериментально.
Актуальность настоящей работы в научном аспекте определяется тем, что электродинамические характеристики многоканальных многозазорных резонаторных систем (РС) недостаточно исследованы: не изучены особенности взаимодействия пространственно-развитых электронных потоков с РС; не найдены оптимальные условия взаимодействия, требуемые для получения высокого электронного КПД; не изучено влияние электродинамических характеристик РС на выходные характеристики резонансных автогенераторов с распределенным взаимодействием при работе с термо- и автоэмиссионными катодами в различных частях микроволнового диапазона.
Актуальность темы в прикладном аспекте определяется тем, что создание новых малогабаритных, высокоэффективных источников СВЧ-энергии требует новых конструктивных решений как прибора в целом, так и отдельных его узлов; новые знания, полученные в диссертационной работе, будут использованы в учебных программах по специальности «Электронные приборы и устройства» и направлению «Электроника и наноэлектроника».
Целью диссертационной работы является исследование физических процессов обмена энергией между электронным потоком и ВЧ электрическим полем в простых по принципу взаимодействия и конструкции мощных многолучевых СВЧ-генераторах с многозазорными резонаторами и источниками тока на основе термо- и автоэмиссионных катодов; нахождение оптимальных параметров, обеспечивающих наибольший электронный КПД и выходную мощность в разных частотных диапазонах.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- проведение аналитического обзора современного состояния исследований в области разработок мощных генераторов СВЧ для разных практических приложений;
- разработка методики численно-аналитического моделирования электродинамических характеристик многозазорных резонансных систем монотронов (и других многолучевых приборов со средними углами пролета) с учетом особенностей взаимодействия электронов с ВЧ-полем при одновременном возбуждении РС на противофазном и высшем синфазных типах колебаний;
- численное моделирование нелинейной динамики электронного потока в многозазорных резонансных системах монотронов с неоднородным распределением ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия с учетом поля объемного заряда;
- получение рекомендаций по выбору параметров и конструкции резонансных систем, а также параметров электронного потока, обеспечивающих максимальный электронный КПД мощных монотронных генераторов с трех- и четырехзазорными резонаторами при работе в длинноволновом и в средневолновом диапазонах длин волн;
- выработка рекомендаций, необходимых для создания электронно-оптических систем многолучевых генераторов и выбора основных элементов конструкций новых автогенераторов СВЧ с термо- и автоэмиссионными катодами.
Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что впервые:
1. Найдены необходимые для получения высокого электронного КПД функции распределения ВЧ электрического поля в многолучевых монотронах; и предложены конструкции многозазорных резонансных систем, реализующие найденные закономерности.
2. Установлено, что на частоте 2450 МГц максимальный электронный КПД (около 50%) многолучевого монотрона с трехзазорным резонатором на 2-виде колебаний достигается на второй зоне генерации (при равных длинах зазоров и втулок и нарастающей по ходу движения электронов амплитуды ВЧ-поля) для режимов, соответствующих областям углов пролета с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.
3. Показано, что максимальный электронный КПД (до 57%) на частоте 2450 МГц в четырехзазорном резонаторе с оптимальным распределением поля на 2-виде колебаний при равных длинах зазоров и втулок достигается на третьей зоне генерации, соответствующей области с максимальным отрицательным значением электронной шунтирующей проводимости.
4. Показано, что в многолучевом монотроне с четырехзазорным резонатором, возбуждаемым на частоте 430 МГц на -виде колебаний (при оптимальном распределении ВЧ электрического поля в зазорах), может быть достигнут электронный КПД до 55% (при подводимой мощности до 5-6 кВт и микропервеансе не более 0,3 мкА/В3/2) при более низких ускоряющих напряжениях по сравнению с режимом на 2-виде колебаний.
5. Экспериментально подтверждено, что в модифицированной схеме ГТП с двухзазорным резонатором, возбуждаемым на кратных резонансных частотах (при несинусоидальной скоростной модуляции), электронный КПД может достигать 30%, что примерно в 10 раз больше, чем в обычном отражательном клистроне. Этот режим может быть использован для построения простых по конструкции и малогабаритных многолучевых генераторов и умножителей частоты с термо- и автоэмиссионными катодами и электронной перестройкой частоты.
6. Экспериментально установлено, что в предложенной схеме низковольтного виркатора при работе в классе «В» можно получить (в отличие от классической схемы отражательного клистрона) на 30% более высокий электронный КПД. Это достигается за счет предварительной модуляции электронного потока по плотности в области первого виртуального катода и её дальнейшего усиления в области второго виртуального катода.
Достоверность полученных результатов обеспечивается построением адекватных математических моделей на основе фундаментальных исходных уравнений вакуумной СВЧ-электроники и законов электродинамики, корректностью упрощающих предположений, соответствием результатов расчета и решений тестовых задач, а также соответствием расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью современной измерительной аппаратуры.
Практическая значимость состоит в следующем:
-
Получены рекомендации для выбора оптимальных параметров многозазорных резонаторов многолучевых монотронов:
- для трехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 40 кВт и электронным КПД 49%;
- для четырехзазорного резонатора при синфазном возбуждении, работающего на частоте 2.45 ГГц с выходной непрерывной мощностью 50 кВт и электронным КПД 57%;
- для четырехзазорного резонатора при противофазном возбуждении, работающего на частоте 430 МГц с выходной непрерывной мощностью 5 кВт и электронным КПД 55%.
2. Получены рекомендации для выбора параметров режимов работы (первеанс одного луча и величины ускоряющего напряжения), необходимые для самовозбуждения генераторов на многозазорных резонаторах с минимальным пусковым током.
3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и автоэмиссионными катодами (с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии с отражательного электрода, введенного в объем двухзазорного резонатора), могут быть созданы новые типы многолучевых малогабаритных генераторов, перспективные для работы в коротковолновой части микроволнового диапазона.
4. Выполнено проектирование 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора на выходную мощность 50 кВт с электронным КПД 57 % на длине волны 12.24 см с ускоряющим напряжением 13.3 кВ и общим током 6.16 A.
Реализация результатов работы
Результаты работы и практические рекомендации по проектированию многолучевого генератора монотронного типа переданы в ОАО «НПП «Контакт», г. Саратов для изготовления опытных образцов 14-лучевого четырехзазорного монотронного генератора. Результаты используются в учебном процессе на кафедре «Электронные приборы и устройства» СГТУ им. Гагарина Ю.А. при чтении лекционных курсов в рамках дисциплин «Микроволновые приборы и устройства», «Новые типы электровакуумных приборов», а также при курсовом и дипломном проектировании бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».
Материалы, приведенные в работе, использованы при выполнении НИОКР по теме «Разработка основных принципов построения нового типа прибора - мощного многолучевого монотрона с четырехзазорным резонатором»», выполненной в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.), 2009 г., гос. рег. № 01200952472.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Предложенные конструкции электродинамических систем многолучевых монотронов, выполненных на основе трех- и четырехзазорных многоканальных резонаторов, обеспечивают (на 2-виде колебаний) требуемые для достижения высокого электронного КПД электродинамические параметры и нарастающее распределение ВЧ электрического поля в пространстве взаимодействия.
2. Максимальные значения электронного КПД и выходной мощности многолучевых монотронов с трех- и четырехзазорными резонаторами на 2-виде колебаний достигаются при относительных амплитудах ВЧ-напряжения на резонаторе, не превышающих значения 2, соответственно, при углах пролета 4.3 и 5.8.
3. На основе предложенных конструктивных схем построения автогенераторов с несинусоидальной скоростной модуляцией и матричными автоэмиссионными катодами с дополнительным усилением тока за счет вторично-электронной эмиссии и введения отражательного электрода в объем резонатора, могут быть созданы новые типы высокоэффективных многолучевых малогабаритных генераторов для коротковолновой части микроволнового диапазона длин волн.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5 конференциях: Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006, 2008, 2010); ХХI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008); Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009); научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009); Международной научно-технической конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2011).
Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение: В.А. Царев, Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко «СВЧ-генератор с матричным автоэмиссионным катодом с отражением электронного потока» заявка №2011104833 от 09.02.2011, решение о выдаче патента 21.02.2012.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них две статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено положительное решение на выдачу патента на изобретение. Заявка на изобретение: Н.А. Акафьева, А.Ю. Мирошниченко, В.А. Царев «Мощный СВЧ-генератор монотронного типа» № 2011133860 от 11.08.2011 проходит экспертизу по существу.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 137 страниц, включая 4 таблицы, 98 рисунков, 46 формул, список использованной литературы состоит из 68 наименований.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации результаты всех расчётов получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов и формулировке выводов, составляющих основу публикаций.
